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Galileo Computing - Professionelle Buecher. Auch fuer Einsteiger.
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Kompendium der Informationstechnik
 von Sascha Kersken
EDV-Grundlagen, Programmierung, Mediengestaltung
Buch: Kompendium der Informationstechnik
gp Kapitel 12 Grundlagen der Netzwerktechnik
  gp 12.1 Was ist ein Netzwerk?
    gp 12.1.1 Paketvermittelte Datenübertragung
    gp 12.1.2 Entstehung von Netzwerken
    gp 12.1.3 Die weitere Entwicklung
  gp 12.2 Funktionsebenen von Netzwerken
    gp 12.2.1 Das OSI-Referenzmodell
    gp 12.2.2 Das Schichtenmodell der Internetprotokolle
    gp 12.2.3 Netzwerkkommunikation über die Schichten eines Schichtenmodells
  gp 12.3 Klassifizierung von Netzwerken
    gp 12.3.1 Die Reichweite des Netzwerkes
    gp 12.3.2 Die Netzwerktopologie
    gp 12.3.3 Der Zentralisierungsgrad des Netzwerkes
  gp 12.4 Zusammenfassung

gp

Prüfungsfragen zu diesem Kapitel (extern)


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12.2 Funktionsebenen von Netzwerken  downtop

Wie bereits in der Einleitung mehrfach angedeutet wurde, besteht ein gewisses Problem beim Verständnis von Netzwerken darin, dass einige sehr verschiedene Aspekte zu ihrem Funktionieren beitragen. Schon ganz zu Beginn haben Sie eine grobe Unterteilung in die drei Ebenen Verkabelung oder allgemeine Netzwerkhardware, Kommunikationsstrukturen beziehungsweise Netzwerkprotokolle und schließlich Anwendungen eines Netzwerkes kennen gelernt.

Eine so ungenaue Einteilung lässt die grundsätzliche Schwierigkeit erkennen, reicht aber nicht ganz aus, um Netzwerke in all ihren Bestandteilen zu begreifen, und schon gar nicht, um verschiedene Arten von Netzwerken miteinander zu vergleichen. Auch die Tatsache, dass ein und dieselbe Komponente auf einer bestimmten Ebene wahlweise mit mehreren unterschiedlichen Elementen einer anderen Funktionsebene zusammenarbeiten kann, wird so noch nicht transparent genug.


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12.2.1 Das OSI-Referenzmodell  downtop

Um die Ebenen, die ein Netzwerk ausmachen, ganz genau auseinander halten zu können, bedient man sich so genannter Schichtenmodelle (layer models). Das bekannteste und verbreitetste von ihnen ist das OSI-Referenzmodell der internationalen Standardisierungsorganisation ISO. OSI steht für Open Systems Interconnect, also etwa »Verbindung zwischen offenen Systemen«. Das Modell wurde 1978 entworfen und besteht aus sieben übereinander angeordneten Schichten, die jeweils einen Aspekt der Netzwerkkommunikation beschreiben. Ganz unten ist die Hardware angesiedelt, ganz oben befindet sich die Anwendung des Netzes. Hier zunächst die Schichten des OSI-Modells im Überblick, die Beschreibung folgt danach:

Die einzelnen OSI-Schichten

1. Bitübertragungsschicht (Physical Layer)
       
2. Sicherungsschicht (Data Link Layer)
       
3. Vermittlungsschicht (Network Layer)
       
4. Transportschicht (Transport Layer)
       
5. Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer)
       
6. Darstellungsschicht (Presentation Layer)
       
7. Anwendungsschicht (Application Layer)
       

Das OSI-Modell selbst ist keineswegs ein Netzwerkprotokoll, also ein konkreter Standard für den Netzwerkbetrieb. Vielmehr geht es darum, zu beschreiben, welche Dinge für das Funktionieren des Netzwerkes geregelt werden müssen. Dadurch wird es überhaupt erst möglich, für verschiedene Netzwerke einen Vergleich bezüglich der Art ihrer Regelung anzustellen.

Die Bedeutung der einzelnen Schichten des OSI-Modells

1. Die Bitübertragungsschicht oder auch physikalische Schicht beschreibt nur, wie die reine Übertragung der Daten elektrisch beziehungsweise allgemein physikalisch vonstatten geht. Es werden Netzwerkkarten und -kabel beschrieben, außerdem muss zwischen den Netzwerkstationen Einigkeit über die Bedeutung bestimmter physikalischer Sachverhalte herrschen.
       
