Netz: Netzwerk-Strukturen

Die Komplexität eines Netzwerks wächst mit der Anzahl zu verbindender Komponenten. Zwei Rechner lassen sich einfach mittels eines gekreuzten Kabels verbinden. Kommt jedoch noch ein dritter hinzu, so bieten sich als Lösungen der Einsatz eines Hubs oder eines Switches an.

Hängen nun gar tausend Rechner an einem Strang, spielen plötzlich Faktoren wie Netzwerkbandbreite oder Ausfallsicherheit eine Rolle, die im privaten Netzwerk niemals zu einem Problem würden. Stellen Sie sich vor, Sie säßen mit 900 anderen Leuten in einem großen Raum. Allmählich bilden sich kleine Diskussionsrunden zu je zwei Teilnehmern. Je mehr Gespräche in Gang kommen, desto höher wird die Lautstärke. Bald wird der Geräuschpegel eine Schwelle überschreiten, bei dem Sie ihrem Gegenüber nur noch unvollständig folgen können.

Ebenso verhält es sich in der Computerwelt. Drängeln sich zu viele Rechner um die Bandbreite eines Netzwerkes, wird es irgendwann zu einer Sättigung kommen, wo dann ein beachtlicher Teil der Kommunikation einzig dazu dient, fehlerhafte Daten erneut auszutauschen, weil einzelne Pakete durch gleichzeitiges Senden mehrerer Rechner kollidierten und damit unbrauchbar wurden.

Heute ist es unmöglich, eine pauschale Grenze anzugeben, wie viele Rechner in einem Netzwerk integriert sein sollten. Das hängt ebenso stark vom Nutzungsprofil ab, wie auch von der Bandbreite des Übertragungsmediums und weiterer Faktoren.

Das LAN

LAN (Local Area Network) hat sich im Sprachgebrauch als Begriff für ein lokales Netz etabliert. Was aber bedeutet lokal? Lokal hat zunächst einmal etwas mit der räumlichen Ausdehnung zu tun. Genauso wie sich mancher Mitbürger kaum mehr vorstellen kann, dass Distanzen über 2 Kilometer durchaus mit den eigenen Füßen überbrückt werden können, während der geübte Wanderer erst jenseits der 50 km eine Beanspruchung verspürt, genauso weit gestreut ist die Definition von der Ausdehnung eines lokales Netzwerks. Es reicht von wenigen Metern bis zu 5 km, wobei die Grenzen fließend sind.

Ein weiteres Kriterium eines lokalen Netzes ist sein homogener Aufbau, da (fast immer) alle Rechner durch ein und dieselbe Technologie miteinander verbunden sind. Wichtigster Vertreter der LAN-Technik ist das Ethernet.

Topologien

Die Topologie beschreibt die logische Verbindungsstruktur eines Netzwerks. In der Theorie scheint dies eindeutig. Praktisch finden sich häufig Mischformen, deren eindeutige Zuordnung zu einer Topologie eine Frage der Betrachtungsweise ist.

Die klassischen Topologien im LAN:

Bus Topologie

Fakt ist, dass die Busstruktur das verbreitetste Schema der Rechnerverbindung darstellt. Alle Rechner eines Netzwerks teilen sich denselben Bus, genauso wie es rechnerintern Prozessor, Speicher und Peripherie handhaben. Analog zum Systembus eines Computers ist auch die mögliche Anzahl der Rechner an einem Netzwerk-Bussystem? begrenzt. Kritisch bei Bussystemen ist die Zugangssteuerung zum Verbindungsmedium, da zu einem Zeitpunkt stets nur eine Verbindung aktiv sein kann. Die typische Verfahren ist die Erkennung von Kollisionen im Ethernet.

Ring Topologie

Vor allem mit Token-Ring? hat bei lokalen Netzwerken die Ring- Topologie eine gewisse Verbreitung erlangt. Ein Rechner kann (theoretisch) nur mit seinen unmittelbaren Nachbarn kommunizieren. Eine Verbindung zu weiteren Rechnern im Ring gelingt nur unter Verwendung der Zwischenrechner als Vermittlerstationen. Ring- Netzwerke arbeiten ausschließlich mit „Token“, einem Rahmen, der fortwährend im Ring kreist und in den ein Rechner - insofern das Token nicht belegt ist - seine Nachricht platzieren kann. Der Zielrechner entnimmt dem Token die Daten und markiert dieses wieder als frei, so dass ein anderer sendewilliger Rechner es erneut belegen kann.

Stern Topologie

Die Beschreibung der Sternstruktur ist simpel: Jeder Rechner im Netzwerk ist direkt mit der zentralen Komponente verbunden, welche im einfachsten Fall auf einer Leitung eintreffender Daten diese auf alle anderen Leitungen durchreicht. Betrachtet man die Struktur realer Ethernet- und Token-Ring? Netzwerke, wird man immer wieder auf Analogien zur Sternstruktur stoßen.

