Grundlagen der Netzwerk-Architekturen und Protokolle

Grundlagen der Netzwerk-Architektur

Die Netzwerk-Architektur wird von drei wichtigen Funktionen definiert:

• Topologie: Dies ist die Organisation Ihrer Verkabelung; sie definiert die grundlegende Konfiguration des Verbunds von Stationen.
• Netz-Zugriffsmethoden (Access-Methoden): Alle Netze haben ein gemeinsames Medium, um Informationen zu übertragen. Für Netzwerke, die kein Shared Medium haben, ist die Methode des Kabelzugangs trivial und benötigt keine spezielle Kontrolle.
• Kommunikationsprotokoll: Wie bereits erwähnt, sind dies die Regeln und Verfahren, die in einem Netzwerk zur Kommunikation benutzt werden. Diese Regeln berücksichtigen die verwendeten Methoden zur Fehlerkorrektur, Kommunikationsmittel und so weiter.

Es gibt unterschiedliche Protokolle. Die High-Level-Protokolle dienen der Kommunikation von Anwendungen (Computerprogrammen), während Low-Level-Protokolle die Signale definieren, die auf Anfrage übermittelt werden. Zwischen den Protokollen der niedrigen und hohen Ebene gibt es Protokolle für Funktionen wie Fehlerkontrolle, Übertragung und Überlastungsschutz.

Merkmale der Schichtenarchitektur (Tiered Architecture)

• Jede Schicht erfordert eine Reihe von Diensten, die durch Standard-Protokolle definiert sind.
• Jede Schicht kommuniziert nur mit der nächsthöheren und der unmittelbar darunterliegenden Ebene.
• Jede der unteren Ebenen bietet Dienste für die höhere Ebene an.

Das OSI-Referenzmodell

• Physical Layer (Bitübertragungsschicht): Beschäftigt sich mit der Übertragung von binären Zahlen durch einen Kommunikationskanal.
• Link Layer (Sicherungsschicht): Seine Hauptaufgabe besteht darin, alle Fehler, die in der Online-Kommunikation auftreten, zu erkennen und zu korrigieren. Er ist auch dafür verantwortlich, sicherzustellen, dass ein schneller Sender einen langsamen Empfänger nicht überlastet. Schließlich ist er für die gemeinsame Nutzung des Shared Mediums verantwortlich, über das Informationen zwischen den Stationen zirkulieren.
• Network Layer (Netzwerkschicht / Red Level): Beschäftigt sich mit der Bestimmung der besten Route für die zu sendenden Informationen. Diese Entscheidung basiert auf dem kürzesten Weg, der schnellsten Verbindung oder dem geringsten Verkehrsaufkommen. Zudem erfolgt hier die Kontrolle der Netzüberlastung, um die Last ausgewogen auf verschiedene Strecken zu verteilen. Auch die Anpassung von Nachrichten zwischen verschiedenen Netzen findet auf dieser Ebene statt.
• Transport Layer (Transportschicht / Level des Verkehrs): Die Hauptaufgabe besteht darin, Daten von der höheren Ebene zu übernehmen und sie an die Netzwerkschicht weiterzuleiten, wobei sichergestellt wird, dass sie korrekt am anderen Ende ankommen. Die Verbindung besteht eigentlich von Ende zu Ende, da sie nicht mit den Transportebenen der Zwischenschritte interagiert.
• Session Layer (Sitzungsschicht): Diese Ebene legt Sitzungen (Verbindungen) für die Kommunikation zwischen den zwei Enden fest, um Daten zu transportieren. Sie bietet Dienste wie die Wiederaufnahme des Gesprächs nach einem Netzwerkausfall oder einer Unterbrechung an.
• Presentation Layer (Darstellungsschicht / Grad der Präsentation): Ermöglicht die Übersetzung von Daten zwischen den einzelnen Stationen. Wenn beispielsweise ein Arbeitsplatz einen bestimmten Code verwendet und die Gegenstelle einen anderen, ist die Darstellungsschicht für die Umwandlung verantwortlich. Diese Ebene kodiert und verschlüsselt Daten auch, um sie vor Lauschangriffen zu schützen.
• Application Layer (Anwendungsschicht): Diese steht in direktem Kontakt mit den Programmen oder Anwendungen der Stationen und enthält die am häufigsten verwendeten Dienste im Netzwerk, wie den File Transfer (FTP), DNS-Dienste oder Telnet-Services.

TCP/IP-Architektur

• Subnet Layer (Netzzugangsschicht): Gibt lediglich an, dass ein Protokoll vorhanden sein muss, um die Station mit dem Netzwerk zu verbinden. Da TCP/IP für verschiedene Netzwerke entworfen wurde, ist diese Schicht von der verwendeten Technologie abhängig und nicht im Voraus festgelegt.
• Internet Layer (Vermittlungsschicht / Beigesetzt Layer): Dies ist die wichtigste Schicht der Architektur. Ihre Mission ist es, Stationen das Senden von Informationen (Paketen) an das Netzwerk zu ermöglichen, die dann selbstständig an ihren Bestimmungsort reisen. Dabei können Pakete verschiedene Netze durchlaufen. Das wichtigste Protokoll dieser Schicht ist IP (Internet Protocol).
• Transport Layer (Transportschicht): Verantwortlich für die Fehlerkontrolle und das Management.
• Application Layer (Anwendungsschicht): Enthält alle hochrangigen Protokolle, die von Programmen zur Kommunikation verwendet werden, wie Telnet, FTP, HTTP sowie E-Mail-Management-Protokolle.

