Das Internet ist ein logisches Rechnernetzwerk, das aus einer Vielzahl ganz unterschiedlicher physikalischer Netzwerke besteht. Auf diese Netzwerke ist in der Lehrveranstaltung bislang nicht näher eingegangen worden, denn es hat gereicht, davon auszugehen, dass die Rechner, die das Netzwerk enthält, irgendwie so miteinander verbunden sind, dass sie Daten (IP-Pakete) austauschen können. Aber Rechnernetze sind viel reichhaltiger. Auf diese Reichhaltigkeit soll im vorliegenden Abschnitt etwas näher eingegangen werden.
Zunächst kann festgestellt werden, dass physikalische Netzwerke spezifische Datenübertragungsmedien verwenden. Dazu gehören elektrische Leitungen in unterschiedlichen Ausprägungen wie einfache Kupferkabel, besonders abgeschirmte Kupferkabel (sogenannte Koaxialkabel) aber auch Glasfaserkabel und Funkverbindungen vom Richt- bis zum Satellitenfunk.
Mit bestimmten Übertragungsmedien können bestimmte Datenübertragungsraten erreicht werden, die üblicherweise in Bit pro Sekunde (bit/s) angegeben werden. Beispielsweise können erreicht werden mit
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal physikalischer Rechnernetze ist die spezifische Anordnung der Rechner des Netzes bezüglich des verwendeten Datenübertragungsmediums. Diese Anordnung bezeichnet man als Topologie des Netzwerks. Um zu diesem Begriff einen anschaulichen Zugang zu gewinnen, denke man an eine Verkabelung der Rechner mit elektrischen Leitungen.
Die elementarste Topologie eines Rechnernetzes besteht darin, jeden der Rechner mit jedem anderen durch genau eine Leitung zu verbinden. Diese Punkt-zu-Punkt-Topologie wird als totale Vernetzung bezeichnet. Sie ist allerdings nur bei sehr kleinen Netzen praktikabel, denn der Verbindungsaufwand steigt quadratisch mit der Anzahl der Rechner im Netz. Die folgende Grafik zeigt diesen Sachverhalt:
Um jeden der Rechner, die vernetzt werden sollen, mit jedem anderen zu verbinden, ist eine totale Vernetzung nicht erforderlich, denn dieses Ziel wird auch erreicht, wenn die Rechner jeweils nur indirekt erreichbar sind. Dazu muss jedoch das verwendete Datenübertragungsmedium auf eine bestimmte Art und Weise betrieben werden. Dabei können dann nur solche Medien eingesetzt werden, die den entsprechenden Betrieb auch zulassen. Auf dieser Basis sind viele Rechnernetztopologien denkbar und viele davon sind auch praktisch erprobt worden. Im Wesentlichen sind die folgenden drei im praktischen Einsatz:
Die folgende Grafik veranschaulicht diese drei Standardtopologien:
In einem Busnetz sind alle Rechner des Netzes an ein und dasselbe Übertragungsmedium angeschlossen. Es kann sich um ein elektrisches oder ein optisches Medium handeln, oder es kann ein Funknetz sein. Busnetze sind tolerant gegen Rechnerausfälle, denn ausgefallene Rechner beeinträchtigen den (technischen) Betrieb des Netzes und der anderen Rechner in keiner Weise. Der Netzbetrieb ist nur dann in Gänze unterbrochen, wenn das Medium nicht mehr betrieben werden kann. Nachteilig bei Busnetzen ist jedoch eine Kollisionsproblematik, die dadurch entsteht, dass alle Rechner des Netzes unabhängig voneinander den Sendebetrieb aufnehmen können. Wie mit Kollisionen umgegangen werden kann, wird im Abschnitt 6.2.2 (Zugriffsverfahren) betrachtet. Das weit verbreitete Ethernet (vgl. den Abschnitt 6.3 (Ethernet)) in seiner klassischen Ausprägung ist ein Beispiel für ein Busnetz.
