Rechnernetz

Grundidee und Kommunikation

Ein Rechnernetz, Computernetz oder Computernetzwerk verbindet primär selbstständige elektronische Systeme, damit sie miteinander kommunizieren können. Dazu gehören vor allem Computer, aber auch Sensoren, Aktoren, Agenten und funktechnische Komponenten. Netze ermöglichen die gemeinsame Nutzung von Ressourcen wie Netzwerkdruckern, Servern, Dateien und Datenbanken. Außerdem erleichtern sie die zentrale Verwaltung von Geräten, Benutzern, Berechtigungen und Daten sowie die direkte Kommunikation, etwa über Chat oder IP-Telefonie.

Die Kommunikation wird durch Protokolle geregelt. Das ISO/OSI-Modell ordnet diese Protokolle in Schichten. Obwohl praktische Rechnernetze das Modell nicht vollständig abbilden, hilft es beim Verständnis: Höhere, komplexere Protokollschichten nutzen die Funktionen der einfacheren Schichten darunter. Meist erhält eine Schicht Nutzdaten, fügt davor und teilweise dahinter eigene Steuerinformationen hinzu und übergibt das Ergebnis weiter. Manche Protokolle transportieren jedoch keine fremden Nutzdaten, sondern dienen als eigenständige Informationssysteme für bestimmte Aufgaben.

Das bekannteste Netz ist das Internet; besonders bekannte Protokolle sind TCP (Transmission Control Protocol) und IP (Internet Protocol). Das Internet ist kein einheitliches Netz, sondern besteht aus zahlreichen unterschiedlich aufgebauten Teilnetzen beziehungsweise Subnetzen. Diese haben vor allem die oberen Protokollschichten gemeinsam, können die Übertragung auf den unteren Schichten aber unterschiedlich umsetzen.

Ein Zentralrechner oder Hauptrechner ist meist ein Großrechner, der anderen angeschlossenen Rechnern, Terminals oder Programmen Daten, Dienste sowie System- und Anwendungsprogramme bereitstellt.

Aufbau und Topologien

Die Topologie beschreibt, wie die Komponenten eines Netzes über physische oder logische Leitungswege verbunden sind. Knoten und Verbindungen werden so geplant, dass verschiedene Bereiche des Netzes gegebenenfalls über mehrere Zwischenpunkte erreichbar sind. Die Grundformen treten in der Praxis meist als Mischformen auf.

• Stern-Topologie: Alle Teilnehmer sind an einen zentralen Verteilpunkt angeschlossen. Dieser kann das Netz kontrollieren; fällt er aus, funktioniert das Netz nicht. Diese Form kommt vor allem in sehr kleinen Netzen wie Heimnetzen oder auf LAN-Partys vor. Mehrere an ihren Konzentrationspunkten verbundene Sterne bilden eine erweiterte Sterntopologie.

• Baum-Topologie: Die Struktur ist hierarchisch gestaffelt. Der oberste Rechner kontrolliert die darunterliegenden Ebenen; der Einfluss nimmt nach unten ab.

• Ring-Topologie: Jeder Rechner ist mit seinen Nachbarn in einem Ring verbunden. In der beschriebenen Grundform kann der Ausfall eines Rechners das gesamte Netz lahmlegen.

• Bus-Topologie: Alle Rechner verwenden dasselbe gemeinsame Übertragungsmedium. Dadurch können Kollisionen entstehen, wenn mehrere Teilnehmer gleichzeitig senden.

• Vermaschtes Netz: Jeder Rechner besitzt Verbindungen zu mehreren Nachbarn. Redundante, also mehrfach vorhandene Wege sorgen dafür, dass das Netz beim Ausfall einer Leitung über eine andere Verbindung weiterarbeiten kann.

• Zell-Topologie: Sie ist besonders für Funknetze und deren spezielle Zugriffsbedingungen wichtig.

Als Smart Network oder Smart Grid wird die spontane, selbstorganisierte Vernetzung beliebiger Geräte bezeichnet.

Abdeckung und Übertragungswege

Rechnernetze können nach ihrer organisatorischen beziehungsweise räumlichen Abdeckung eingeordnet werden. Diese leicht verständliche Unterscheidung hat in der Praxis allerdings nur begrenzte Bedeutung.

Zu den lokalen Netzen zählen Body Area Network (BAN), Wireless Body Area Network (WBAN), Personal Area Network (PAN), Wireless Personal Area Network (WPAN), Local Area Network (LAN) und Wireless LAN (WLAN). Nichtlokale Netze sind Metropolitan Area Network (MAN), Wide Area Network (WAN), Global Area Network (GAN) und Virtual Private Network (VPN). Als weitere Form nennt der Artikel das Storage Area Network (SAN).

