1.4 Netzwerkgrundlagen

Vom Rechnerverbund zum Netzwerkdienst

Ein Rechnernetz besteht nicht nur aus miteinander verbundenen Geräten. Erst Adressen, Protokolle und bereitgestellte Dienste ermöglichen eine geordnete Kommunikation. Endsysteme erzeugen oder nutzen Daten, Switches verbinden Teilnehmer innerhalb eines lokalen Netzes und Router leiten IP-Pakete zwischen Netzen weiter.

Die historische Entwicklung vom ARPANET über standardisiertes Ethernet und TCP/IP bis zu heutigen Cloud-, Mobilfunk- und Rechenzentrumsnetzen wird in 1.1 behandelt. Die physische und logische Anordnung als Bus, Ring, Stern, Baum oder Mesh ist Gegenstand von 1.2. Für die weitere Betrachtung ist wichtig: Topologie beschreibt die Anordnung, ein Protokoll dagegen die Regeln der Kommunikation.

Netztypen nach Aufgabe und Reichweite

Bezeichnungen wie LAN, MAN und WAN beschreiben typische Größenordnungen, aber keine starren Kilometergrenzen oder garantierten Geschwindigkeiten. Entscheidend sind Zweck, administrative Verantwortung und eingesetzte Technik. SAN und VPN beschreiben dagegen vor allem eine spezielle Aufgabe beziehungsweise eine logische Verbindung und sind deshalb nicht einfach weitere Größenklassen.

Welche Aufgaben Protokolle übernehmen

Ein einzelnes Protokoll löst normalerweise nicht alle Kommunikationsaufgaben. Mehrere Protokolle arbeiten als Protokollstapel zusammen. Je nach Ebene regeln sie den Zugriff auf ein Medium, die Adressierung, die Wegwahl, die Ende-zu-Ende-Übertragung oder eine konkrete Anwendungsfunktion.

• Physische Darstellung von Bits als elektrische, optische oder elektromagnetische Signale
• Bildung von Frames und Zugriff auf ein gemeinsam oder exklusiv genutztes Medium
• Logische Adressierung und Weiterleitung zwischen unterschiedlichen Netzen
• Ende-zu-Ende-Transport, Ports, Reihenfolge, Flusskontrolle und gegebenenfalls Wiederholung
• Datenformate, Sitzungssteuerung und anwendungsspezifische Anfragen und Antworten
• Erkennung oder Behandlung von Fehlern passend zur jeweiligen Protokollebene

Bandbreite, Datenrate, Durchsatz und Nutzdatenrate

Im Unterricht wird Bandbreite häufig vereinfachend für die maximale Datenrate einer Verbindung verwendet. Physikalisch bezeichnet Bandbreite jedoch einen Frequenzbereich in Hertz. Die Datenrate wird in Bit pro Sekunde angegeben. In Datenblättern und Prüfungsaufgaben muss deshalb erkennbar sein, welche Bedeutung gemeint ist.

Der Durchsatz ist die tatsächlich pro Zeit übertragene Datenmenge. Die Nutzdatenrate - häufig Goodput genannt - zählt nur die für die Anwendung nutzbaren Daten. Header, Trailer, Bestätigungen, Wiederholungen und Wartezeiten gehören nicht dazu. Latenz beschreibt eine Verzögerung und ist keine Datenrate.

Übertragungszeit berechnen

Für eine idealisierte Berechnung wird die Datenmenge in Bit durch die Datenrate in Bit pro Sekunde geteilt. Byte und Bit müssen vorher korrekt umgerechnet werden. Bei dezimalen Netzwerkdatenraten gilt beispielsweise 1 Gbit/s = 1.000.000.000 bit/s. Das Ergebnis ist eine theoretische Mindestzeit und berücksichtigt noch keinen Protokoll-Overhead, keine Latenz und keine Wiederholungen.

• Formel: Übertragungszeit = Datenmenge in Bit ÷ Datenrate in Bit/s
• Umgestellt: Datenmenge = Datenrate × Zeit
• Umgestellt: erforderliche Datenrate = Datenmenge ÷ verfügbare Zeit

Was die praktisch nutzbare Datenrate begrenzt

Die langsamste relevante Teilstrecke kann den Ende-zu-Ende-Durchsatz begrenzen. Daneben wirken Protokoll-Overhead, Auslastung, Fehler, Wiederholungen, Duplexbetrieb, Funkstörungen, Endgeräte und die Gegenstelle. Eine einzelne Linkanzeige von 1 Gbit/s garantiert deshalb keinen Dateitransfer mit 1 Gbit/s Nutzdatenrate.

