Grundlagen der Computernetzwerke: Typen, Topologien und Funktionen

Wide Area Networks (WAN)

WANs sind Netzwerke, die ein großes geografisches Gebiet abdecken. Ihre Verbindungen kreuzen sich und erfordern oft die Nutzung öffentlicher Telekommunikationsdienste, die von spezialisierten Unternehmen bereitgestellt werden.

ISDN und Breitband-ISDN

ISDN wurde entwickelt, um bestehende öffentliche Telekommunikationsnetze zu modernisieren und eine Vielzahl von Diensten über eine einzige Leitung anzubieten.

Local Area Networks (LAN)

Ein LAN ist ein Netzwerk, das eine Verbindung zwischen mehreren Geräten herstellt und ein Medium zur Datenübertragung zwischen ihnen bereitstellt. Es gibt wesentliche Unterschiede zwischen LAN und WAN:

• Die Reichweite eines LANs ist sehr begrenzt; es kann ein einzelnes Gebäude oder höchstens eine Gruppe benachbarter Gebäude umfassen.
• Typischerweise gehört das LAN der Institution, die auch die daran angeschlossenen Geräte besitzt. Im Gegensatz dazu sind im WAN die Netzwerkressourcen oft nicht im Besitz der nutzenden Institution, oder zumindest ein erheblicher Teil davon gehört externen Anbietern.

LAN-Technologien

Klassifikation nach Größe

• PAN-Netzwerke (Personal Area Network) sind sehr kleine Netzwerke, die beispielsweise in einem Café zu finden sind und aus nicht mehr als 8 Geräten bestehen können, oft für den Internetzugang genutzt werden.
• CAN-Netzwerke (Campus Area Network) sind eine Sammlung geografisch verteilter LANs innerhalb eines Campus (Universität, Regierungsbüros oder Industrieanlagen), die sich am selben Standort in einem abgegrenzten Gebiet von mehreren Kilometern befinden. CANs nutzen häufig Hochgeschwindigkeits-Technologien wie FDDI und Gigabit-Ethernet für die Konnektivität, oft über Kommunikationsmedien wie Glasfaser und Spread-Spectrum.
• LAN-Netzwerke (Local Area Network) sind die Netzwerke, die wir alle kennen, d.h. jene, die in Unternehmen eingesetzt werden. Es sind kleine Netzwerke im Sinne eines kleinen Büros in einem Gebäude. Aufgrund ihrer geringen Größe sind diese Netzwerke sehr schnell, und jede Station kann mit allen anderen kommunizieren. Sie sind in ihrer Größe begrenzt, was bedeutet, dass die Übertragungszeit selbst in den ungünstigsten Fällen bekannt ist. Dies vereinfacht die Netzwerkverwaltung. Oft nutzen sie eine Diffusionstechnologie über ein einziges Kabel (UTP oder Koaxialkabel), an das alle Geräte angeschlossen sind. Sie arbeiten bei Geschwindigkeiten zwischen 10 und 100 Mbps.

Dominante Eigenschaften von LANs

• Die Kanäle sind für bestimmte Benutzer oder Unternehmen reserviert.
• Die Verbindungen sind Hochgeschwindigkeitsleitungen.
• Die Endgeräte liegen nah beieinander.
• Erhöhung der Effizienz und Produktivität von Büroangestellten durch den Informationsaustausch.
• Fehlerraten sind niedriger als in WAN-Netzwerken.
• Die Architektur ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Ressourcen.

Oft nutzen LANs eine Übertragungstechnik, bei der alle Computer über ein einziges Kabel verbunden sind. Es gibt verschiedene Topologien, die für die Kommunikation in LANs möglich sind.

• WAN (Wide Area Network) sind Punkt-zu-Punkt-Netzwerke, die Länder und Kontinente verbinden. Obwohl die Übertragungsgeschwindigkeiten über große Entfernungen niedriger sind als in LANs, sind sie in der Lage, eine größere Datenmenge zu transportieren. Ihr Bereich umfasst ein großes geografisches Gebiet, zum Beispiel eine Stadt oder einen Kontinent. Es besteht aus einer Vielzahl miteinander verbundener Computer (Hosts genannt), die über ein Kommunikations-Subnetz oder kleinere Subnetze verbunden sind, um Anwendungen, Programme usw. auszuführen.

Ein Wide Area Network (WAN) ist ein System zur Verbindung geografisch verteilter Computer, auch über verschiedene Kontinente hinweg. Die Leitungen für diese Zusammenschaltung sind oft Teil öffentlicher Datenübertragungsnetze.

Häufig sind LANs mit WANs verbunden, um einen besseren Zugang zu Diensten wie dem Internet zu ermöglichen. WAN-Netzwerke sind wesentlich komplexer, da sie die Informationen aus den verbundenen Netzwerken korrekt routen müssen.

