Übertragungsmedien & Computernetzwerke: Grundlagen & Topologien

1. Übertragungsmedien

1.1. Elektrische Leitungen

Sie vermitteln Informationen in Form von elektrischen Signalen und bestehen aus Metallkabeln (Kupfer oder Aluminium). Es gibt zwei Haupttypen:

Twisted Pair (Verdrillte Paare)

• Bestehen aus Paaren verdrillter und isolierter Kupferdrähte.
• Die Verdrillung dient dazu, Interferenzen zwischen den Paaren zu beseitigen.
• Wird verwendet, um Computer in einem lokalen Ethernet-Netzwerk zu verbinden.
• Die Anschlüsse, die an beiden Enden des Kabels in lokalen Netzen platziert werden, sind RJ-45.

Koaxialkabel

• Besteht aus einem zentralen elektrischen Leiter, der von einer Isolierung, einem leitenden Metallgeflecht und einer schützenden Außenisolierung umgeben ist.
• Wird verwendet, um Antennen mit Fernsehern zu verbinden, in Telefonnetzen über große Entfernungen und in Ethernet-LANs.
• Die verwendeten Anschlüsse sind BNC.

1.2. Lichtwellenleiter (Optische Faser)

Der Faden führt Lichtimpulse. Das elektrische Signal, das übertragen werden soll, wird zuvor mithilfe einer Leuchtdiode (LED) oder einer Injektionslaserdiode (LD) in ein Lichtsignal umgewandelt. Am Zielort wird das Lichtsignal mithilfe von Transistoren oder Fotodioden wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt.

• Aufbau: Besteht aus einem Glasfaserkern, der mit einem transparenten Kunststoffmantel umgeben ist. Die äußere Schicht besteht meist aus schwarzem Kunststoff.
• Vorteile: Ermöglicht Datenübertragungen über weite Entfernungen mit höherer Geschwindigkeit und Kapazität.
• Nachteil: Ist teurer in der Anschaffung und Installation.
• Anschlüsse: Die gängigsten Anschlüsse sind ST und SC.

1.3. Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen sind mechanische Störungen, die sich ohne ein physisches Medium ausbreiten können. Sie werden durch den Raum und das Vakuum übertragen. Verwendet werden:

1.3.1. Funkwellen (Radio und Fernsehen)

Die modulierende Welle enthält die Daten, die transportiert werden sollen. Sie wird mit einem anderen Hochfrequenzsignal, der Trägerwelle, kombiniert.

• Amplitudenmodulation (AM): Basiert auf der Variation der Amplitude der Welle in Abhängigkeit von der modulierenden Amplitude. Die Frequenz der resultierenden AM-Welle ist konstant, die Information liegt in ihrer Amplitude.
• Frequenzmodulation (FM): Basiert auf der Änderung der Frequenz der Trägerwelle in Abhängigkeit von der modulierenden Amplitude. Die Amplitude der resultierenden FM-Welle ist konstant, die Information liegt in ihrer Frequenz.

Komponenten eines Funksystems

1. Mikrofon: Übersetzt die Stimme in elektrische Signale.
2. Sendeantenne: Wandelt das modulierte elektrische Signal in elektromagnetische Wellen um und strahlt diese aus.
3. Relaisstationen (Repeater): Werden zwischen Sende- und Empfangsantenne platziert, wenn die Entfernung groß ist und das Signal zu schwach wird, um sein Ziel zu erreichen.
4. Empfangsantenne: Ist Teil des Radioempfängers und wandelt die empfangenen Funkwellen in elektrische Signale um.
5. Radioempfänger: Demoduliert und verstärkt das von der Empfangsantenne stammende elektrische Signal. Der Lautsprecher im Radioempfänger wandelt das resultierende elektrische Signal in Schall um.

1.3.2. Mikrowellen: Terrestrische Kommunikation

Elektromagnetische Wellen, deren Frequenz zwischen Infrarotstrahlen und konventionellen Funkwellen liegt. Sie breiten sich nur in einer Richtung aus. Zum Senden und Empfangen werden Parabolantennen verwendet. Bei terrestrischen Übertragungen ist die Empfangsantenne auf die sendende Antennenstation ausgerichtet, um das Signal zu empfangen.

