Rechnernetzwerk

Ein Rechnernetz ist ein Zusammenschluss von verschiedenen technischen, primär selbständigen elektronischen Systemen (insbesondere Computern, aber auch Sensoren, Aktoren, funktechnologischen Komponenten usw.), der die Kommunikation der einzelnen Systeme untereinander ermöglicht.

Die Kommunikation erfolgt über verschiedene Protokolle, die mittels des ISO/OSI-Modells strukturiert werden können. Obwohl in der Praxis kein Rechnernetz das ISO/OSI-Modell vollständig abbildet, ist es von entscheidender Bedeutung für das Verständnis von Rechnernetzen, da hierbei aus kleinen grundlegenden Strukturen durch Verknüpfung größere und komplexere Strukturen gebildet werden. Dabei greifen höhere (komplexere) Protokollschichten auf die Funktionalitäten von einfacheren darunter liegenden Protokollschichten zu.

Ein wichtiges Prinzip dabei ist, dass man den meisten Protokollschichten jeweils (Nutz-) Daten (Payload) zum Transport übergeben kann. Die Protokollschicht fügt zu diesen Nutzdaten (deren Inhalt sie weitgehend ignoriert) vorne und teilweise hinten weitere Daten an, die für die Abwicklung des Transportes durch die Protokollschicht wichtig sind. Jedoch gibt es auch hiervon Ausnahmen, da einige Protokolle nicht dazu gedacht sind, fremde Nutzdaten zu transportieren, sondern ausschließlich als eigenständige Informationssysteme für bestimmte Aufgaben fungieren.

Die allgemein bekannteste Netzstruktur ist das Internet und die bekanntesten Protokolle sind das TCP (Transmission Control Protocol) und das IP (Internet Protocol), jedoch spielen auch im Internet eine Reihe weiterer Protokolle wichtige Rollen und das Internet selbst ist kein homogenes Netz, sondern besteht aus einer Vielzahl teils recht unterschiedlich konzipierter Teilnetze, die nur die oberen Protokollschichten gemeinsam haben und die Nutzdatenübertragung auf den unteren Protokollschichten teilweise sehr unterschiedlich handhaben.

Rechnernetze können unter anderem anhand der folgenden Kriterien klassifiziert werden:

• organisatorische Abdeckung,
• Übertragungsweg bzw. Übertragungstechnologie.

Topologien

Diagramm: Netz-Topologie

Unter der Topologie versteht man die Art, wie die verschiedenen beteiligten Komponenten (also zumeist Rechner) im Netz durch physische oder logische Leitungswege verbunden sind. Um mehrere Rechner in einem Rechnernetz einzubinden, benötigt man eine gute Planung, welche durch die Einteilung der Topologie vereinfacht wird. So bilden sich Rechnernetze, in denen es Verbindungen und Knoten gibt, über die man ggf. über mehrere Zwischenpunkte von jedem Bereich des Netzes zu jedem anderen Bereich des Netzes kommen kann.

Es gibt eine Reihe von Grundstereotypen, die so in dieser klaren Form jedoch selten in der Praxis auftreten. Bei der Stern-Topologie gibt es einen zentralen Verteilpunkt, der ggf. alles kontrollieren kann, aber ohne den nichts funktioniert. Diese Topologie wird eigentlich nur in Kleinstnetzen (häufig bei LAN-Partys) verwendet. Eine Verbindung mehrerer Sterntopologien an ihren Konzentrationspunkten wird auch als Erweiterte Sterntopologie bezeichnet. Bei der Baum-Topologie benutzt man einen ähnlichen Ansatz, den man jedoch hierarchisch staffelt. Der "oberste" Rechner hat die Kontrolle über alle anderen, die Macht schrumpft, je weiter man unten im Baum sitzt. In der Ring-Topologie hat jeder Rechner eine Position in einem Ring und ist nur mit seinen Nachbarn verbunden. Das hat zur Folge, dass der Ausfall eines Rechners das Rechnernetz lahm legt. Bei der Bus-Topologie greifen alle beteiligten Rechner auf ein gemeinsam und von allen genutztes Medium zu, wodurch es zu Kollisionen darauf kommen kann. Das vermaschte Netz ist eine Form, in der jeder Rechner mit mehreren Nachbarn verbunden ist und in dem redundante Wege existieren, so dass selbst beim Ausfall einer Leitung das Netz noch über eine andere Leitung verbunden bleibt. Die Zell-Topologie spielt bei Funknetzen mit ihren speziellen Zugriffseigenschaften eine besondere Rolle.

In der Praxis treten fast immer Mischformen dieser Stereotype auf und es gibt noch eine Reihe von Bezeichnungen für bestimmte Spezialformen. Als Smart Network oder Smart Grid wird beispielsweise die spontane, selbstorganisierte Vernetzung beliebiger Geräte bezeichnet.