Ein Subnetz besteht aus zwei Komponenten:

Leitungen: Dies sind die physischen Verbindungen, die für die Übertragung der Bits zwischen den Geräten verantwortlich sind.

Schaltelemente (Router): Dies sind spezialisierte Computer, die verwendet werden, um zwei oder mehr Übertragungsnetze zu verbinden. Damit ein Paket von einem Router zu einem anderen gelangt, muss es meist über zwischengeschaltete Router geleitet werden. Jeder Router empfängt das Paket am Eingang, speichert es und sendet es weiter, sobald die Ausgangsleitung frei ist.

Internetworks: Es ist eine Sammlung miteinander verbundener Netzwerke, von denen jedes über unterschiedliche Hardware und Software verfügen kann. Eine typische Form von Internetworks ist eine Gruppe von LANs, die über WANs verbunden sind. Ein Internetwork entsteht, wenn Hosts und Subnetze miteinander verbunden werden.

Die Gesamtheit der globalen Netzwerke ist das, was wir als Internet kennen.

• MAN-Netzwerke (Metropolitan Area Network) bestehen aus einem geografischen Bereich mit einer Reichweite von mehr als 4 km. Es sind Netzwerke mit zwei unidirektionalen Bussen, wobei jeder Bus unabhängig vom anderen in Bezug auf die Datenübertragung ist. Es ist im Grunde eine erweiterte LAN-Version und nutzt eine ähnliche Technologie. Sie können eine Gruppe von Büros desselben Unternehmens oder eine ganze Stadt abdecken und können öffentlich oder privat sein. Der Mechanismus zur Konfliktlösung bei der Datenübertragung in MANs ist DQDB.

DQDB besteht aus zwei unidirektionalen Bussen, an die alle Stationen angeschlossen sind. Jeder Bus hat einen Kopf und ein Ende. Wenn ein Computer Daten an einen anderen übertragen möchte, nutzt er den oberen Bus, wenn der Empfänger links liegt, andernfalls den unteren Bus.

• Peer-to-Peer-Netzwerke: In einem Peer-to-Peer-Netzwerk kann jeder Computer sowohl als Client als auch als Server fungieren. Peer-to-Peer-Netzwerke sind einfach einzurichten und eignen sich gut für die gemeinsame Nutzung von Daten und Hardware in kleinen Gruppen. In einer Peer-to-Peer-Umgebung ist die Sicherheit schwierig zu gewährleisten, da die Verwaltung nicht zentralisiert ist.
• Server-basierte Netzwerke: Server-basierte Netzwerke eignen sich besser für die gemeinsame Nutzung einer Vielzahl von Ressourcen und Daten. Ein Administrator überwacht den Betrieb des Netzwerks und sorgt dafür, dass die Sicherheit gewährleistet ist. Diese Art von Netzwerk kann einen oder mehrere Server umfassen, abhängig vom Datenverkehr, der Anzahl der Peripheriegeräte und weiteren Faktoren. Zum Beispiel kann es einen Druckserver, einen Kommunikationsserver oder einen Datenbankserver geben, die alle im selben Netzwerk betrieben werden.

Klassifizierung nach logischer Verteilung

Alle Computer verfügen über eine Client-Seite und eine Server-Seite. Eine Maschine kann ein Server für einen bestimmten Dienst sein, aber gleichzeitig ein Client für einen anderen Dienst.

• Server: Eine Maschine, die Informationen oder Dienste für andere Netzwerkteilnehmer bereitstellt. Die Art der bereitgestellten Informationen oder Dienste bestimmt den Servertyp, z.B. Druckserver, Dateiserver, Webserver, Mailserver, Benutzerverwaltungsserver, IRC-Server (Internet Relay Chat), Datenbankserver...
• Client: Eine Maschine, die auf Informationen auf Servern zugreift oder deren Dienste nutzt. Beispiele: Jedes Mal, wenn wir eine Webseite anzeigen (die sich auf einem Remote-Server befindet), verhalten wir uns als Client. Wir sind auch Service-Clients, wenn wir von einem Remote-Computer über das Netzwerk drucken (der Server, an den der Drucker angeschlossen ist).

Alle diese Netzwerke müssen die folgenden Eigenschaften aufweisen:

• Zuverlässiger Datentransport.
• Geräteunabhängigkeit.
• Hohe Informationsverarbeitungskapazität.

Je nach Bedarf des Benutzers gibt es verschiedene Verwendungszwecke:

• Unternehmen: Datenzentralisierung.
• Ressourcenfreigabe (Peripheriegeräte, Dateien).
• Zuverlässiger Datentransport.
• Erhöhung der Informationsverfügbarkeit.
• Kommunikation zwischen Mitgliedern desselben Bereichs/Teams.
• Kosteneinsparungen.
• Online-Banking.
• Unterstützung für Anwendungen wie Video-on-Demand, Online-TV, interaktive Spiele.

