Einführung in Netzwerke

Ohne Netzwerke funktionieren die meisten unserer heutigen technischen Annehmlichkeiten nicht. Sie bilden die Grundlage und damit die Infrastruktur für private, betriebliche und kritische Kommunikation von Menschen und Geräten. Dabei gewinnen der Aufbau, die Erweiterung, Wartung und Sicherheit von Netzwerken immer mehr an Bedeutung.

Die Basis moderner Netzwerke bildet eine Vielzahl von Protokollen und Schnittstellen, die in den Netzelementen implementiert sind. Viele dieser Protokolle finden sich in internationalen Normen, beispielsweise in den ITU‑T-Empfehlungen oder in den RFCs (Request for Comments).

Funktion von Netzwerken

Konkret besteht ein Netzwerk aus einer Infrastruktur an Übertragungsmedien und -einrichtungen (bzw. Übertragungstechnologien), die dem Austausch von Informationen dienen. Die Art der Informationen spielt in heutigen Netzwerken oft eine untergeordnete Rolle. Mögliche Ausnahmen sind die Priorisierung ausgewählter Dienste (z. B. Telefonie) oder das selektive blockieren von Datenverkehr. Ein besonderes Augenmerk muss in modernen Netzwerken auf einen stabilen, möglichst hohen Datendurchsatz und auf hohe Sicherheit gelegt werden.

Grundsätzliche Funktionen die von Netzwerkgeräten ausgeführt werden sind:

• Senden
• Empfangen
• Weiterleiten (d. h. Empfang und erneutes Senden)
• Blockieren (das Verhindern unerwünschter Kommunikation)

Im Gegensatz zur analogen Datenübertragung, bei der ein Übertragungsweg exklusiv einer Verbindung zugewiesen war, wird in modernen Netzwerken ein paketorientierter Ansatz verwendet. Dies ermöglicht, dass Informationen – also Daten – in Form von kleinen Datenpaketen über eine offene Struktur übertragen werden. Welchen Weg die einzelnen Pakete nehmen, ist dabei nachrangig. Am Ziel werden sie wieder zu einem vollständigen Ganzen zusammengesetzt. Das Weiterleiten der Pakete wird durch das Netzwerk realisiert.

Ein Netzwerk funktioniert wie ein Paketdienstleiter. Jedes Paket enthält wichtige Informationen wie Empfänger- und Absenderadressen, Prioritätskennzeichnungen (z. B. Same-Day-Delivery) sowie Angaben zur eventuellen Sensibilität des Inhalts. Diese Informationen werden durch den Dienstleister für den Transport verwendet. Der Übertragungsweg wird vom Transportnetzwerk festgelegt, bis die Pakete den Empfänger erreichen.

Merke: Ein Netzwerk stellt eine Infrastruktur bereit, die die Kommunikation zwischen Teilnehmern, den Austausch von Daten sowie die Nutzung gemeinsamer Dienste und Ressourcen ermöglicht.

Protokolle

Damit Netzwerke maximale Transparenz und Offenheit gegenüber unterschiedlichen Systemen und Herstellern aufweisen, werden die Netzwerkprotokolle verwendet. In ihnen sind wichtige Modalitäten der Kommunikation enthalten. Durch sie muss nicht jede Verbindung bis ins kleinste Detail einzeln definiert werden. Es genügt, wenn beide Seiten dasselbe Protokoll verwenden und entsprechend konfiguriert sind, um eine Kommunikation herzustellen. In den Protokollen ist unter anderem geregelt:

• Adressierung
• Verbindungssteuerung
• Flusskontrolle
• Fehlererkennung und -behandlung

Wie weit die zuvor genannten Punkte geregelt sind, hängt davon ab, ob es sich um ein verbindungsorientiertes oder verbindungsloses Protokoll handelt. Zum besseren Verständnis soll folgende Tabelle dienen:

Netzwerkprotokolle stehen dabei zwischen der Anwendung und dem Medium, auf dem die Informationen übertragen werden. Selbst bei einer sehr simplen Kommunikation im Netzwerk wird eine Vielzahl von Protokollen verwendet. Diese Vielzahl von Protokollen bringt jedoch den Vorteil mit sich, dass oftmals Gerätetypen oder deren Hersteller keinen Einfluss auf den Netzwerkzugriff haben. Diese Art von offenen Netzwerken nennt man 'heterogene Netzwerke'.

Zur besseren Einordnung und Klassifizierung der Protokolle werden diese in Modellen strukturiert.

Schichten- und Referenzmodelle

In Netzwerken helfen Schichten und Referenzmodelle dabei, die Kommunikation in klar definierte Bereiche zu unterteilen, was die Komplexität erheblich reduziert und die Zusammenarbeit unterschiedlicher Systeme erleichtert.

Das OSI-Schichtenmodell (Open Systems Interconnection Model) ist ein theoretisches Konzept nach ISO 7498-1 und DIN ISO 7498, das in sieben Schichten gegliedert ist und 1984 durch die International Organization for Standardization (ISO) entworfen wurde. Diese reichen von der untersten physikalischen Schicht, die die elektrische und mechanische Verbindung herstellt, bis zur obersten Anwendungsschicht, in der spezifische Anwendungen wie E-Mail oder Webbrowser agieren. Jede Schicht im OSI-Modell hat genau definierte Aufgaben, was die Fehlersuche und die Standardisierung von Kommunikationsprozessen unterstützt. Es handelt sich um ein neutrales Schichtenmodell, das auf unterschiedlichste Netzwerkstandards anwendbar ist.