2. Die Sicherungsschicht beschreibt alle Vorkehrungen, die dafür sorgen, dass aus den einzelnen zu übertragenden Bits, also dem reinen physikalischen Stromfluss, ein verlässlicher Datenfluss wird. Dazu gehören die beiden Teilaufgaben Media Access Control (MAC) – die Regelung des Datenverkehrs, wenn mehrere Geräte den gleichen Kanal verwenden – sowie Logical Link Control (LLC), wobei es um die Herstellung und Aufrechterhaltung von Verbindungen zwischen den Geräten geht.
       
3. Die Netzwerkschicht oder Vermittlungsschicht definiert diejenigen Komponenten und Protokolle des Netzwerkes, die an der indirekten Verbindung von Computern beteiligt sind – hier ist so genanntes Routing erforderlich, das Weiterleiten von Daten in andere logische oder auch physikalisch inkompatible Netzwerke. So gehören zum Beispiel auch alle diejenigen Protokolle zur Netzwerkschicht, die die logischen Computeradressen der höheren Schichten in die physikalischen Adressen umsetzen.
       
4. Die Protokolle der Transportschicht zerlegen die Daten in kleinere Einheiten, die so genannten Datenpakete, und sorgen dafür, dass diese Pakete – ungeachtet der physikalischen Verhältnisse auf dem Weg – vollständig und fehlerfrei am Ziel ankommen.
       
5. Die Kommunikationssteuerungsschicht oder Sitzungsschicht stellt die Kommunikation zwischen kooperierenden Anwendungen oder Prozessen auf verschiedenen Rechnern sicher.
       
6. Die Darstellungs- oder Präsentationsschicht dient der Konvertierung und Übertragung von Datenformaten, Zeichensätzen, grafischen Anweisungen oder Dateidiensten.
       
7. Die Anwendungsschicht schließlich definiert die unmittelbare Kommunikation zwischen den Benutzeroberflächen der Anwendungsprogramme, kümmert sich also um die Verwendung derjenigen Dienste über das Netzwerk, die Benutzer unmittelbar zu Gesicht bekommen.
       

Unterschied zur Praxis

Da das OSI-Modell eine Zusammenstellung von möglichen Fähigkeiten für viele verschiedene Arten von Netzwerken darstellt, kann es natürlich vorkommen, dass die eine oder andere Schicht in einem bestimmten Netzwerk wichtiger ist als eine andere oder dass zum Beispiel ein Protokoll Funktionen zweier Schichten abdeckt oder auch nur eine Teilfunktion einer Schicht erbringt. Um diese Umstände deutlich zu machen, wendet man häufig anders aufgeteilte Schichtenmodelle an mit meist weniger, selten mehr Schichten, gerade dann, wenn es um die konkrete Beschreibung einer bestimmten Art von Netzwerk geht.


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12.2.2 Das Schichtenmodell der Internetprotokolle  downtop

Im Bereich der TCP/IP-Netzwerkprotokolle, die unter dem Betriebssystem UNIX und im Internet den Standard darstellen, wird zum Beispiel häufig ein Modell aus nur vier Schichten verwendet. Dies wird dem Wesen dieser Protokolle auch wesentlich eher gerecht als das OSI-Modell, denn die Internetprotokolle sind bereits einige Jahre älter als OSI.

Die vier Schichten bei TCP/IP-Netzwerken nach dem DDN Standard Protocol Handbook sind:

1. Netzzugangsschicht
       
2. Internetschicht
       
3. Host-zu-Host-Transportschicht
       
4. Anwendungsschicht
       

Diese vier Schichten sind den konkreten Gegebenheiten von TCP/IP-Netzwerken angepasst, bei denen es zum Beispiel nur theoretisch möglich ist, von einer separaten Sitzungsschicht zu sprechen.

Das OSI-Referenzmodell kann mit dem DDN-Schichtenmodell deshalb nur grob in Beziehung gesetzt werden. Tabelle 12.1 zeigt, wie ein solcher Vergleich ungefähr aussehen aussehen könnte.


Tabelle 12.1   Vergleich zwischen dem OSI-Referenzmodell und dem DDN-Schichtenmodell der Internet-Protokolle

OSI-Modell DDN-Modell
7. Anwendungsschicht  
6. Darstellungsschicht 4. Anwendungsschicht
5. Sitzungsschicht  
4. Transportschicht 3. Host-zu-Host-Transportschicht
3. Vermittlungsschicht 2. Internetschicht
2. Sicherungsschicht 1. Netzzugangsschicht
1. Bitübertragungsschicht

Die Bedeutung der Schichten des DDN-Modells

1. Die Netzzugangsschicht beschreibt, wie die physikalische Datenübertragung erfolgt. Die Aufgaben, die auf dieser Schicht zu erledigen sind, werden durch viele, recht unterschiedliche Protokolle erbracht, einfach deshalb, weil es kaum eine Sorte von Netzwerkhardware gibt, auf der die Internetprotokolle noch nicht implementiert worden wären. Die eigentlichen Kernprotokolle, zu denen besonders die Namensgeber der Protokollfamilie gehören, also das Transmission Control Protocol (TCP) und das Internet Protocol (IP), kümmern sich überhaupt nicht um die physikalischen Verhältnisse. Damit dies möglich ist, müssen auf dieser untersten Schicht die Bitübertragung und die Transportsicherung zuverlässig zur Verfügung gestellt werden.
       