Ein Sternnetz erinnert optisch an ein Busnetz, dessen Bus zu einem Punkt zusammengezogen worden ist. Allerdings gibt es einen wesentlichen Unterschied zwischen den beiden Netzwerkarten: Der Bus in einem Busnetz ist ein passives Element. Damit ist gemeint, dass ein Bus zwar Daten aufnehmen kann, die dann abgegriffen werden können, aber er trifft keine Entscheidungen über eine Zustellung der Daten. Das Zentrum eines Sternnetzes dagegen ist aktiv. Es nimmt Daten entgegen und entscheidet über die Weiterleitung. Auch beim Betrieb eines Sternnetzes entsteht eine Kollisionsproblematik, die sich allerdings auf das Zentrum des Sterns beschränkt.
Sternnetzwerke sind effizienter als Busnetzwerke. Wenn bei einem Bus einer der Rechner sendet, dann erhalten alle an den Bus angeschlossenen Rechner diese Sendung. Jeder dieser Rechner muss dann prüfen, ob die Sendung ihm gegolten hat. Gegebenenfalls muss er die Sendung verwerfen. Hat es beim Senden eine Kollision gegeben, dann erhalten alle Rechner im Netz einen Hinweis auf diese Störung. In einem Sternnetz dagegen hat das zentrale Element eine Filterfunktion. Das bereits mehrfach erwähnte und im Abschnitt 6.3 etwas vertieft behandelte Ethernet hat sich von einem Bus- zu einem Sternnetzwerk entwickelt.
Bei einem Ringnetzwerk sind die Rechner des Netzes durch das Übertragungsmedium zyklisch miteinander verbunden. Das ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung von jeweils zwei direkt benachbarten Rechnern. Je nach technischer Ausprägung kann der Ring in nur einer Richtung, zum Beispiel im Uhrzeigersinn, oder in beiden Richtungen betrieben werden. Üblicherweise ist der Ring unidirektional, so dass die Daten von Rechner zu Rechner in festliegender Reihenfolge durch den Ring fließen. Fällt einer der Rechner aus, ist zunächst das Netz unterbrochen. Allerdings gibt es technische Einrichtungen, die beim Ausfall eines Rechners diesen überbrücken und dadurch den unterbrochenen Ring automatisch schließen.
In einem Token-Ring-Netzwerk kreist ein spezielles Bitmuster, das Token genannt wird, durch den Ring und transportiert üblicherweise das Senderecht. Kollisionen können hier nicht auftreten, allerdings kann es zu Tokenverlusten, -vervielfältigungen und -beschädigungen kommen. Mitte der siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts wurde von der Firma IBM ein Token-Ring-Netzwerk mit einer Datenübertragungsrate von 16 Mbit/s auf den Markt gebracht, das viele Jahre lang ein ernsthafter Konkurrent für das Ethernet war. Das praktische Arbeiten mit diesem Netz erwies sich als etwas umständlicher als das mit dem Ethernet. Insbesondere war die Tokenverwaltung aufwändig.
Es ist üblich, Rechnernetzwerke orientiert an ihrer örtlichen Ausbreitung zu klassifizieren, wobei die Übergänge fließend sind. Üblicherweise unterscheidet man zwischen
Rechnernetzwerke, die sich über einen Raum, ein Gebäude oder einen Gebäudekomplex erstrecken, heißen Local Area Networks (LANs). Sie sind im Wesentlichen entwickelt worden, um
Die Rechner in einem LAN sind überwiegend Laptos, PCs und Workstations. In der Regel sind einige davon besonders ausgestattet, um beispielsweise Speicherplatz oder Rechenleistung zur Verfügung zu stellen. Diese Rechner werden dann wie die diensteerbringenden Prozesse als Server bezeichnet. So gibt es Print-Server, File-Server, Compute-Server usw. Nur selten befindet sich ein Großrechner (Mainframe) in einem LAN. Als Übertragungsmedien werden meist Koaxialkabel oder verdrillte Kupferkabel (Twisted Pair) verwendet.