• Eigenschaften und Länge des Übertragungsmediums sowie Qualität von Steckern und Transceivern
• Aushandlung von Geschwindigkeit und Duplexmodus
• Geteilte Kapazität, Überlastung und Warteschlangen in Netzwerkkomponenten
• Frame-, Paket- und Transport-Header sowie anwendungsspezifischer Overhead
• Paketverluste, Bitfehler und daraus folgende Wiederholungen
• Latenz und Protokollverhalten, insbesondere bei großen Entfernungen oder kleinen Übertragungsfenstern
• Leistung von Datenträgern, CPU, Betriebssystem, Anwendung und Zielsystem

Analoge und digitale Information

Analog und digital beschreiben zunächst die dargestellten Werte: Eine analoge Größe kann innerhalb eines Bereichs kontinuierliche Werte annehmen; digitale Information verwendet unterscheidbare diskrete Zustände. Das physische Signal selbst verläuft in realen Leitungen und Funkstrecken stets kontinuierlich. Digitale Daten werden daher durch definierte Signalzustände, Übergänge oder Symbole repräsentiert.

Bei einer Modulation werden Eigenschaften eines Trägers verändert. Grundformen sind Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation. Moderne Verfahren kombinieren häufig Amplitude und Phase und codieren mehrere Bits pro Symbol. Deshalb darf ein Symbol nicht grundsätzlich mit genau einem Bit gleichgesetzt werden.

Schichtenmodelle und Protokollstapel

Das OSI-Modell mit sieben Schichten ist ein herstellerneutraler Referenzrahmen. Es erleichtert Spezifikation, Austauschbarkeit und Fehlersuche, ist aber keine zwingende Implementierungsvorschrift. Die Internetarchitektur wird praxisnäher als Link-, Internet-, Transport- und Anwendungsebene beschrieben. Darstellungs- und Sitzungsfunktionen liegen dort meist in Anwendungen oder Bibliotheken.

Kommunikation findet logisch zwischen gleichgeordneten Protokollinstanzen statt. Tatsächlich übergibt jede sendende Schicht ihre Daten nach unten; die Empfangsseite verarbeitet sie in umgekehrter Reihenfolge. Eine ausgetauschte Schicht ersetzt nicht automatisch jede andere, sondern muss die vereinbarten Dienste und Schnittstellen weiterhin erfüllen.

Kapselung und Entkapselung

Beim Senden werden Anwendungsdaten schrittweise gekapselt. Ein Transportprotokoll ergänzt beispielsweise Ports, IP ergänzt logische Quell- und Zieladressen und Ethernet ergänzt Linkadressen sowie eine Prüfinformation. Die physische Ebene überträgt daraus codierte Symbole beziehungsweise Signale.

Die Bezeichnungen hängen vom konkreten Protokoll ab: TCP verwendet Segmente, UDP Datagramme, IP Pakete beziehungsweise IP-Datagramme und Ethernet Frames. Es ist daher ungenau, jede Übertragungseinheit pauschal Paket zu nennen. Auf jedem Router-Link wird ein neuer Link-Layer-Frame gebildet, während das IP-Paket grundsätzlich Ende-zu-Ende weitergeleitet wird; einzelne IP-Felder können sich dabei ändern.

MAC-Adressen korrekt einordnen

Viele Ethernet-Schnittstellen verwenden 48-Bit-MAC-Adressen. Die alte pauschale Aufteilung in 22 Bit Herstellerkennung und 24 Bit Seriennummer ist falsch. Bei einer universell vergebenen EUI-48 bildet ein 24-Bit-OUI zusammen mit einem vom Hersteller verwalteten Erweiterungsteil die Adresse; zwei niederwertige Bits des ersten Oktetts kennzeichnen Individual- oder Gruppenadresse sowie universelle oder lokale Vergabe.

Eine MAC-Adresse ist nicht in jedem Fall weltweit eindeutig. Lokal administrierte und zufällig erzeugte Adressen sind ausdrücklich möglich und werden beispielsweise zum Schutz der Privatsphäre in WLAN-Clients eingesetzt. Für die Kommunikation zwischen IP-Netzen reicht eine MAC-Adresse außerdem nicht aus; Router arbeiten für die Wegwahl mit logischen IP-Adressen.