    Auf diese Weise entspricht die Netzzugangsschicht der Internetprotokolle den beiden untersten Schichten von OSI.
       
2. Die Internetschicht, die im Wesentlichen der Vermittlungsschicht des OSI-Modells ähnelt, kümmert sich um die logische Adressierung der Rechner im Netz, durch die die grundsätzliche Identifizierbarkeit des jeweiligen Rechners sichergestellt wird. Eine weitere wichtige Aufgabe auf dieser Ebene ist das Routing, also die Weiterleitung von Daten über verschiedene physikalisch und/oder logisch getrennte Netze hinweg. Grundlage dieser Tätigkeiten ist das IP-Protokoll (Internet Protocol). Es definiert die IP-Adressen, 32 Bit große Nummern1, die den einzelnen Rechnern zugewiesen werden, und die der Unterscheidung der einzelnen Netzwerke und der Rechner in ihnen dienen. Außerdem versieht es jedes Datenpaket mit einem Header, also einer Zusatzinformation, die insbesondere die Quelladresse des sendenden Rechners und die Zieladresse des empfangenden Hosts enthält. Ein Datenpaket dieser Ebene wird als Datagramm bezeichnet.
       
3. Die Host-zu-Host-Transportschicht kümmert sich um den zuverlässigen Datenaustausch zwischen den kommunizierenden Rechnern. Im Wesentlichen sind hier zwei verschiedene Protokolle verantwortlich (neben anderen, selten verwendeten). Diese beiden Protokolle werden jedoch niemals gleichzeitig, sondern immer alternativ verwendet. Das einfachere und weniger robuste UDP (User Datagram Protocol) stellt einen schlichten und wenig datenintensiven Mechanismus zur Verfügung, der die direkte Nutzung der IP-Datagramme für die Host-zu-Host-Kommunikation erlaubt. Hierbei wird keine virtuelle Verbindung zwischen den beiden Rechnern hergestellt; es findet also keine Kontrolle über einen kontinuierlichen Datenstrom statt. Das erheblich komplexere TCP (Transmission Control Protocol) hat zwar einen deutlich größeren Overhead (Daten-Mehraufwand durch Verwaltungsinformationen) als UDP, stellt aber dafür einen zuverlässigen Transportdienst dar: Es wird eine virtuelle Verbindung zwischen den beiden Hosts hergestellt. Sie besteht darin, dass die Datenpakete durchnummeriert werden und eine Übertragungskontrolle und eventuelle Neu-Übertragung jedes einzelnen Pakets stattfindet. Ob eine Anwendung nun UDP oder TCP verwendet, ist nur von dieser Anwendung selbst abhängig. Allgemein verwenden Dienste, die kontinuierlich größere Datenmengen transportieren müssen, eher TCP, während etwa Verwaltungs- und Konfigurationsdienste tendenziell UDP benutzen.
       
    Im Vergleich zum OSI-Modell nimmt die Host-zu-Host-Transportschicht insbesondere die Aufgaben der OSI-Transportschicht wahr; je nach konkretem Protokoll können auch Funktionen der Sitzungsschicht ausgemacht werden.
       
    Der Begriff Host (Gastgeber) bezeichnet übrigens jeden Computer, der an ein Netzwerk angeschlossen ist und mit anderen Geräten kommuniziert. Es ist keine Bezeichnung für einen expliziten Dienstleistungsrechner, dieser wird Server genannt. Der Host muss lediglich vom Router abgegrenzt werden, der Pakete nicht für sich selbst entgegennimmt, sondern an andere Netze weiterleitet. Da das Routing jedoch eine Ebene weiter unten stattfindet, ist es ein auf dieser Schicht unsichtbares Detail – die Transportschicht ist nur für Rechner relevant, die Daten für den Eigenbedarf benötigen.
       
