Rechnernetz
Ein Computernetzwerk ist eine Gruppe von zwei oder mehr Computern, die miteinander verbunden sind. Netzwerke werden normalerweise verwendet, um Ressourcen gemeinsam zu nutzen, Dateien auszutauschen oder mit anderen Benutzern zu kommunizieren.
Ein Netzwerk ist eine Gruppe von Knoten, die durch Kommunikationsverbindungen miteinander verbunden sind. Ein Knoten kann ein Computer, Drucker oder jedes andere Gerät sein, das in der Lage ist, Daten vom anderen Knoten über das Netzwerk zu senden oder zu empfangen.
Für die korrekte Funktion des Netzwerks sind oft andere Geräte erforderlich. Beispiele für solche Geräte sind Hubs und Switches. Mit einem Router können verschiedene Arten von Netzwerken miteinander verbunden werden. Im Allgemeinen können Netzwerke, die mit Kabeln verbunden sind, mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten als Netzwerke mit drahtloser Technologie.
Ein Local Area Network (LAN) verbindet Computer, die nahe beieinander liegen. Der Aufbau eines LAN ist einfacher als die Verbindung verschiedener Netzwerke (durch ein Wide Area Network). Das größte Wide Area Network ist das Internet.
Computer können Teil mehrerer verschiedener Netzwerke sein. Netzwerke können auch Teil größerer Netzwerke sein. Das lokale Netzwerk in einem Kleinunternehmen ist in der Regel an das Unternehmensnetzwerk des größeren Unternehmens angeschlossen. Diese Verbindungen können den Zugang zum Internet ermöglichen. Ein Geschäft kann sie z.B. benutzen, um über einen Webserver Waren auf seiner Website zu zeigen oder um eingegangene Bestellungen in Versandanweisungen umzuwandeln.
Ein Netzwerk muss mit entsprechender Hardware verbunden sein. Diese kann kabelgebunden oder drahtlos sein. Für ein einfaches LAN sind Computer, Medien und Peripheriegeräte ausreichend. WANs (Wide Area Networks) und einige große LANs (Local Area Networks) benötigen einige zusätzliche Geräte wie eine Brücke, ein Gateway oder einen Router, um verschiedene kleine oder große Netzwerke zu verbinden.
Ein Netzwerk benötigt ein Kommunikationsprotokoll. Microsoft Windows, Linux und die meisten anderen Betriebssysteme verwenden TCP/IP. Apple Macintosh-Computer benutzten Appletalk im 20. Jahrhundert, verwenden aber heute TCP/IP.
Typisches Bibliotheksnetzwerk, in einer verzweigten Baumstruktur und kontrollierter Zugriff auf Ressourcen
Netzwerk-Modelle
Die Netzwerkkommunikationstechnologie als ein großes Modell zu haben, wäre schwierig zu implementieren. Als Ergebnis teilen wir verschiedene Komponenten des Netzwerks in kleinere Module oder Schichten auf. Das Standardmodell eines Netzwerks ist das OSI-Modell (Open Systems Interconnection), das von der Norm der Internationalen Organisation (ISO) festgelegt wurde. Es gibt weitere Netzwerkmodelle, die jedoch alle in ähnliche Schichten aufgeteilt sind. Jede Schicht verwendet die Dienste, die die darunter liegende Schicht bereitstellt, während sie gleichzeitig Dienste für die darüber liegende Schicht bereitstellt. Jede Schicht kann nur mit der gleichen Schicht auf dem Zielgerät kommunizieren.
Beispiel für Kommunikation im Netzwerkmodell
OSI-Modell
OSI (Open Systems Interconnection) ist ein 7-Schichten-Netzwerkmodell, das durch die ISO-Norm (International Organization for Standardization) spezifiziert ist und weltweit weit verbreitet ist. Das Konzept eines Sieben-Schichten-Modells stammt aus der Arbeit von Charles Bachman, Honeywell Information Services. Verschiedene Aspekte des OSI-Designs entwickelten sich aus den Erfahrungen mit den Netzwerken ARPANET, NPLNET, EIN und CYCLADES sowie aus der Arbeit in der IFIP WG6.1.
| Dateneinheit | Schicht | Funktion |
| Daten | Bewerbung | Netzwerk-Prozess zur Bewerbung |
| Präsentation | Verschlüsselung, Entschlüsselung und Datenkonvertierung | |
| Sitzung | Verwaltung von Sitzungen zwischen Anwendungen | |
| Segmente | Verkehr | Ende-zu-Ende-Verbindung und Zuverlässigkeit |
| Pakete (Datagramme) | Netzwerk | Pfadbestimmung und logische Adressierung |
| Rahmen | Datenverbindung | Physikalische Adressierung |
| Bit | Physisch | Signal- und Binärübertragung |
Schicht 1
Die physikalische Schicht definiert elektrische und physikalische Spezifikationen für Geräte. Sie spezifiziert auch die modulierte und Basisband-Übertragung.