Ein auf Ethernet basierendes LAN größeren Umfangs besteht nur selten aus einem einzelnen Bussystem. In der Regel werden mehrere solcher Busse gekoppelt, häufig gar in einer zentralen Komponente (als Hub oder Switch bezeichnet), so dass tatsächlich eine Sternstruktur resultiert. Je nach Intelligenz fügt sie die einzelnen Stränge des Netzes zu einem großen Bussystem zusammen, indem sie alle Daten in jeden Anschluss einspeist oder aber sie filtert die Pakete und reicht sie nur in den Teil des Netzwerks weiter, in dem der Empfängerrechner liegt.
Die Elemente eines Netzwerks
Passive Komponenten

RJ45 Kabel

Zu den passiven Bauelementen zählen die Steckverbindungen und Kabel. Erstere werden in lokalen Netzwerken in den Ausführungen BNC und RJ45 angeboten. BNC wird im Zusammenhang mit „10base2“ Koaxial- Kabel benutzt. Die Anbindung einer Station erfolgt durch Auftrennung des Kabels und Einfügen eines BNC T-Stücks?. Im Falle dieser klassischen Bus-Topologie? müssen alle freien Enden durch einen Abschlusswiderstand geschlossen werden, da Pakete ansonsten an diesen reflektiert werden und nachfolgende Pakete damit verwischen würden.







RJ45 ist die zum 10BaseT und 100baseT (Shielded Twisted Pair) Anschluss passende Verbindung. Im Zusammenhang mit Ethernet bedingen Twisted-Pair? Kabel den Einsatz von aktiven Verteilerelementen, um die einzelnen Stationen miteinander zu verbinden (daraus resultiert eine Sternstruktur).
Die Leistungsdaten eines Netzwerks werden durch die Kabel bestimmt, die Ausführung der Steckverbindungen ist letztlich irrelevant.

Wegen fehlender Unterstützung von Hochgeschwindigkeitstechnologien nimmt die Verbreitung des Einsatzes von Koaxial-Kabeln? rapide ab. Die dickere Ausführung ("Yellow Cable") ist gar noch seltener anzutreffen als das schlankere Thin-Wire? Koax. Auch zeigte die Praxis, dass der Aufbau von Netzwerken, die aus vielen kleinen Segmenten bestehen, sowohl den möglichen Durchsatz als auch die Ausfallsicherheit erhöht. Bei beiden Typen von Koaxialkabeln ist die Übertragungsgeschwindigkeit auf maximal 10 MBit/s begrenzt.

Hub

In der heutigen Netzwerktechnik kommen Hubs praktisch bei allen Netzwerktypen zum Einsatz. Sie werden in der Regel für die Optimierung der Verbindung zwischen Endgeräten und den einzelnen Netzwerksegmenten eingesetzt. Mit einem Hub soll die Leistungsfähigkeit des gesamten Netzwerks erhöht werden, ohne dazu jedoch die einzelnen Segmente anpassen oder ändern zu müssen.

4-Port Hub

Der Begriff "Hub" steht für fast alle Verstärkerkomponenten, die eine sternförmige Vernetzung ermöglichen. Hubs haben immer mehrere Ports zum Anschluss von mehreren Rechnern. Bei Twisted-Pair? Verkabelung ist meist einer der Ports als "Uplink" schaltbar. Auf diese Weise lassen sich die Hubs kaskadieren. Typisch sind Hubs mit 4, 8, 12, 16, 24 und 32 Ports.

Beim Verknüpfen verschiedener Netzwerke zu einem größeren System kommt der Stern Topologie ein großes Gewicht zu. Diese garantiert beim Ausfall eines Gerätes im Netzwerk, dass alle anderen angeschlossenen Teilnehmer nicht beeinträchtigt werden. Um ein Netzwerk zu erweitern bedarf es der Vernetzung mehrerer Hubs. Für sämtliche Konfigurationsmöglichkeiten gilt, dass unbedingt die sogenannte 5-Segmente-Regel eingehalten wird. So muss der Aufbau von Ethernet- LANs mit Hubs (Sternverteilern) stets nach den gleichen Regeln erfolgen. Aus der 5-Segment- Regel ergibt sich, dass zwischen dem Sender und dem Empfänger maximal fünf Segmente einschließlich Hub-zu-Hub? Verbindungen liegen dürfen. Des Weiteren dürfen maximal vier Hubs eingesetzt werden, und zwischen dem Sender und dem Empfänger dürfen maximal drei Segmente mit angeschlossenen Endgeräten liegen.

Bridge

Eine Bridge trennt zwei Ethernet- LANs physikalisch, Störungen wie z.B. Kollisionen und fehlerhafte Pakete gelangen nicht über die Bridge hinaus. Die Bridge ist protokolltransparent, d.h. sie überträgt alle auf dem Ethernet laufenden Protokolle. Die beiden beteiligten Netze erscheinen also für eine Station wie ein einziges Netz. Sie werden auch in diesem Sinne zum Trennen von sogenannten Kollisions- Domänen (collision domain) eingesetzt. Informationen, die zwischen Knoten auf einer Seite der Bridge ausgetauscht werden, können nicht auf der anderen Seite der Bridge abgehört werden.

