Grundlagen der Netzwerktechnik – Ein kurzes Netzwerk Grundlagen Tutorial
Im privaten Bereich und noch viel mehr in der Betriebsstruktur sind Rechnernetze im heutigen Kommunikationszeitalter nicht mehr wegzudenken. Die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine, Maschine und Maschine oder Mensch und Mensch spielt eine zunehmend bedeutende Rolle. Wir lieben es, uns überall mit all unseren Freunden, Bekannten und weniger Bekannten über soziale Netzwerken oder Kommunikations-Apps zu vernetzen. Und auch Entwicklungen in der Industrie wie die Vision von Industrie 4.0 bestätigen den Trend der zunehmenden Kommunikation und die damit einhergehenden steigenden Ansprüche an die Datennetzwerktechnik.
Doch was genau verbirgt sich hinter der Datennetzwerktechnik? Wie kann man sich den Aufbau eines Rechnernetzes vorstellen und welche Hardwarekomponenten werden hierfür benötigt? Was ist der Unterschied zwischen Hub und Switch? Erfahren Sie alles, was Sie über Netzwerktechnik wissen sollten!
- Worauf sollte man beim Netzwerkkomponenten kaufen und Netzwerkkomponenten Zubehör achten?
- Was ist ein Rechnernetz?
- Welche Kommunikationsmodelle liegen der Datennetzwerktechnik zugrunde?
- Wie findet die Kommunikation im Netzwerk statt?
- Wie sind die verschiedenen Netzwerkkomponenten miteinander verbunden?
- Welche Netzwerkkomponenten gibt es?
- Was ist ein Smart Home Gateway?
- Wie wird die Übertragung technisch realisiert?
- Ist Bluetooth ein Netzwerk?
- Wer gehört zu den führenden Netzwerkkomponenten Herstellern?
Aufgrund der hohen Nachfrage haben wir diesen Artikel aktualisiert und um die Fragestellung „Was ist ein Smart Home Gateway?“ und „Ist Bluetooth ein Netzwerk?“ ergänzt.
Worauf sollte man beim Netzwerkkomponenten kaufen und dem Netzwerkkomponenten Zubehör achten?
Haben Sie bereits ein existierendes Netzwerk und möchten dieses ergänzen, sprich eine Netzwerkerweiterung durchführen, oder sind Sie dabei ein neues Netzwerk aufzubauen, dann sollten Sie sich in beiden Fällen zuvor ausgiebig mit den Anforderungen an Ihr Netzwerk befassen.
Besonders wichtig ist es dabei, die Kompatibilität der miteinander zu verbindenden Netzwerk Komponenten und Geräte sicher zu stellen. Auch sollten Sie sich überlegen, wie ausfallsicher und zuverlässig Ihr Netzwerk arbeiten sollte. Ein Heimnetzwerk hat in der Regel beispielsweise wesentlich geringere Anforderungen an die Ausfallsicherheit als ein Firmennetzwerk, von dessen Funktionsfähigkeit das Vorankommen und schließlich der Erfolg eines Unternehmens abhängt.
Arbeiten Sie mit besonders sicherheitsbedürftigen Daten, sollten Sie beim Kauf speziell auf die Sicherheit und die Verschlüsselungsmöglichkeiten Acht geben. Benötigen Sie einen besonders hohen Durchsatz oder eine schnellere Übertragungsgeschwindigkeit, dann gilt es wiederum bereits beim Kabelkauf auf die richtige Übertragungstechnologie zurückzugreifen.
Was ist ein Rechnernetz?
Als Rechnernetz bezeichnet man den Zusammenschluss mehrerer autonomer technischer Geräte für deren Kommunikation untereinander. Zu den vernetzten Geräten können neben Computern auch andere wie Agenten, Aktoren und Sensoren gehören. Das hauptsächliche Ziel eines solchen Kommunikationsnetzes ist die gemeinsame Nutzung der verschiedenen Ressourcen durch die angeschlossenen Geräte.
Ein einfach verständliches Beispiel hierfür ist die gemeinsame Nutzung von Netzwerkdruckern. In einem Haushalt oder einer Abteilung eines Unternehmens muss nicht jeder vorhandene Rechner an einen eigenen Drucker angeschlossen werden, um drucken zu können. Die Idee ist vielmehr einen gemeinsamen Drucker zentral zu positionieren und diesen ins Rechnernetz einzubinden. So kann von jedem Rechner aus gedruckt werden, es wird jedoch nur ein Netzwerkdrucker benötigt.
