Local Area Network

Grundidee und Einsatz

Ein Local Area Network, kurz LAN, ist ein lokales oder örtliches Rechnernetz. Es ist größer als ein Personal Area Network, erreicht aber nicht die Ausdehnung von Metropolitan Area Networks, Wide Area Networks oder Global Area Networks. LANs werden zum Beispiel in Heimnetzen und Unternehmen eingesetzt.

Ein LAN verbindet Geräte in einem begrenzten Bereich, damit sie Daten austauschen und gemeinsame Ressourcen nutzen können. Neben normalen Rechnern können auch andere Geräte eingebunden werden, etwa Drucker. Drucker ohne eigene LAN-Schnittstelle lassen sich über spezielle Router oder über Zwischengeräte anschließen, die die Netzwerkkommunikation übernehmen.

Aufbau und Übertragung

Ein lokales Netz kann technisch unterschiedlich aufgebaut sein. Ab einer gewissen Größe wird die Verkabelung typischerweise als strukturierte Verkabelung ausgeführt. Der am weitesten verbreitete Standard ist Ethernet.

Ethernet überträgt Daten entweder elektrisch über Twisted-Pair-Kabel, meist CAT5 oder höher, oder optisch über Lichtwellenleiter aus Glasfaser oder Kunststoff. Aktuelles Ethernet deckt Datenübertragungsraten von 10 Mbit/s bis 400 Gbit/s ab; 400 Gbit/s entsprechen maximal 50 GByte/s Datendurchsatz.

Bei der heute häufig verwendeten kupferbasierten Twisted-Pair-Verkabelung beträgt der Netzwerkradius in der Regel maximal hundert Meter. Mit Multimode-Glasfaser sind einige hundert Meter möglich, mit Monomode-Glasfaser standardisiert bis zu vierzig Kilometer. Besonders verbreitet sind Fast-Ethernet 100BASE-TX und Gigabit-Ethernet 1000BASE-T. Für Rechenzentren und schnelle Zwischenverbindungen gibt es 100-Gigabit-Ethernet, das abgesehen von kurzen Zwischenverbindungen praktisch immer Glasfaser benötigt. Entwickelt wurden außerdem 40-Gigabit-Ethernet für Twisted-Pair-Kabel sowie 2,5-, 5- und 25-Gigabit-Ethernet für etwas geringere Kabelgüten.

Zentrale Geräte im LAN

Früher waren Repeater und Hubs wichtige tragende Elemente lokaler Netze, daneben auch Router und Bridges. In neueren Installationen findet man praktisch nur noch Switches und Router.

Ein Hub ist ein Verteilerknoten und technisch ein Repeater mit mehreren Ports. Mehrere Netzwerkkabel können zu einem Hub geführt werden; physisch ergibt sich dadurch ein sternförmiger Aufbau. Logisch sind jedoch alle Teilnehmer miteinander verbunden, also eine Bus-Topologie. Ein Hub leitet empfangene Bits oder Symbole an alle anderen Ports weiter. Wenn Daten von zwei Ports gleichzeitig eintreffen, entsteht eine Kollision. Der Hub kann zwei Datenströme nicht gleichzeitig weiterleiten oder speichern. Deshalb arbeitet er grundsätzlich im Halbduplexbetrieb und nur auf OSI-Schicht 1, der Bitübertragungsschicht. Ab Gigabit-Ethernet werden keine Hubs mehr eingesetzt; auch bei Fast Ethernet sind sie kaum noch zu finden.

Ein Switch ist eine Mehrport-Bridge in einem Bauteil. Anders als ein Hub besitzt er Logikfunktionen, kann Daten zwischenspeichern und filtern. Er leitet ein empfangenes Paket nur an den Port weiter, der zur jeweiligen Empfängeradresse, der MAC-Adresse, gehört. Diese Arbeitsweise heißt Packet Switching. Dadurch werden die Leitungen anderer Teilnehmer nicht belastet und können gleichzeitig andere Pakete transportieren. Besteht ein Netzwerk nur aus geswitchten Ports und enthält keine Repeater, spricht man von einem voll-geswitchten Netz oder von Mikrosegmentierung. Ein solches Netz arbeitet kollisionsfrei, und alle Kanäle erreichen die maximale Datenübertragungsrate.