Trotz dieser offensichtlichen Vorteile werden Bridges heutzutage kaum noch eingesetzt. Sie sind vielmehr von den Switches verdrängt worden!

Switch

Der Switch ist wie die Bridge ein Gerät der Ebene 2, d.h. er kann LANs mit verschiedenen Eigenschaften verbinden. Ein Switch ist somit protokolltransparent. Jeder Port eines Switches bildet ein eigenes Netzsegment. Jedem dieser Segmente steht die gesamte Netzwerk-Bandbreite? zu Verfügung. Dadurch erhöht ein Switch nicht nur - wie die Bridge - die Netzwerk-Performance? im Gesamtnetz, sondern auch in jedem einzelnen Segment. Der Switch untersucht jedes durchlaufende Paket auf die Adressen des Zielsegmentes und kann es direkt dorthin weiterleiten. Der große Vorteil eines Switches liegt nun in der Fähigkeit seine Ports direkt und paketorientiert miteinander zu verschalten.

8-Port Switch

Zwischen den einzelnen Ports können Pakete mit maximaler Ethernet-Geschwindigkeit? übertragen werden. Wesentlich ist die Fähigkeit von Switches, mehrere Übertragungen zwischen unterschiedlichen Segmenten gleichzeitig durchzuführen. Dadurch erhöht sich die Bandbreite des gesamten Netzes entsprechend.

Der Ethernet Switch wartet im Gegensatz zu normalen Bridges nicht, bis er das vollständige Paket gelesen hat, sondern er überträgt das ankommende Paket nach Empfang der Zieldresse. Da nicht das gesamte Paket bearbeitet werden muss, tritt eine Zeitverzögerung von wenigen Mikrosekunden ein. Sollte das Zielsegment bei der Übertragung gerade belegt sein, speichert der Ethernet Switch das Paket entsprechend zwischen. Bei den Switches werden mit wenigen Ausnahmen fehlerhafte Pakete auch auf das andere Segment übertragen. Grund hierfür ist, dass die Prüfung der Prüfsummen erst bei vollständig gelesenem Paket durchgeführt werden kann. Solange der Prozentsatz von fehlerhaften Paketen im Netz gering ist, entstehen keine Probleme. Sobald aber (z.B. auf grund eines Konfigurationsfehlers, fehlerhafter Hardware oder extrem hoher Netzlast der Prozentsatz der Kollisionen steigt, können Switches auch dazu führen, dass die Leistung des Gesamtnetzes deutlich sinkt.

Unterschiede Hub - Switch

Hub

• Es kann immer nur ein Datenpaket nach dem anderen den Hub passieren.
• Geschwindigkeit 10 oder 10/100 Mb/s bei Dual Speed Hubs, oft jedoch ohne Verbindung zwischen dem 10 und dem 100 Mb/s Teil.
• Hubs wissen nicht, an welchem Port welche Station angeschlossen ist, sie können es auch nicht lernen.
• Hubs müssen nicht konfiguriert werden.

Switch

• Mehrere Datenpakete können den Switch gleichzeitig passieren
• Die Gesamtbandbreite (der Datendurchsatz) ist wesentlich höher als bei einem Hub.
• Switches lernen nach und nach, welche Stationen mit welchen Ports verbunden sind, somit werden bei weiteren Datenübertragungen keine anderen Ports unnötig belastet, sondern nur der Port, an dem die Zielstation angeschlossen ist.
• Geschwindigkeiten sind heute 10, 10/100 oder 1000 MBit/s (Gigabit Ethernet).
• Switches müssen nicht konfiguriert werden.
• Längst preisgünstiger als Hubs

Router

Große Netzwerke wie das Internet bestehen aus vielen kleineren Teilnetzwerken. Die Verbindung der verschiedenen Netze wird durch spezielle Router hergestellt. Diese haben die Aufgabe, Daten zwischen Rechnern in verschiedenen Netzen auf möglichst günstigen Wegen weiterzuleiten. Zum Beispiel wenn Rechner 1 im Netz B Daten an Rechner 2 im Netz C schicken möchte.

Router verbinden, im Gegensatz zu Bridges, in OSI-Schicht 3 auch Netze unterschiedlicher Topologien. Sie sind Dreh- und Angelpunkt in strukturiert aufgebauten LAN- und WAN- Netzen. Mit der Fähigkeit, unterschiedliche Netztypen sowie unterschiedliche Protokolle zu routen, ist eine optimale Verkehrslenkung und Netzauslastung möglich. Routing wird erst dann erforderlich, wenn Kommunikation zwischen Stationen in unterschiedlichen Subnetzen erfolgen soll. Sie sind nicht protokolltransparent, sondern müssen in der Lage sein, alle verwendeten Protokolle zu erkennen, da sie Informationsblöcke protokollspezifisch umsetzen. Klassisches Beispiel in Heimnetzen sind die ISDN- oder DSL- Router, welche die Verbindung zum Internet Provider herstellen.

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