Weitere Beispiele für Ressourcen sind Datenbanken, Server und Mediendateien. Neben der effizienten Nutzung hat diese Einbindung von Ressourcen ins Netzwerk auch den Vorteil, dass die Netzwerkbenutzer und –Geräte zentral verwaltet werden können.
So können den verschiedenen Nutzern entsprechend zentral Zugriffsberechtigungen erteilt werden und auch die Aktualität der Daten sowie die Vermeidung von Redundanzen kann gewährleistet werden. Mit der gemeinsamen Ressourcennutzung geht als positiver Nebeneffekt auch die Kosteneinsparung einher und das System ist zuverlässiger und ausfallsicherer.
Wie bereits erwähnt, können solche Netze auch zur direkten Kommunikation zwischen den Benutzern genutzt werden. Dies geschieht häufig über einen intern eingerichteten Chat, VoIP-Telefonie, Intranet und per E-Mail. Überträgt man dies in die Industrie, so kann hier zusammengefasst die Steuerung und Kommunikation einer Fabrik über ein Netzwerk erfolgen.
Was sind Nachteile von Rechnernetzen?
Generelle Problembereiche von Rechnernetzen sind:
- Stausituationen
- Übertragungsfehler
- Wegewahl
- Softwareintegration
- heterogene Daten
Diese sind je nach Größe und Bedeutung des Netzwerkes auszuschließen. In einem Privathaushalt ist in der Regel ein Ausfall des Netzwerkes allerhöchstens ein Ärgernis. Wenn die Mitarbeiter eines Versandhauses jedoch einige Zeit nicht auf die Kunden- und Auftragsdaten zugreifen können, dann wird daraus vielmehr ein großer wirtschaftlicher Verlust.
Welche Kommunikationsmodelle liegen der Datennetzwerktechnik zugrunde?
Generell unterscheidet man bei Kommunikationsmodellen in der Datennetzwerktechnik zwischen:
- Client-Server-Modell
- Peer-to-Peer-Kommunikation
Beim sogenannten Client-Server-Modell werden, wie der Name schon verrät, grundsätzlich zwei Rechnertypen unterschieden. Der Server stellt Dienste auf Anfrage des Clients hin bereit, sodass dieser die Antwort schließlich bearbeiten kann.
Ein Beispiel kann mit der Bereitstellung von Datenbankzugriffen gemacht werden: Nehmen wir an, der Client sei eine Angestellte eines Reisebüros. Um zu wissen, ob für einen potenziellen Kunden noch das gewünschte Hotelzimmer für die Buchung frei ist, stellt die Angestellte des Reisebüros die Anfrage an die im Server gehostete Datenbank nach bereits vorhandenen Reservierungen. Gibt der Server ihr nun als Antwort zurück, dass noch keine Reservierung getätigt wurde, kann die Angestellte dem Kunden entsprechend das Hotelzimmer anbieten und buchen.
Internetdienste basieren meist auf solchen Client-Server-Infrastrukturen. Weitere Anwendungsbeispiele hierfür sind die Vermittlung von E-Mails oder die Übermittlung von Webseiten. Neben dem oben beschriebenen und häufig vorkommendem Pull-Ansatz, bei dem ein Client die Kommunikation auslöst, kann der Server auch aktiv Daten an Clients übertragen. Dieser Push-Ansatz kann z. B. genutzt werden, um Meldungen beim Eintreten bestimmter Bedingungen herauszugeben.
Bei Peer-to-Peer hingegen findet die Kommunikation zwischen gleichberechtigten Rechnertypen im Netz statt. Dementsprechend kann jeder Dienste sowohl nutzen als auch bereitstellen. Bekannte Beispiele hierfür sind Chat-Programme sowie Software zum Datenaustausch wie BitTorrent.
Wie findet die Kommunikation im Netzwerk statt?
Um untereinander Informationen austauschen zu können, bedarf es in der Regel eines Zusammenspiels verschiedener Protokolle, wobei jedes Protokoll eine andere Aufgabe ausführt. Ein Protokoll besteht aus einem Satz von Regeln und Formaten, die das Kommunikationsverhalten der beteiligten Geräte bzw. Instanzen in den Geräten festlegen.
Ein Protokoll enthält für gewöhnlich Informationen über dessen Absender und Empfänger, den Typ des Paketes und zur Paketgröße. Sollte eine Übertragung aus mehreren Teilen bestehen, beinhaltet das Paket auch die Information zur laufenden Nummer und zur Gesamtzahl der Pakete. Mithilfe einer übermittelten Prüfsumme kann zudem die fehlerfreie Übertragung des Pakets verifiziert werden.