Ein Router verbindet mehrere Netzwerke mit unterschiedlichen Protokollen oder Medien. Er kann zum Beispiel ein WAN mit einem LAN verbinden. Im Gegensatz zu einem Switch wertet er Netzwerkadressen aus Layer 3 aus, etwa den Netzwerkanteil von IP-Adressen im TCP/IP-Modell. Häufig steht ein Router an der Außengrenze eines Netzwerks, um es mit dem Internet oder einem anderen Netzwerk zu verbinden.

Drahtlose und alternative LAN-Techniken

Drahtlose lokale Netze heißen Wireless LAN oder WLAN. Sie werden meist über Standards aus der Gruppe IEEE 802.11 realisiert und sind weitgehend mit kabelgebundenem Ethernet kompatibel. Weil Funknetze nicht an Gebäude- oder Werksgrenzen Halt machen, ist Verschlüsselung besonders wichtig.

Früher wurden die heute unsicheren Standards WEP und WPA verwendet; sie sollten nicht mehr angewendet werden. WPA2 gilt zurzeit noch als sicher, obwohl auch dort Sicherheitslücken festgestellt wurden. Zugleich wird von poor-man’s-security gesprochen, weil WLAN-Accesspoints und -Router unter starkem Kostendruck vermarktet werden. Inzwischen sollte der moderne WPA3-Standard verwendet werden. Bei öffentlichen Hotspots sollte Opportunistic Wireless Encryption, kurz OWE, genutzt werden. Alternativ oder wenn dem Netzanbieter nicht vertraut wird, kann ein VPN-Tunnel verwendet werden.

LANs können auch über Stromleitungen oder Telefonleitungen betrieben werden. Beide Techniken haben vergleichsweise hohe Abstrahlungsraten, die Funkdienste in der Umgebung stören können. Für Stromleitungen sind verschiedene PowerLAN-Varianten verbreitet, für Telefonleitungen häufig VDSL.

Ältere LAN-Techniken wie Token Ring, Fiber Distributed Data Interface, kurz FDDI, und ARCNET verlieren an Bedeutung. Das gilt auch für Ethernet nach 10BASE2, 10BASE5 und 100BASE-FX sowie für praktisch alle anderen weniger verbreiteten Technikvarianten.

Segmente, Broadcasts und Internetzugang

Ein lokales Netz bildet oft genau eine gemeinsame Broadcast-Domäne. Eine Broadcast-Domäne ist der Bereich eines Rechnernetzes, in dem alle angeschlossenen Geräte mit ihrer Hardware-Adresse, der MAC-Adresse, auf Schicht 2 des ISO/OSI-Referenzmodells direkt miteinander kommunizieren können. Ein Broadcast ist eine Nachricht an alle Teilnehmer dieser Domäne. Ein Router transportiert Broadcasts nicht weiter, deshalb verlassen sie gewöhnlich das LAN nicht.

Ein LAN kann in mehrere LANs oder Virtual LANs, kurz VLANs, unterteilt werden. So wird die Netzkommunikation eines einzelnen physischen lokalen Netzes physisch oder logisch auf zwei oder mehr VLANs aufgeteilt. Endsysteme in einem VLAN können Endsysteme in einem anderen VLAN weder sehen noch direkt mit ihnen kommunizieren. Um getrennte LANs oder VLANs zu verbinden, nutzt man üblicherweise einen Router oder einen Switch mit Routing-Funktionalität.

Switches oder Bridges teilen Kollisionsdomänen in kleinere Domänen auf. Dadurch werden Kollisionen vermieden und das Risiko sinkt, dass ein Netz durch Überlastung langsamer wird oder ausfällt. Da Repeater-Hubs kaum noch verwendet werden und es ab Gigabit-Ethernet nur noch Vollduplex-Verbindungen gibt, ist das Zugriffsverfahren CSMA/CD für Halbduplex-Betrieb kaum noch verbreitet.

Über einen Router auf OSI-Schicht 3, der Vermittlungsschicht, kann ein Netzteilnehmer Zugang zu anderen Netzen erhalten, etwa zu weiteren lokalen Netzen oder zum Internet. Befindet sich ein Internetrouter im Netz, hat dieser meistens eine im Internet eindeutige öffentliche IP-Adresse, während die Hosts im lokalen Netz private IP-Adressen erhalten. Damit diese Hosts mit dem Internet kommunizieren können, wird auf dem Router Masquerading betrieben, ein Spezialfall von NAT. Besonders in größeren Netzen werden Router auch innerhalb eines lokalen Netzes eingesetzt, unter anderem damit nicht zu viele Teilnehmer in einer Broadcast-Domäne liegen.