1.3.3. Mikrowellen: Satellitenkommunikation

Telekommunikationssatelliten nutzen Mikrowellen als Medium, um verschiedene Dienste anzubieten:

• Satelliten-Netzwerk: Eine Gruppe künstlicher Satelliten, die die Erde umkreisen. Sie empfangen Daten von einer Bodenstation und senden sie an dieselbe oder eine andere Bodenstation zurück.
• Kontrollzentrum: Überwacht die Umlaufbahn, Funktion usw. der Satelliten.
• Bodenstationen (Sende- und Empfangsstationen): Empfangen und senden Daten über Antennen an die Satelliten.

Satelliten-Umlaufbahnen

• Geostationäre Satelliten (GEO): Höhe ca. 35.786 km. Kreisbahn. Sie drehen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde. Das Signal vom Satelliten zurück zur Erde hat eine Verzögerung von ca. 0,24 Sekunden. Genutzt für Fernerkundung, Wetter, TV und Telefonie.
• Satelliten in stark elliptischer Umlaufbahn (HEO): Höhe zwischen 500 km und 40.000 km. Genutzt für Kartografie.
• Satelliten in mittlerer Erdumlaufbahn (MEO): Höhe 9.000 bis 14.500 km. Es werden 10 bis 15 Satelliten benötigt, um die gesamte Erde abzudecken. Die Signalverzögerung ist geringer. Genutzt für Mobilfunktechnik.
• Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn (LEO): Höhe 725 bis 1.450 km. Es werden mehr als 40 Satelliten benötigt. Es sind keine Verzögerungen spürbar. Genutzt für Personenortung, Mobiltelefonie und geologische Datenerfassung.

1.3.4. Infrarot

Hochfrequente elektromagnetische Wellen, die unterhalb des sichtbaren Lichts, aber oberhalb der Mikrowellen liegen. Sie werden verwendet, um Geräte miteinander zu verbinden, wenn die Entfernungen gering sind. Sie werden auch für Fernbedienungsbefehle genutzt.

2. Computernetzwerke

Ein Computernetzwerk besteht aus einer Reihe von Computern und anderen Geräten, die drahtgebunden oder drahtlos verbunden sind, um Informationen und Ressourcen wie Drucker oder Speicher auszutauschen.

2.1. Netzwerktypen nach geografischer Abdeckung (LAN, MAN, WAN)

• LAN (Local Area Network): Lokales Netzwerk. Verbindet Endgeräte im selben Raum, Gebäude oder in benachbarten Gebäuden. Sehr schnell. Beispiel: Büro oder Schule.
• MAN (Metropolitan Area Network): Verbindet mehrere lokale Netzwerke innerhalb einer Stadt oder Region.
• WAN (Wide Area Network): Verbindet mehrere lokale Netzwerke miteinander und verbindet Computer über Länder oder Kontinente hinweg. Langsamer als LANs. Beispiel: Das Internet.

2.2. Netzwerktopologien

Computer können auf viele Arten miteinander verbunden werden. Diese Anordnung wird als Netzwerktopologie bezeichnet:

• Bus-Topologie: Wenn die Mittellinie ausfällt oder getrennt wird, funktioniert das gesamte Netzwerk nicht mehr.
• Ring-Topologie: Der Ausfall eines Geräts wirkt sich auf das gesamte Netzwerk aus.
• Stern-Topologie: Die Trennung eines Geräts hat keine Auswirkungen auf andere Geräte.

2.3. Client-Server-Netzwerke und Peer-to-Peer-Netzwerke

Peer-to-Peer-Netzwerke (Netzwerke von Gleichen)

Alle Computer können dieselben Dienste und Ressourcen teilen und haben Peripheriegeräte, die mit dem Netzwerk verbunden sind.

Client-Server-Netzwerke

Es gibt einige Computer, die als Server bezeichnet werden und Dienste für andere bereitstellen. Die anderen Computer sind die Clients, die auf diese Dienste zugreifen.