Da es sich häufig um zahlreiche verschiedene zum Einsatz kommende Protokolle handelt und die Struktur äußerst komplex wird, organisiert man die Protokolle jeweils in Schichten. Jede Schicht einer solchen Netzwerkarchitektur ist dabei für die Erfüllung einer bestimmten Aufgabe zuständig. Komplexere Schichten greifen auf niedriger angesiedelte Protokollschichten zu.
Die Schichten verlassen sich dementsprechend darauf, dass vorhergehende Schichten ihre Aufgabe vollständig erledigt haben. Die Transportschicht beispielsweise verlässt sich darauf, dass das zu übermittelnde Paket vollständig ist. In der Gesamtheit spricht man von einem sogenannten Protokollstapel, der nach dem sogenannten ISO-OSI-Referenzmodell aufgebaut ist.
Was sind die Schichten des OSI-Modells?
Das ISO-OSI-Referenzmodell oder auch OSI-Schichtenmodell unterteilt die Protokolle in die folgenden 7 Schichten:
- Bitübertragungsschicht
- Sicherungsschicht
- Vermittlungsschicht
- Transportschicht
- Sitzungsschicht
- Darstellungsschicht
- Anwendungsschicht
Tipp: Eine Eselsbrücke für die Reihenfolge der Schichten von 7 nach 1 lautet „An dem Samstag trug Verena nen String in Blau.“
Die Bitübertragungsschicht als unterste aller Schichten setzt die Informationen in elektrische Signale um und ist für die mechanische und elektrische Kopplung verantwortlich. Die darauffolgende Sicherungsschicht kümmert sich um die Behandlung von Übertragungsfehlern und ist für die Vermeidung von Überlasten zuständig.
Die dritte Schicht ist die sogenannte Vermittlungsschicht und koordiniert die statische oder dynamische Wegewahl zwischen Sender und Empfänger sowie die Kopplung heterogener Teilnetze. Eine sichere Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen den Prozessen gewährleistet die Transportschicht. Sie ist auch für die Bündelung und die Flussteuerung zwischen den Endsystemen verantwortlich.
Die fünfte Schicht bildet die Sitzungsschicht. Diese Schicht übernimmt Aufgaben der Kommunikationssteuerung wie die Dialogsteuerung und Synchronisation. Die vorletzte Schicht führt die Transformation zwischen Datenformaten, Kompressions- und Verschlüsselungsaufgaben aus und wird daher als Darstellungsschicht bezeichnet.
Die siebte und oberste Schicht des ISO-OSI-Referenzmodells ist die sogenannte Anwendungsschicht. Sie sorgt für die Kommunikation zwischen Anwendungen und die Ausführung spezieller Dienste wie beispielsweise dem Versenden von E-Mails. Nehmen wir also an, dass eine Fabrik über ein Datennetz gesteuert und verwaltet wird, so würden hier im Gesamten eine riesige Anzahl an Protokollen benötigt werden. Mithilfe des Referenzmodells könnten diese entsprechend ihrer Funktion nach den Schichten zugeordnet und strukturiert kategorisiert werden.
Das World Wide Web als bekannteste Rechnernetz arbeitet unter anderem mit dem Transmission Control Protocol (kurz: TCP) und dem Internetprotocol (IP). Doch allein im Internet existieren zahlreiche weitere Protokolle. Daher kann es als Sammlung verschiedener Teilnetze gesehen werden kann, die entsprechend nach dem erläuterten Schichtenmodell klassifiziert werden können.
Wie sind die verschiedenen Netzwerkkomponenten miteinander verbunden?
Die Art und Weise der Verbindung der Netzwerkkomponenten wird als Netzwerktopologie bezeichnet. Hier gilt es die physische und die logische Topologie zu unterscheiden. Die physische Topologie bezeichnet die tatsächliche Verbindung der Knoten durch Übertragungsmedien wie beispielsweise Kabel oder per Funk. Mit der logischen Topologie hingegen ist die Kommunikationsstruktur zwischen den Knoten des Netzes gemeint.