Manchmal ist es technisch oder auch rechtlich schwierig, die Rechner in einem LAN durch Kabel zu verbinden. Man denke an Mauer- und Deckendurchbrüche und an die Überbrückung öffentlicher Straßen. Auch ist der sogenannte Kabelsalat bei größeren LANs oft hinderlich. In diesen Fällen werden gerne Funkverbindungen eingesetzt. Derartige (Teil-)Netze heißen Wireless (drahtlose) LANs oder kurz WLANs. Manchmal werden Kabel und Funktechnik nebeneinander betrieben. Das Campus-Netzwerk der Berliner Hochschule für Technik ist dafür ein Beispiel. Es ist ein Local Area Network mit WLAN-Bereichen.
Erstreckt sich ein Netzwerk über eine ganze Stadt oder über ein ähnlich großes Gebiet, nennt man es Metropolitan Area Network (MAN). Es verbindet viele örtlich getrennte LANs miteinander und ist die Domäne für Lichtwellenleiter, die als Backbones, als Rückgrate, arbeiten. Durch diese Rückgrate sind nur wenige Rechner miteinander verbunden, deren einzige Aufgabe darin besteht, Daten weiterzuleiten. Von ihnen zweigen Verbindungen zu LANs ab. Der Berliner Glasfaserring, der die Hochschulen des Landes miteinander verbindet, ist dafür ein Beispiel.
Werden bei der Vernetzung sehr große Entfernungen überbrückt und beispielsweise Kontinentgrenzen überschritten, liegt ein Wide Area Network (WAN) vor. Verwendet werden als Übertragungsmedien elektrische und optische Tiefseekabel und insbesondere Satellitenfunk. Das Internet ist ein Beispiel für ein WAN.
Unter dem Begriff Netzwerkverbindungen (Inter-Networking) werden alle Techniken zusammengefasst, mit deren Hilfe Rechnernetzwerke so miteinander verbunden werden können, dass größere Netze entstehen. Je unterschiedlicher die einzelnen Netze sind, umso aufwändiger ist die Verbindung. Mit Hilfe der Schichten des ISO/OSI-Kommunikationsmodells (siehe dazu den Abschnitt 1.4.3 (Netzwerkprotokolle)) ist eine übersichtliche Klassifizierung dieser Techniken möglich. In den folgenden Absätzen werden typische Geräte für Netzwerkverbindungen aufgeführt, wobei darauf hinzuweisen ist, dass die im Handel erhältlichen Geräte meist funktional reichhaltiger sind, als die folgende grobe Klassifizierung suggeriert.
In Netzwerken zu übertragende Daten werden als Bits kodiert. Darauf wird im Abschnitt 6.2.3 (Bitübertragung) noch eingegangen. Hier genügt es festzustellen, dass diese Bits während ihrer Übertragung auf irgendeinem Medium mit zunehmender Dauer des Übertragungsvorgangs anschaulich an Kontur verlieren. Je nach Medium bedarf es nach einer gewissen Zeit (Entfernung) einer Auffrischung. Diese Aufgabe übernehmen die Repeater. Sie nehmen ein Bit aus dem einen Netz, frischen es auf und legen es auf das andere Netz. Das heißt, dass sie nur Netze mit gleichartiger Bitdarstellung und gleichartigem Paketaufbau miteinander verbinden können. Typisch für ihren Einsatz ist die Verbindung zweier gleichartiger Busnetze, wie in dem folgenden Bild angedeutet:
Im ISO/OSI-Kommunikationsmodell werden Repeater als Geräte beschrieben, die ausschließlich auf der Schicht 1 operieren. Sie arbeiten mit Bits, nicht mit Adressen.