Netzwerktopologien

• Bus-Topologie: Diese Topologie ermöglicht allen Stationen, die übermittelten Informationen zu empfangen. Eine Station sendet, und alle anderen hören zu.

Vorteile: Benötigt weniger Kabel als andere Topologien. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Fehler an einer einzelnen Station den Rest des Netzwerks nicht lahmlegt.

Nachteile: Es gibt einen einzigen Kommunikationskanal für alle Stationen. Fällt eine Station oder der Kanal selbst aus, sind andere isoliert. Einige Hersteller lösen dieses Problem durch einen parallelen Ersatzbus im Falle eines Ausfalls oder durch Algorithmen zur Isolierung defekter Komponenten.

Es gibt zwei Mechanismen zur Konfliktlösung bei der Datenübertragung:

CSMA/CD: Dies sind Netzwerke mit Kollisionen. Alle Stationen werden als gleichberechtigt betrachtet und konkurrieren um die Nutzung des Kanals. Wenn eine Station senden möchte, hört sie zuerst auf den Kanal. Ist der Kanal belegt, wartet sie. Ist er frei, beginnt sie mit der Übertragung und überwacht gleichzeitig auf Kollisionen. Tritt eine Kollision auf, stoppt die Station die Übertragung, wartet eine zufällige Zeitspanne und versucht es erneut.

Token Bus: Es wird ein Token (ein spezieller Datenrahmen) verwendet, das zyklisch von Station zu Station weitergegeben wird und so einen logischen Ring bildet. Wenn eine Station das Token besitzt, hat sie das exklusive Recht, Daten über den Bus zu senden oder zu empfangen, für einen bestimmten Zeitraum. Danach gibt sie das Token an die nächste im Ring definierte Station weiter. Die anderen Stationen können ohne das Token nicht senden; sie können nur zuhören und auf ihre Chance warten. Dies löst das Problem der Kollisionen, das der zuvor genannte Mechanismus (CSMA/CD) aufweist.

• Stern-Topologie: Das Netzwerk verbindet alle Stationen mit einem zentralen Punkt, typischerweise einem Hub oder Switch.

• Bus-Stern-Topologie: Diese Topologie wird verwendet, um die Netzwerkverwaltung zu erleichtern. In diesem Fall ist das Netzwerk logisch ein Bus, der physisch jedoch sternförmig über Hubs verkabelt ist.

• Hierarchische Stern-Topologie: Diese Verkabelungsstruktur verwendet eine Kaskadierung von Hubs, die in den meisten bestehenden lokalen Netzwerken eine hierarchische Anordnung bilden.

• Ring-Topologie: Die Stationen sind in einem Kreis durch eine gemeinsame Leitung miteinander verbunden. Die Signale bewegen sich in einer Richtung um den Kreis und werden an jedem Knoten regeneriert.

Vorteile: Engpässe sind sehr selten.

Nachteile: Es gibt einen einzigen Kommunikationskanal für alle Stationen. Fällt eine Station oder der Kanal selbst aus, sind andere isoliert. Einige Hersteller lösen dieses Problem durch einen alternativen Kanal im Fehlerfall, sodass das Netzwerk aktiv bleibt, oder durch Algorithmen zur Isolierung defekter Komponenten. Die Verwaltung ist sehr komplex, da eine zentrale Stelle für die Token-Verwaltung definiert werden muss.

Es gibt einen Mechanismus zur Konfliktlösung bei der Datenübertragung:

Token Ring: Jede Station ist über eine Interface-Einheit (RIU) mit dem Ring verbunden. Die RIU ist dafür verantwortlich, die Daten zu überwachen, die Übertragung zu regenerieren und an die nächste Station weiterzuleiten. Wenn die Adresse in einem bestimmten Header anzeigt, dass die Datenübertragung für eine bestimmte Station bestimmt ist, nimmt die Interface-Einheit die Informationen entgegen und leitet sie an den angeschlossenen Arbeitsplatz weiter.

Es wird in lokalen Netzwerken verwendet, wobei das Token zyklisch von Station zu Station weitergegeben wird, zunächst im Leerlaufzustand. Jede Station, die das Token erhält (und somit den Ring steuert), ändert dessen Zustand auf 'belegt', wenn sie Daten senden möchte. Sie fügt die Daten hinzu und sendet das Token mit den Daten in den Ring. Andernfalls gibt sie das Token im Leerlaufzustand an die nächste Station weiter. Wenn das Token mit den gesendeten Daten zur Ursprungsstation zurückkehrt, setzt diese das Token auf 'leer' und gibt es wieder in den Ring.