Details hierzu siehe unter Topologie (Rechnernetz).

Organisatorische Abdeckung (Netzwerkarchitektur)

Dieses Kriterium wird oft benutzt, da es weniger kompliziert erscheint als andere Eigenschaften von Netzen. In der Praxis hat diese Unterscheidung aber nur begrenzte Bedeutung.

Lokale Netze

• Body Area Network (BAN)
• Personal Area Network (PAN)
• Wireless Personal Area Network (WPAN) als Begriff
• Local Area Network (LAN)
• Wireless LAN (WLAN) als Begriff

Nicht-lokale Netze

• Metropolitan Area Network (MAN)
• Wide Area Network (WAN)
• Global Area Network (GAN)
• Virtual Private Network (VPN)
• Storage Area Network (SAN)

Übertragungsweg

Leitungsgebundene Netze

Ethernet

Die am weitesten verbreitete Technik bei leitungsgebundenen Netzen ist das Ethernet, das vor allem in lokalen Firmennetzen und Heimnetzen Verwendung findet. Es wird heute mit Kupferkabeln in den Ausprägungen 10Base-T, 100Base-TX und 1000Base-T erstellt und verwendet. Dabei bezeichnet die Zahl jeweils die theoretische maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 10, 100 oder 1000 Mbit pro Sekunde. Das T sagt aus, dass es sich um ein gedrilltes Kupferkabel handelt (Twisted Pair). Je nach Geschwindigkeit ist ein Kabel der entsprechenden Qualität nötig, die CAT[Nummer] genannt wird. Für 100 Mbit ist dies z. B. CAT5, bei 1000 Mbit ist CAT5e, CAT5+ oder CAT6 zu verwenden. Es gibt ebenfalls unterschiedliche Standards, um Ethernet über Glasfaserverbindungen zu realisieren, z.B. 10Base-FL, 100Base-FX, 1000Base-X und verschiedene 10-Gigabit-Standards beginnend mit 10GBase.

Das Zugriffsverfahren bei Ethernet ist CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection), wobei jeder Rechner erst überprüft, ob die Leitung (Carrier) frei ist und, wenn dies der Fall ist, sendet. Es kann sein, dass ein weiterer Rechner dasselbe tut und es zur Kollision kommt. Sobald diese Kollision erkannt wird (Collision Detection), brechen beide Rechner das Senden ab und beide probieren es zu einem zufälligen Zeitpunkt später erneut. Die Adressierung erfolgt mittels der MAC-Adresse.

Token Ring

Einen anderen Weg der Zugriffskontrolle ging das Token-Ring-Netz, das 2005 vor allem für Netze mit speziellen Qualitätsanforderungen benutzt wird. Der Vorteil von Token-Ring-Netzen ist, dass jeder Rechner nach spätestens einer bestimmten Zeit etwas senden kann. Dazu wird ein sogenanntes Token (zu deutsch Pfandmünze) in Form eines kleinen Informationspaketes herumgereicht. Wer das Token hat, darf eine Weile Nutzdaten senden, hört dann wieder auf und gibt das Token weiter. Die Reihenfolge, in der es weitergegeben wird, ist genau festgelegt und ringförmig, wodurch man das Token immer wieder bekommt. Token-Ring-Netze sind oft so aufgebaut, dass jeder Rechner jeweils mit seinen zwei Nachbarn im Ring direkt verbunden ist und diesen entweder das Token weiterreicht oder eine Information übergibt. Es gibt auch eine Variante, die sich Token Ring over Ethernet nennt. Dabei hängen alle Rechner in einem gemeinsam genutzten Ethernet zusammen, aber geben sich dort jeweils ein Token reihum weiter (Token-Passing, wodurch Kollisionen vermieden werden und die Leitung besser genutzt wird. Das komplizierte an diesem virtuellen Ring ist, dass erst einmal geklärt werden muss, welche Rechner existieren und welche Reihenfolge sie im virtuellen Ring einnehmen. Zudem muss man erkennen, wenn neue Rechner hinzukommen oder bestehende im Ring verschwinden.

Wichtig sind die Eigenschaften von Token-Ring-Netzen in sicherheitskritischen Netzen, in denen es wichtig ist, präzise zu wissen wie lange es maximal dauert, bis eine Nachricht gesendet werden kann. Dies lässt sich leicht anhand der Anzahl der Rechner, also an der Länge des Rings ermitteln. Solche Netze werden zum Beispiel in der Automobiltechnik und Finanzbranche für kritische Systeme eingesetzt.