Da die Verbindung verschiedener Rechner zu einem Rechnernetzwerk eine gute Organisation erfordert, wird mit der Topologie die Einteilung vereinfacht dargestellt. Zu den gängigsten Netzwerk-Topologien gehören:
- Stern-Topologie (meist Kleinnetze)
- Baum-Topologie
- vermaschtes Netz
- Ring-Topologie
- Bus-Topologie
- Zell-Topologie (Funknetze)
Unser Telefonnetz beispielsweise ist nach dem System der Stern-Topologie aufgebaut. Jedes der Telefone ist mit einem Verteiler verbunden, keines der Telefone ist jedoch direkt mit einem anderen angebunden. Der Verteiler vermittelt uns innerhalb des Sterns zu dem gewünschten Gerät. Die Zentrale des Telefonanbieters jedoch bildet ein vermaschtes Netz. Hier müssen alle Teilhaber entsprechend miteinander verbunden sein, um problemlos Anrufe an das jeweilige Telefon durchzustellen.
Die unterschiedlichen Topologien unterscheiden sich dabei hauptsächlich im Bezug auf ihre Ausfallwahrscheinlichkeit bei lokalen Störungen und der Geschwindigkeit einzelner Übertragungen. Auch der Durchsatz, also die Möglichkeit paralleler Übertragungen sowie die Skalierbarkeit und der Aufwand für die Implementierung und den Einsatz sind charakterisierend für eine Netzwerk-Topologie.
Welche Netzwerkkomponenten gibt es?
Elementare Netzwerkkomponenten sind Netzwerkkabel. Diese werden je nach Leistungsvermögen und Übertragungsklasse unterschiedlich kategorisiert. Geläufig sind hier vor allem die sogenannten Cat-5-Kabel sowie die Cat-7-Kabel. Der Unterschied der Kategorien liegt hauptsächlich in der möglichen Übertragungsgeschwindigkeit. Cat-5-Kabel eignen sich für die Realisierung von Fast- oder Gigabit-Ethernet während Cat-7-Kabel sogar für die Umsetzung von 10-Gigabit-Ethernet geeignet sind.
Neben Kabeln, Steckern, Festplatten, Netzteilen und Lüftern gibt es verschiedenen Komponenten zur Kopplung von Netzwerken:
Was macht ein Router?
Ein Router sorgt für die Verbindung verschiedener Netze (Vermittlungsschicht des OSI-Referenzmodells) und gewährleistet so das Weiterleiten von Datenpaketen. Von zuhause kennt man beispielsweise den WLAN-Router, der zwischen der kabelbasierten und der funkbasierten Internetanbindung vermittelt und so die Nutzung des WLANs ermöglicht.
Was ist ein Gateway? Eine kurze Gateway Erklärung
Als Gateway oder auch Protokollumsetzer wird allgemein die Kopplung von Netzen mit unterschiedlichen Protokollen bezeichnet. Die Kopplung kann dabei auf einer beliebigen Protokollebene erfolgen. Ein Anwendungsbeispiel für ein Gateway wäre die Umwandlung einer SMS in E-Mail. Die Protokolle sind grundsätzlich nicht kompatibel zueinander, aber ein entsprechendes Gateway könnte die Aufgabe der Übertragung übernehmen.
Was ist eine Netzwerk Bridge?
Unter einer Bridge versteht man die Kopplung von Netzwerkkomponenten (Sicherungsschicht des OSI-Modells). Hierbei müssen vor allem logische Aspekte der Datenübertragung berücksichtigt werden.
Was ist ein Switch?
Die Bezeichnung Switch bedeutet auf Deutsch so viel wie „Weiche“ oder „Umschalter“. Das Kopplungselement sorgt dafür, dass Pakete innerhalb eines Segments an das ihnen bestimmte Ziel kommen. Es wird dabei nur das Zielgerät angeschlossen, sodass das Paket nicht an alle beteiligten Segmente versendet wird.
Was ist ein Hub?
Mit einem Hub wird generell eine rein physische Kopplung der Übertragungsmedien bezeichnet.
Hinweis: Der Unterschied zwischen einem Switch und einem Hub liegen darin, dass der Hub die zentrale Stelle ist, an der die Daten zusammenfließen und der Switch (meist im Hub enthalten) entscheidet, wohin die Daten von diesem Ort aus weitergeleitet werden.
Was ist ein Smart Home Gateway?
Während Datennetzwerktechnik sich im Privathaushalt bis vor ein paar Jahren auf simple Anwendungen wie den Netzwerkdrucker beliefen, erlangt das Thema der Netzwerktechnik in Smart Homes neue Ausmaße. Wer sich etwas schlau macht, stößt schnell auf den Begriff Smart Home-Gateway. Was ist das Smart Home-Gateway und warum ist es so wichtig?