Microsoft Netzwerk-Modelle

Diese wurden mit dem Ziel entworfen, die Koexistenz mit anderen Netzwerk-Architekturen wie TCP/IP oder Novell zu erlauben. Daher können im Microsoft-Netzwerkmodell verschiedene Protokolle den Informationstransport übernehmen:

• NetBIOS-Protokoll: Von IBM entwickelt, erfolgt die Identifizierung eines Computers über Namen, um Ressourcen zu teilen. Das Management erfolgt durch Diffusion.
• SMB (Server Message Block): Ein Anwendungsschicht-Protokoll, das Anfragen (wie Kopieren oder Erstellen von Dateien) in Aufrufe für NetBIOS-Dienste umwandelt.
• NetBEUI: Eine Erweiterung des NetBIOS-Protokolls, die auf der Netzwerk- und Transportebene für Windows-Workstations funktioniert.

Telefonnetze und Datenübertragung

Öffentliches Telefonnetz (PSTN)

Es ist für die Sprachübertragung durch elektrischen Strom über parallele Leitungen gedacht. Anfangs erfolgte die Vermittlung manuell durch einen Netzbetreiber. Später wurden PABX-Anlagen eingeführt, die Verbindungen anhand numerischer Adressen herstellen. Zu den Diensten gehören Echtzeit-Sprachkommunikation, Anklopfen, Konferenzschaltungen (Vortrag 3), Kurzwahl (Adverb Dialing) und Rufumleitung.

Iberpac

Iberpac ist ein Datenübertragungsnetz in Spanien, das heute vor allem noch bei Bankfilialen und Geldautomaten genutzt wird. Obwohl es für heutige Anforderungen eher langsam ist, wird es aufgrund seiner Sicherheit und Zuverlässigkeit weiterhin eingesetzt. Es basiert auf der X.25-Protokoll-Suite (Physische Ebene, Link-Ebene, Netzwerk-Ebene). X.25 ist sehr zuverlässig durch umfassende Fehlerbehandlung, was die Übertragung jedoch durch redundante Kontrollinformationen verlangsamt. Zukünftig wird ein Ersatz durch Frame Relay erwartet, das effizienter ist, da es weniger Fehlerbehandlung in modernen, stabilen Netzen durchführt.

ISDN (Integrated Services Digital Network)

Der ISDN-Standard entstand 1984 und bietet Dienste wie Sprach-, Daten-, Bild- und Echtzeit-Tonübertragung. Das ISDN-Netz nutzt ein eigenes Kabelnetz und kann nicht auf Standard-Telefonnetzen arbeiten. Nutzer benötigen spezielle Adapter für Telefone oder Computer. ISDN nutzt verschiedene unabhängige logische Kanäle (Multiplexing), um unterschiedliche Informationen parallel zu übertragen. Die Übertragung ist digital mit Kapazitäten zwischen 64 kbit/s und 128 kbit/s. Teilnehmeradressen sind 15-stellige Dezimalzahlen.

Das Internet

Das Internet ist ein weltweites Netzwerk aus vielen kleinen Netzen und einzelnen Computern. Es lässt sich in drei Klassen unterteilen:

• Transit- oder internationale Transportnetzwerke: Sorgen für die Vernetzung zwischen Provider-Netzwerken.
• Regionale Netzwerke und Connectivity-Anbieter: Gewährleisten die Verbindung zwischen Endkunden und Transit-Netzwerken.
• End-User-Netzwerke (LAN): Einfache Verbindungen von privaten Computern oder Firmennetzen.

DSL-Technologien

DSL basiert auf der Idee, das herkömmliche Telefonnetz (PSTN) für Hochgeschwindigkeitsübertragungen zu nutzen. Eine Variante ist ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), bei der die Übertragungsgeschwindigkeiten asymmetrisch sind. Die Lösung für die Nutzung qualitativ niedriger Telefonleitungen besteht in elektronischen Schaltungen, die Störungen eliminieren. ADSL wird heute von vielen Unternehmen und Privatanfängern als schneller Internetzugang genutzt.

Virtual Private Networks (VPN)

Ein VPN verbindet mehrere Netzwerke über ein Wide Area Network (WAN) wie das Internet. Dies reduziert Kosten, da keine eigenen WAN-Leitungen installiert werden müssen. Ein VPN bietet Sicherheitsmechanismen und Schutz vor unbefugtem Zugriff. Der Name kommt von der Virtualität der Kommunikation: Es gibt keine direkte physische Verbindung, aber für den Nutzer fühlt es sich wie ein einziges, geschlossenes Netzwerk an, in dem Dateien und Ordner geteilt werden können.

FDDI und Token Ring

• FDDI (Fiber Distributed Data Interface): Wurde für Hochgeschwindigkeitsnetze mit hoher Kapazität und Zuverlässigkeit konzipiert. Es überträgt zwischen 50 und 100 Mbit/s und erlaubt den Anschluss von bis zu 1000 Stationen. Die logische Topologie ist ein Doppel-Ring. Bei einem Kabelbruch vereinen sich die Ringe zu einem einzigen Ring doppelter Länge, sodass das Netzwerk weiter betrieben werden kann.
• Token Ring: Eine Methode zur Anbindung lokaler Netzwerke, die zunehmend von Ethernet verdrängt wird. Die physische Topologie ist ein Stern, intern funktioniert es jedoch wie ein Ring. Es nutzt Twisted-Pair-, Glasfaser- oder Koaxialkabel mit Geschwindigkeiten zwischen 4 und 16 Mbit/s.