Funknetze

Verbreitete Techniken bei Funknetzen sind:

Infrastruktur-Netze

• Mobilfunknetze wie GSM oder UMTS
• WLANs im Infrastruktur-Modus, das heißt mit Schnittstelle zu einem leitungsgebundenen Netz mittels Basisstation. Am weitesten verbreitet sind WLANs vom Typ IEEE 802.11

Ad-hoc-Netze (MANET)

Vgl. Ad-hoc-Netz

• WLANs vom Typ IEEE 802.11 im Ad-hoc-Modus. In diesem Modus kommunizieren die Geräte des Netzes ohne zusätzliche Infrastruktur.
• die mit sehr geringer Reichweite Geräte in unmittelbarer Umgebung verbinden, sog. Wireless Personal Area Networks (WPAN)
• Bluetooth
• Netzstrukturen für Sensornetze, aktuelles Forschungsgebiet

Physikalische Komponenten

Zur physischen und logischen Umsetzung der Vernetzung sind neben passiven Komponenten (Antennen, Kabel, Glasfasern, Steckverbinder, Anschlussdosen) in der Regel auch aktive Komponenten erforderlich, um die Funktionalität zu gewährleisten. Beispiele sind Gateway, Router, Switch, Accesspoint, früher auch Hub, Repeater und Bridge. Solche Komponenten können in manchen Fällen auch als virtuelle (Software-) und nicht als physikalische Hardwarelösung realisiert sein.

Sprachliche Betrachtung von Netz und Netzwerk

In der englischen Sprache wird der Begriff net traditionell in der Fischerei verwendet. Außerhalb dieses Bereichs spricht man hingegen von network. In der deutschen Sprache steht Netzwerk traditionell nur für das Maschenwerk eines Fischernetzes. Außerhalb der Fischerei wird in den meisten Fällen Netz (Stromnetz, nicht -werk; Telefonnetz) verwendet, eine Ausnahme macht die Verwendung des Begriff als 'soziales Netzwerk' ^[1]. Dieser Argumentation folgend wäre Computernetzwerk eine falsche Übersetzung aus dem Englischen und Rechnernetz bzw. Computernetz der korrekte Begriff. Im Allgemeinen wird Sprache durch den Sprachgebrauch bestimmt, weshalb man annehmen kann, dass 'Netzwerk' ein zwar historisch nicht korrekter, aber dennoch richtiger Begriff ist. Vermutungen gehen dahin, dass der Sprachgebrauch und das Wort Computernetzwerk durch nicht fachgerechte Übersetzungen von Literatur, wie z.B. Andrew S. Tanenbaum: Computernetzwerke, entstanden ist. Daher ist der Begriff Netzwerk in nahezu allen akademischen und nicht-akademischen Zusammenhängen gebräuchlich.

Keineswegs können Netz und Netzwerk heute uneingeschränkt als Synonyme betrachtet werden: Man kennt die Wörter „Netzwerkkarte“ und „Netzteil“ – unsinnig wären hingegen „Netzwerkteil“ und „Netzkarte“. Hierzu unterschiedlich verhält es sich mit dem Netzkabel (Stromversorgung) und dem Netzwerkkabel (LAN) – hier gibt es beide Formen, jedoch mit unterschiedlicher Bedeutung: „Netz“ steht eher für das Strom(versorgungs)netz und „Netzwerk“ für die digitale Datenvernetzung. Auch bei Mauer und Mauerwerk gibt es beide Formen, jedoch mit leicht unterschiedlicher Bedeutung. Mauer steht für das Gesamtbauwerk – Mauerwerk hingegen bezieht sich auf die Einzelkomponenten wie Fugen, Mörtel und Steine.

Die DIN ISO 2382-1 bis -25 „Begriffe der Informationstechnik“ definieren nur den Begriff Netz, nicht Netzwerk. Da diese Normen jedoch aus den Jahren 1976 bis 2000 stammen, kann ihre heutige Anwendbarkeit bezweifelt werden.^[2]

Literatur

• Douglas Comer: Computernetzwerke und Internets. 3. Auflage, Pearson Studium, München 2002, ISBN 3-8273-7023-X
• Andrew S. Tanenbaum: Computernetzwerke. 4. Auflage, Pearson Studium, München 2003, ISBN 3-8273-7046-9
• Markus Kammermann: Comptia Network+. 1. Auflage, mitp April 2008, ISBN 3-8266-5922-8
• Jürgen Scherff: Grundkurs Computernetze. Vieweg, Wiesbaden 2006, ISBN 3-528-05902-8
• Erich Stein: Taschenbuch Rechnernetze und Internet. 3. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig 2008, ISBN 978-3-446-40976-7
• Martin Ziegler: Internetbasierende Datennetzwerke. Schlembach, Weil der Stadt 2002, ISBN 3-935340-20-6

Siehe auch

• Internetworking
• Netzwerksicherheit
• Feldbus (Rechnernetze für die Automatisierungstechnik)

Weblinks

Quellen

1. ↑ Definition 'Soziales Netzwerk, Uni Hamburg
2. ↑ Suche nach ISO-Normen auf beuth.de