2.4. Kommunikationsstandards (IEEE)

Das IEEE entwickelt eine Reihe von Standards, die internationale Normen für Kommunikationsnetze darstellen. Dazu gehören:

• Ethernet-Technologie: Für kabelgebundene LANs. Am häufigsten werden Twisted-Pair-Kabel mit RJ-45-Steckern verwendet.
• Wi-Fi: Für drahtlose Netzwerke. Ermöglicht die kabellose Verbindung mobiler Geräte mit einer Reichweite von 100 bis 300 Metern.
• Bluetooth-Standard: Für die drahtlose Kommunikation von Geräten mit einer Reichweite von 10 bis 15 Metern.

2.5. Komponenten eines lokalen Netzwerks (Hardware und Software)

Hardware-Elemente

• Netzwerkkarte: Eine integrierte Platine, die in den Computer (z. B. über eine PCI-Schnittstelle) eingesetzt wird, um eine Verbindung zwischen dem Computer und dem Kabelnetzwerk herzustellen. Sie ermöglicht die Teilnahme am lokalen Netzwerk und das Teilen von Ressourcen. Drahtlose Karten werden über einen PCI-Port eingefügt und verfügen über eine Antenne für den Wi-Fi-Empfang. Bei modernen tragbaren Geräten sind Wi-Fi-Empfänger bereits integriert.
• Switch (Vermittler): Ein Gerät mit RJ-45-Anschlüssen. Es empfängt Daten über einen bestimmten Port von einem Computer und sendet sie nur an die Ports der Computer, für die die Informationen bestimmt sind. LEDs zeigen die Geschwindigkeit und den Status an.
• Hub (Verteiler): Ähnlich wie der Switch, aber von geringerer Qualität. Er empfängt Daten von einem Port und sendet sie an alle anderen Ports.
• Wireless Access Point (WAP): Ein Gerät mit einer Antenne, das Wi-Fi-Signale aussendet. Es ermöglicht die Verbindung zu einem drahtlosen Netzwerk und kann mit dem Switch verbunden werden, um eine Verbindung zu einem kabelgebundenen Netzwerk herzustellen.
• Peripheriegeräte: Geräte wie Festplatten, optische Laufwerke oder Drucker können freigegeben werden, damit sie von anderen Netzwerkgeräten genutzt werden können.
• Verkabelung: Die in lokalen Netzen verwendeten Übertragungskabel sind Twisted-Pair- und Koaxialkabel.

Software-Elemente

• Betriebssystem: Die Computer benötigen ein Netzwerk-Betriebssystem, damit Server Ressourcen für Clients bereitstellen können und diese darauf zugreifen können.
• Netzwerk-Software zur Kommunikation:
  • E-Mail: Senden und Empfangen von Nachrichten.
  • Telnet: Starten interaktiver Sitzungen auf entfernten Geräten.
  • FTP (File Transfer Protocol): Dateiübertragung zwischen Geräten.

2.6. Verbundnetze und Netzwerkgeräte

Geräte, die zur Verbindung und Optimierung von Netzwerken verwendet werden:

• Repeater (Verstärker): Wenn Geräte zu weit voneinander entfernt sind, schwächt das elektrische Signal im Kabel ab und erreicht sein Ziel möglicherweise nicht. Repeater regenerieren das elektrische Signal, damit es längere Strecken mit dem gleichen Signalpegel zurücklegen kann.
• Bridges (Brücken): Verbinden zwei Netzwerke, übertragen Daten jedoch nur an das Netzwerk, für das sie bestimmt sind. Dies reduziert den Datenverkehr.
• Gateways (Zugänge): Ermöglichen die Verbindung von Netzwerken unterschiedlichen Typs (z. B. unterschiedliche Protokolle).
• Router: Geräte, die es uns ermöglichen, mehrere Netzwerke miteinander zu verbinden. Router suchen den optimalen Weg für die Nachricht, damit diese ihr Ziel erreicht. Sie werden in der Regel verwendet, um einem lokalen Netzwerk einen Ausgang zum Internet zu ermöglichen.