Wie bereits zuvor erwähnt, trägt ein Gateway zur Kopplung verschiedener Systeme bei, indem es die ausgetauschten Daten „übersetzt“ und weiterleitet. Das Gateway ist beim Thema Smart Home also deshalb so wichtig, weil es als Schnittstelle fungiert und mit den verschiedenen Smart Home-Produkten und deren Kommunikationsstandards kompatibel sein muss.
Ist Ihr Heizkörperthermostat also beispielsweise Teil des ZigBee-Netzes, muss das Gateway die Temperaturwerte ins WLAN transferieren können, damit Sie Ihnen auf Ihrem Smartphone angezeigt werden.
Das Smart Home-Gateway ist zudem die Steuerzentrale im Smart Home. Hier werden alle von den Sensoren im Smart Home gemessenen Daten gesammelt und verarbeitet. Ist eine Aktion nötig, übermittelt das Gateway die erforderlichen Daten an das entsprechende Gerät. Sind die Temperaturwerte in einem Raum zu hoch, übermittelt es beispielsweise dem Heizungsregler, dass die Heizung heruntergedreht werden muss.
In Smart Home-Systemen mit Anbindung per Cloud dient das Gateway als Verbindungsstelle zwischen den Smart Home-Geräten und der Cloud.
Wie wird die Übertragung technisch realisiert?
Die Übertragungswege sind generell in leitungsgebundene Netze und Funknetze zu unterscheiden. Die am meisten verbreitete Technik bei den leitungsgebundenen Netzen ist das sogenannte Ethernet. Es wird vor allem für private Netzwerke in Haushalten und für lokale Firmennetze genutzt. Die Übertragungsgeschwindigkeit hängt dabei davon ab, ob Kupferkabel oder die schnelleren Glasfaserverbindungen zur Realisierung eingesetzt werden.
PowerLAN und Token-Ring sind weitere Übertragungstechniken für leitungsgebundene Netze. Zu den gängigen Technologien für Funknetze gehören Infrastrukturnetze wie Mobilfunknetze (GSM, UMTS), WLANs und Bluetooth-basierte Technologien.
Ist Bluetooth ein Netzwerk?
Bluetooth ist ein Funkstandard wie beispielsweise auch WLAN. Es können mehrere Geräte aneinandergekoppelt werden, sodass ein Funknetzwerk entsteht. In einem Bluetooth-Netzwerk kommunizieren die Geräte, ohne ein Verbindungskabel oder einen Router zu benötigen.
Die Bluetooth Special Interest Group entwickelte Bluetooth als Industriestandard bereits gegen Ende der 90er Jahre. Ausgelegt ist der Funkstandard für kurze Distanzen und er ist in vielen Geräten wie Smartphones, Lautsprechern, Kopfhörern, Smartwatches verbaut.
Die Funktionsweise von Bluetooth lässt sich leicht erklären: In den Bluetooth-fähigen Geräten ist ein Chip eingebaut, der Bluetooth-Signale sendet und empfängt. Eindeutig identifizieren lässt sich jedes Bluetooth-Gerät über eine 48-Bit-Seriennummer. Diese sendet es bei aktiviertem Bluetooth nach außen. Die anderen Bluetooth-Geräte in Reichweite des sendenden Geräts empfangen die Seriennummer und können sich auf eine Bestätigung des Benutzers hin damit verbinden.
Wie kann man Bluetooth aktivieren?
Egal, ob Headset, Smartphone oder sonstiges Bluetooth-Gerät, das Prinzip ist immer ähnlich: Möchte man zwei Geräte per Bluetooth miteinander verbinden, muss an beiden zuerst die Bluetooth-Funktion aktiviert werden. Gibt es dafür keine Schnelltaste, kann Bluetooth über die Einstellungen eingeschaltet werden.
Auf dem Smartphone wird beispielsweise eine Liste aller Bluetooth-Geräte in der Umgebung angezeigt. Es gilt nur noch, das richtige Gerät auszuwählen und schon werden die Geräte aneinandergekoppelt.
Hinweis: Denken Sie daran die Bluetooth-Funktion zu deaktivieren, wenn Sie sie gerade nicht benötigen. Das spart nicht nur Strom, sondern schützt Ihr Gerät auch vor unerwünschten Zugriffen.
Wer gehört zu den führenden Netzwerkkomponenten Herstellern?
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