Ein Hub (Knotenpunkt) ist ein Repeater mit mehreren Ein- und Ausgängen (Ports). Die deutsche Bezeichnung Sternkoppler wird kaum verwendet. Meist nennt man diese Geräte Multiport-Repeater. Auch sie arbeiten ausschließlich auf der ISO/OSI-Schicht 1, also auf der Bitübertragungsebene. Mit Hubs sind kaskadenförmige Netze aufbaubar. Das folgende Bild zeigt einen Hub, der vier Busnetze miteinander verbindet:
Repeater und Hubs leiten Bits einzeln weiter. Bridges (Brücken) hingegen operieren auf der ISO/OSI-Schicht 2. Sie können Datenpakete zwischenspeichern und weiterleiten, wobei sie die jeweilige Ziel-MAC-Adresse auswerten und dadurch eine Weiterleitungsentscheidung treffen können. Es gibt Bridges, die in der Lage sind, Netze mit unterschiedlichem Paketaufbau miteinander zu verbinden, indem sie die Datenpakete entsprechend umsetzen.
Ein Switch ist eine Weiterentwicklung einer Bridge und stellt ganz grob das Analogon zum Hub auf der ISO/OSI-Ebene 2 dar: Es ist eine Multiport-Bridge. Die deutsche Bezeichnung dafür lautet Kreuzschienenverteiler und wird kaum benutzt, obwohl sie die Arbeitsweise dieser Geräte recht gut beschreibt: In der mechanischen Analogie eines Eisenbahnnetzes sitzt eine drehbare Scheibe zwischen einer Anzahl von Gleisen. Eisenbahnwagen werden auf die Scheibe geschoben und diese dann zum Zielgleis hin gedreht.
Die einzelnen Ports eines Switchs können unabhängig voneinander Daten empfangen und senden und sind intern über einen Hochgeschwindigkeitsbus (Backplane) miteinander verbunden. Datenpuffer sorgen dafür, dass nach Möglichkeit keine Datenpakete verloren gehen. Wenn ein Switch eine Trennung seiner Ports in Gruppen gestattet, können die angeschlossenen Rechner in voneinander getrennten Netzwerken, sogenannten virtuellen lokalen Netzwerken (Virtual LANs oder VLANs) organisiert werden.
Router operieren auf der ISO/OSI-Ebene 3, also auf der Ebene, auf der die beiden Vermittlungsprotokolle des Internet IPv4 und IPv6 angesiedelt sind, das heißt, sie arbeiten mit den logischen Netzadressen. Im Internet beispielsweise lesen sie die IP-Adressen der zu befördernden Datenpakete. Mit Hilfe dieser Adressen entscheiden sie, in welches logische Teilnetz das Paket zu übertragen ist. Möglicherweise müssen sie Pakete fragmentieren, um sie an die Transportmöglichkeit des jeweiligen physikalischen Teilnetzes anzupassen.
Router arbeiten medienunabhängig aber protokollabhängig. Medienunabhängigkeit bedeutet, dass ihre Netzwerkschnittstellen zu Netzwerken gehören können, die unterschiedliche Datenübertragungsmedien verwenden. So können zum Beispiel kabelgebundene Token-Ring-Netzwerke mit WLANs auf Ethernet-Basis miteinander verbunden werden. Eine Protokollabhängigkeit entsteht, weil Router nur solche Datenpakete weiterleiten können, die zu Protokollen der Schicht 3 des ISO/OSI-Referenzmodells gehören.
Der Begriff Gateway ist mit einer gewissen Vorsicht zu verwenden, weil in den Anfangszeiten des Internets die heutigen Router Gateways genannt wurden, und diese Bezeichnung in den Dokumentationen der Internet-Werkzeuge noch vielfach anzutreffen ist. Aber bereits seit vielen Jahren werden Router dadurch charakterisiert, dass sie bestimmte Vermittlungsprotokolle weiterleiten, während Gateways Protokolle umwandeln. Ein Beispiel dafür ist die Anbindung eines Novell-Netzwerks an das Internet. In Netzwerken des Herstellers Novell, die vorallem in den USA noch immer weit verbreitet sind, wird ein Vermittlungsprotokoll namens IPX verwendet, das anders aufgebaut ist als IPv4 bzw. IPv6. Es bedarf eines Gateways, um die Protokollumsetzung durchzuführen. Allgemein versteht man unter einem Gateway ein Gerät, das Netzwerke oberhalb der ISO/OSI-Schicht 3, also auf der Ebene der Anwendungsprotokolle, miteinander verbindet.