Nach dem Übertragungsweg unterscheidet man insbesondere leitungsgebundene Netze und Funknetze. Leitungsgebundene Netze verwenden beispielsweise Kupferkabel, Glasfasern oder das Stromnetz. Funknetze übertragen Informationen drahtlos und können entweder eine feste Infrastruktur besitzen oder sich ohne zusätzliche Infrastruktur organisieren.

Leitungsgebundene Techniken

Ethernet ist die verbreitetste Technik für leitungsgebundene Netze und wird besonders in lokalen Firmen- und Heimnetzen eingesetzt. Bei 10BASE-T, 100BASE-TX und 1000BASE-T gibt die Zahl die theoretische maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 10, 100 beziehungsweise 1000 Mbit pro Sekunde an. Das T steht für Twisted Pair, also verdrilltes Kupferkabel. Die notwendige Kabelqualität ist in Kategorien festgelegt: Für 100 Mbit wird beispielsweise CAT5 verwendet, für 1000 Mbit CAT5e, CAT5+ oder CAT6. Glasfaserstandards sind unter anderem 10BASE-FL, 100BASE-FX, 1000BASE-SX/-LX und verschiedene mit „10GBASE-“ beginnende 10-Gigabit-Standards.

Das ursprüngliche Ethernet-Zugriffsverfahren heißt CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). Ein Rechner prüft zunächst, ob die Leitung frei ist. Senden zwei Rechner gleichzeitig, entsteht eine Kollision. Nach ihrer Erkennung brechen beide die Übertragung ab und versuchen es zu zufälligen späteren Zeitpunkten erneut. Die Adressierung erfolgt über die MAC-Adresse. Heute sind geswitchte Netze häufiger: Switches ermöglichen kollisionsfreien Vollduplex-Betrieb, also gleichzeitiges Senden und Empfangen, und einen höheren Gesamtdurchsatz.

Beim Token Ring wird ein kleines Informationspaket, das Token, in einer genau festgelegten ringförmigen Reihenfolge weitergegeben. Nur der Besitzer des Tokens darf für eine bestimmte Zeit Nutzdaten senden. Dadurch kann jeder Rechner spätestens nach einer berechenbaren Zeit übertragen. Bei Token Ring over Ethernet nutzen alle Rechner ein gemeinsames Ethernet, reichen aber virtuell ein Token weiter. Das vermeidet Kollisionen, verlangt jedoch die Ermittlung und laufende Aktualisierung der Teilnehmer und ihrer Reihenfolge. Die berechenbare maximale Wartezeit ist besonders in sicherheitskritischen Netzen wichtig, beispielsweise in der Automobiltechnik und der Finanzbranche.

PowerLAN nutzt vorhandene Stromleitungen. Mindestens zwei Adapter verbinden Netzwerkgeräte über Steckdosen mit dem Stromnetz. Die Daten werden beim Sender zusätzlich auf die Leitung aufmoduliert und beim Empfänger demoduliert; technisch ist dies eine Trägerfrequenzanlage. Da sich die Daten ähnlich wie Funksignale im Stromnetz verteilen, wird normalerweise Verschlüsselung eingesetzt. Außerdem können PowerLAN und äußere Einflüsse gegenseitig Störungen verursachen.

Funknetze und Hardware

Funknetze lassen sich nach ihrer Organisationsform unterscheiden. Infrastruktur-Netze besitzen feste Einrichtungen: Dazu gehören Mobilfunknetze wie GSM, UMTS oder LTE sowie WLANs im Infrastruktur-Modus. Bei diesen stellt eine Basisstation die Verbindung zu einem leitungsgebundenen Netz her. Besonders verbreitet sind WLANs nach IEEE 802.11.

Ad-hoc-Netze beziehungsweise MANETs benötigen keine zusätzliche Infrastruktur. Geräte können etwa in einem WLAN nach IEEE 802.11 im Ad-hoc-Modus direkt miteinander kommunizieren. Ebenfalls genannt werden Wireless Personal Area Networks (WPAN) mit sehr geringer Reichweite für Geräte in unmittelbarer Umgebung, Bluetooth sowie Netzstrukturen für Sensornetze, die im Artikel als aktuelles Forschungsgebiet bezeichnet werden.

Für die physische und logische Vernetzung sind passive Komponenten wie Antennen, Kabel, Glasfasern, Steckverbinder und Anschlussdosen erforderlich. Hinzu kommen meist aktive Komponenten, welche Signale übertragen, verteilen oder Netze verbinden. Dazu gehören Gateway, Router, Switch und Accesspoint sowie früher auch Hub, Repeater und Bridge. Einige dieser Funktionen können statt durch eigene physische Hardware auch virtuell als Software umgesetzt werden.