Basisband
Basisband sind digitale Daten in ihrer Rohform (1001 1101 1010 0011). Dies ermöglicht eine sehr schnelle und zuverlässige Übertragung über kurze Entfernungen; allerdings neigen die Medien dazu, dass sich die Bits gegenseitig stören, die Reichweite der Basisbandübertragung ist sehr begrenzt. Sie wird mit zunehmender Geschwindigkeit immer schlechter. Die Basisbandtechnologie wird häufig im LAN verwendet.
- UTP-Kabel - max. 100 m bei einer Geschwindigkeit von 100 Mbit/s ohne Repeater
- Glasfaser - max. 1 km bei einer Geschwindigkeit von 100 Mbit/s ohne Repeater
Typische Technologie: Ethernet
Modulierte Übertragung
In der Telekommunikation ist Modulation der Prozess der Übertragung eines Nachrichtensignals, zum Beispiel eines digitalen Bitstroms oder eines analogen Audiosignals, innerhalb eines anderen Signals, das physikalisch übertragen werden kann. Das Gerät, das die Modulation des Basisbandsignals ermöglicht, wird als Modulator bezeichnet, und das Gerät, das die Demodulation des modulierten Signals zurück zum Basisband ermöglicht, wird als Demodulator bezeichnet. Heute sind Modulator und Demodulator in einem Gerät integriert, das als Modem (Modulator-Demodulator) bezeichnet wird. Häufig verwendet im WAN, WLAN, WWAN.
Typische Technologie: WI-FI, ADSL, Kabel-TV-Anschluss (CATV)
Schicht 2
Die Datenverbindungsschicht stellt die funktionellen und prozeduralen Mittel zur Verfügung, um Daten zwischen Netzwerkeinheiten zu übertragen und Fehler, die in der physikalischen Schicht auftreten können, zu erkennen und möglicherweise zu korrigieren.
Schicht 3
Die Netzwerkschicht bietet die funktionellen und prozeduralen Mittel zur Übertragung von Datensequenzen variabler Länge von einem Quell-Host in einem Netzwerk zu einem Ziel-Host in einem anderen Netzwerk unter Verwendung der IP-Adresse.
IP-Adresse
Eine Internet-Protokoll-Adresse (IP-Adresse) ist ein numerisches Etikett, das jedem Gerät (z.B. Computer, Drucker) zugewiesen wird, das an einem Computernetzwerk teilnimmt, das das Internet-Protokoll zur Kommunikation verwendet. Gegenwärtig sind zwei Versionen von Protokollen in Gebrauch - IPv4 und IPv6.
- IPv4 verwendet eine 32-Bit-Adressierung, die den Adressraum auf bis zu 4294967296 (232) mögliche eindeutige Adressen begrenzt.
Beispiel: IP-192.168.0.1 Maske-255.255.255.0 bedeutet, dass die Netzwerkadresse 192.168.0.0 und die Geräteadresse 192.168.0.1 ist.
- IPv6 verwendet eine 128-Bit-Adressierung, die den Adressraum auf bis zu 2128 mögliche Adressen begrenzt. Dies wird für die absehbare Zukunft als ausreichend erachtet. Die vollständige IPv6-Unterstützung befindet sich noch in der Implementierungsphase.
Schicht 4
Die Transportschicht sorgt für eine transparente Übertragung von Daten zwischen Endbenutzern und bietet zuverlässige Datenübertragungsdienste für die oberen Schichten. Das Transmission Control Protocol (TCP) und das User Datagram Protocol (UDP) der Internet Protocol Suite werden innerhalb von OSI üblicherweise als Schicht-4-Protokolle kategorisiert.
- TCP (Transmission Control Protocol) bietet eine zuverlässige, geordnete Lieferung eines Bytestroms von einem Programm auf einem Computer zu einem anderen Programm auf einem anderen Computer. TCP wird für Anwendungen verwendet, die unbedingt eine zuverlässige Übertragung erfordern (E-Mail, WWW, Dateiübertragung (FTP), ...)
- UDP (User Datagram Protocol) verwendet ein einfaches Übertragungsmodell ohne implizite Handshaking-Dialoge, um Zuverlässigkeit, Ordnung oder Datenintegrität zu gewährleisten. UDP wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine geringere Latenzzeit gegenüber der Zuverlässigkeit erforderlich ist (Streaming-Videos, VOIP, Online-Spiele,...).
Schichten 5-7
In vereinfachten Netzwerkmodellen gemeinsam in einer Schicht vereint, besteht sein Hauptzweck darin, mit Anwendungen zu interagieren, zu verschlüsseln und bei Bedarf dedizierte Verbindungen herzustellen.