Das OSI-Schichtenmodell. Quelle: Technik-Kiste.de

Im Gegensatz dazu gestaltet das TCP/IP-Referenzmodell den Prozess in vier Schichten: Die Netzzugangsschicht (physikalische Übertragung und Datenlinkfunktionen), die Internetschicht (Adressierung und Routing, hauptsächlich über IP), die Transportschicht (sorgt für den zuverlässigen oder schnellen Datentransfer durch TCP beziehungsweise UDP) und die Anwendungsschicht, die sämtliche Dienste und Protokolle beherbergt, mit denen der Endnutzer interagiert. Obwohl beide Modelle den Datenaustausch in mehrere Ebenen unterteilen, ist das TCP/IP-Modell praxisorientierter und bildet die Grundlage des modernen Internets. Der Grund hierfür ist die feste Verzahnung mit der TCP/IP-Protokollfamilie.

Das TCP/IP-Referenzmodell. Quelle: Technik-Kiste.de

Für beide Modelle gelten folgende Regeln:

• Zwischen Ebenen befinden sich Schnittstellen
• Innerhalb von Ebenen befinden sich Protokolle
• Jede Ebene stellt ihre Dienste der darüberliegenden Ebene zur Verfügung
• Ebenen verwenden die Dienste einer darunter liegenden Ebene
• Änderungen einer Ebene bedürfen keiner Änderungen einer anderen Ebene (z. B. benötigt der Austausch einer Netzwerkkarte keinen anderen Webbrowser)

TCP/IP-Netzwerkprotokollfamilie

Die TCP/IP-Netzwerkprotokollfamilie (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)  ist der Grundpfeiler moderner Internetkommunikation. Ihre ersten Grundzüge wurden bereits 1974 in der RFC 675 festgehalten. Sie bildet einen Satz standardisierter Protokolle, die den Datenaustausch zwischen Computern weltweit ermöglichen. Zentral sind dabei das Internet Protocol (IP), das für die Adressierung und das Routing von Datenpaketen sorgt, sowie das Transmission Control Protocol (TCP), das eine zuverlässige, verbindungsorientierte Übertragung gewährleistet. Für Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit wichtiger ist als Zuverlässigkeit, kommt hingegen das User Datagram Protocol (UDP) zum Einsatz.

Neben TCP und IP umfasst die Protokollfamilie auch viele weitere, spezialisierte Protokolle, die auf unterschiedlichen Ebenen der Kommunikation agieren. Beispiele hierfür sind Anwendungsprotokolle wie HTTP, FTP und SMTP, die speziell dafür entwickelt wurden, um Webzugriffe, Dateitransfers und den E-Mail-Verkehr zu steuern. Diese modulare und flexible Architektur hat wesentlich dazu beigetragen, dass Netzwerke verschiedenster Art und Größe miteinander interagieren können und bildet die technische Grundlage für das heutige, global vernetzte Internet.

Die TCP/IP-Protokollfamilie binhaltet folgende Merkmale:

• Architekturunabhängigkeit
• Verbindung aller Teilnehmer eines Netzwerkes
• offene Standards
• Paketvermittlung & dynamisches Routing
• Quittungen für Verbindungen

Request for Comments (RFC)

Request for Comments (RFC) sind eine Reihe technischer und organisatorischer Dokumente, die von der Internet Engineering Task Force (IETF) veröffentlicht werden. Sie dienen dazu, Internetstandards, Protokolle und Best Practices zu definieren und zu beschreiben.
RFCs sind öffentlich zugänglich und können direkt über die Website "RFC-Editor" unter "http://www.rfc-editor.org" (Externer Link) abgerufen werden. Sie sind in verschiedenen Formaten verfügbar, darunter ASCII-Textdateien und andere Dokumentenformate.

Sie sind essenziell für die Standardisierung des Internets. Sie definieren wichtige Protokolle wie IPv6, TCP, UDP, SMTP und HTTP. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Internetnutzer Daten auf die gleiche Weise austauschen können, unabhängig von der verwendeten Plattform.

Jeder der RFC durchläuft einen strukturierten Veröffentlichungsprozess. Neue Entwürfe werden zunächst als Internet-Drafts veröffentlicht, die zur Diskussion stehen. Nach einer Begutachtung durch die IETF werden sie als RFCs veröffentlicht. Einmal veröffentlicht, werden sie nicht mehr verändert – Korrekturen erfolgen durch Errata oder neue RFCs, die ältere Dokumente ersetzen.

Als Status können RFC besitzen:

Es müssen nicht alle Angaben in den RFC verbindlich sein. Aus diesem Grund wird die Verwendbarkeit in mehrere Stufen unterschieden:

Ausdehnungsgrößen von Netzwerken

Netzwerke unterscheiden sich in ihrer Größe und damit auch oft in den Komponenten und Anforderungen die damit einhergehen. Grundsätzlich findet man folgende Begriffe um die Ausdehnung von Netzwerken anzugeben:

• LAN (Local Area Network): Netzwerk mit lokaler Ausdehnung in z. B. einem Gebäude oder einer Wohnung
• MAN (Metropolitan Area Network): Verbindung von Gebäuden über einen größeren Bereich wie Grundstücke oder ein Stadtgebiet
• WAN (Wide Area Network): Netzwerk mit sehr großer Ausdehnung über weite Strecken hinweg
• PAN (Personal Area Network): Netzwerk mit sehr geringer Ausdehnung mit wenigen Teilnehmern (z. B. im Fahrzeug zwischen Handy und Multimediaeinrichtung)
• Intranet: nicht öffentliches Netzwerk oder Zusammenschluss mehrer Netzwerke in Größen zwischen LAN und WAN
• Internet: öffentliches Netzwerk bzw. Zusammenschluss mehrerer Netzwerke