Analoge Modulation: AM - AmplitudeFM - Frequenz
Digitale Modulation: 16-QAM mit Beispielkonstellationspunkten.
Netzwerk-Begriffe
Latenzzeit
Die Latenz, fälschlicherweise als Ping bezeichnet, ist ein Wert, der misst, wie viel Zeit die Pakete benötigen, um an ihr Ziel zu gelangen. Sie wird in Milisekunden (ms) gemessen. Das Werkzeug, mit dem die Latenz gemessen wird, heißt Ping. Üblicherweise werden spezielle ICMP-Pakete verwendet, die kleiner als Standard-Datenpakete sind, so dass sie das Netzwerk nicht nach ihrer Anwesenheit gewichten.
- Die sofortige Latenz wird alle X Sekunden gemessen und sofort angezeigt. Ihr Wert ändert sich aufgrund der natürlichen Eigenschaften der paketvermittelnden Netzwerktechnologie ständig. Hohe Latenzspitzen haben negative Auswirkungen auf die meisten Netzwerkanwendungen, die sich an die durchschnittliche Latenz anpassen können, indem sie eine entsprechende Größe des Speichers als Puffer zuweisen. Hohe Latenzspitzen führen zur Leerung dieses Puffers und zum vorübergehenden Einfrieren von Anwendungen. Dieses Einfrieren wird allgemein als Lag bezeichnet.
- Die durchschnittliche Latenz ist die Summe der sofortigen Latenz, die Y-mal alle X Sekunden gemessen wird, geteilt durch Y. Die durchschnittliche Latenz wird verwendet, um die Größe des Puffers zu schätzen, hauptsächlich weil sie sich nicht so oft ändert. Der Puffer ermöglicht es einigen Anwendungen wie z.B. Streaming-Videos, auch bei hoher durchschnittlicher Latenz reibungslos zu laufen, aber er kann uns nicht vor hohen Latenzspitzen schützen.
Kapazität (Bandbreite)
Die Kapazität ist ein Maß für die Übertragungskapazität eines Netzwerks und wird in Bits pro Sekunde (bps oder b/s) gemessen, heute üblicherweise Mbps oder Mb/s. Sie zeigt uns, wie viele Dateneinheiten pro Sekunde übertragen werden. Gegenwärtig ist die durchschnittliche Bandbreite weit höher als notwendig und stellt in den meisten Fällen keinen begrenzenden Faktor dar.
- Uplink gibt an, wie viel Bandbreite für die Übertragung von Daten vom Benutzer zum Server verwendet wird (normalerweise niedriger für Endbenutzer).
- Downlink ist die Bandbreite, die für die Übertragung von Daten vom Server zum Benutzer verwendet wird (normalerweise höher für Endbenutzer).
Ausstrahlung
Broadcast ist eine spezielle Übertragung, die nicht für ein einzelnes Gerät gedacht ist, sondern an alle Geräte in einem bestimmten Netzwerk gerichtet ist. Sie wird meist dazu verwendet, IP-Adressen durch einen DHCP-Server automatisch an Geräte zu vergeben und eine ARP-Tabelle zu erstellen, die das Netzwerk abbildet und den Datenverkehr beschleunigt.
ADSL-Frequenzplan. Upstream + Downstream = Netzwerkbandbreite
Fragen und Antworten
F: Was ist ein Computernetzwerk?
A: Ein Computernetzwerk ist eine Gruppe von zwei oder mehr Computern, die miteinander verbunden sind, um Ressourcen gemeinsam zu nutzen, Dateien auszutauschen oder mit anderen Benutzern zu kommunizieren.
F: Was sind Knotenpunkte in einem Netzwerk?
A: Knoten in einem Netzwerk sind Geräte wie Computer, Drucker und andere Geräte, die Daten von einem Knoten zu einem anderen senden und empfangen können.
F: Welche zusätzlichen Geräte können für das ordnungsgemäße Funktionieren von Netzwerken erforderlich sein?
A: Damit Netzwerke richtig funktionieren, können zusätzliche Geräte wie Hubs und Switches erforderlich sein.
F: Wie können verschiedene Arten von Netzwerken miteinander verbunden werden?
A: Verschiedene Arten von Netzwerken können mit einem Router miteinander verbunden werden.
F: Sind Local Area Networks (LANs) einfacher aufzubauen als Wide Area Networks (WANs)?
A: Ja, der Aufbau eines LANs ist in der Regel einfacher als die Verbindung verschiedener Netzwerke über ein WAN.
F: Können Computer gleichzeitig Teil mehrerer verschiedener Netzwerke sein?
A: Ja, Computer können gleichzeitig Teil mehrerer verschiedener Netzwerke sein.
F: Welche Art von Kommunikationsprotokoll verwenden die meisten Betriebssysteme?
A: Die meisten Betriebssysteme verwenden TCP/IP als Kommunikationsprotokoll.