4. Die Anwendungsschicht schließlich definiert die Kommunikation zwischen den Anwendungsprogrammen auf den einzelnen Rechnern. Insofern entspricht sie der gleichnamigen obersten Schicht des OSI-Referenzmodells, wobei auch einige Komponenten von dessen Darstellungsschicht mit hineinspielen. Beispielsweise bedarf HTML-Code, der von einer Webserver-Anwendung aus geliefert wird, der Interpretation durch einen Browser; hier würde der HTML-Code selbst eher der Darstellungsschicht, die Browseranwendung aber der OSI-Anwendungsschicht entsprechen.
       

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12.2.3 Netzwerkkommunikation über die Schichten eines Schichtenmodells  toptop

In diesem Abschnitt wird erläutert, wie die Kommunikation über die Schichten von Schichtenmodellen funktioniert. Dazu werden zwei Beispiele angeboten: Das erste ist ein Alltagsbeispiel, das mit Computernetzwerken nichts zu tun hat, während das zweite ein einfaches Beispiel der Netzwerkkommunikation darstellt.

Ein Alltagsbeispiel

Neben der Datenübertragung im Netzwerk lassen sich auch völlig andere Arten der Kommunikation in Schichten gliedern. Beispielsweise kann die Kommunikation zwischen Gesprächspartnern am Telefon folgendermaßen unterteilt werden:

1. Die beiden Telefone sind physikalisch über eine Telefonleitung miteinander verbunden.
       
2. Die Verbindung zwischen den Telefonanschlüssen kommt dadurch zustande, dass einer der beiden Teilnehmer die eindeutige Nummer des anderen wählt, und der andere das Gespräch annimmt.
       
3. Über die Telefonleitung werden Informationen in Form von elektromagnetischen Impulsen übertragen, beim klassischen Telefonnetz analog, bei ISDN dagegen digital.
       
4. An den beiden Endpunkten der Kommunikation sprechen die Gesprächspartner in ihre jeweilige Sprechmuschel hinein; die akustischen Signale werden in elektromagnetische Impulse umgewandelt (bei ISDN kommt noch die Analog-Digital-Wandlung hinzu). Umgekehrt hört ein Teilnehmer aus der Hörmuschel wiederum akustische Signale, die aus den übertragenen Impulsen zurückverwandelt wurden.
       
5. Die akustischen Signale, die die Gesprächspartner miteinander austauschen, werden zu Silben, Wörtern und schließlich Sätzen kombiniert.
       
6. Aus den einzelnen Bestandteilen der Sprache ergibt sich schließlich der eigentliche Inhalt der Nachrichten, die miteinander ausgetauscht werden.
       

Möglicherweise besteht dieses Kommunikationsmodell sogar aus noch mehr Schichten: Angenommen, die beiden Gesprächspartner sind leitende Angestellte oder gar Direktoren eines großen Unternehmens. Dann wird in aller Regel auf beiden Seiten eine Sekretärin die Gesprächsvermittlung vornehmen, möglicherweise ist sogar noch eine Telefonzentrale involviert.

Höhere Schichten als Abstraktion

Dieses einfache Beispiel zeigt deutlich, dass alle Ebenen, die sich oberhalb der untersten, also der physikalischen Ebene befinden, nur Abstraktionen darstellen, durch die den übertragenen Signalen jeweils ein neuer Sinnzusammenhang zugeordnet wird. Die eigentliche Verbindung erfolgt nämlich stets nur auf dieser untersten Ebene! Für jedes Schichtenmodell daher zusammenfassend Folgendes:

Die Daten, die über einen Kommunikationskanal übertragen werden sollen, werden auf der Seite des Senders zunächst Schicht für Schicht nach unten weitergereicht und jeweils mit den spezifischen Zusatzinformationen für diese Schicht versehen. Schließlich werden sie über die unterste Schicht, die eigentliche physikalische Verbindung, übertragen. Auf der Empfängerseite werden sie dann wieder schichtweise nach oben weitergeleitet. Jede Schicht ermittelt die für sie bestimmten Informationen und regelt je nachdem die Weiterleitung an die nächsthöhere Schicht.


Abbildung 12.1   Schichtenmodell eines Telefongesprächs. Die tatsächliche Verbindung besteht nur auf der Ebene der Telefonleitung!

Abbildung
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Was in dem Telefonbeispiel geschieht, ist schematisch in Abbildung 12.1 dargestellt. Während die Gesprächspartner den Eindruck haben, in einem direkten Gespräch miteinander zu kommunizieren, geschieht in Wirklichkeit etwas erheblich Komplexeres: Die gesprochene Sprache (die eigentlich aus Silben beziehungsweise einzelnen Lauten besteht, welche letztlich einfach nur Schallwellen sind) wird in eine andere Form von Information umgewandelt, über eine elektrische Leitung übertragen und auf der Empfängerseite wieder zusammengesetzt. Wichtig ist außerdem, dass jede Schicht immer nur die für sie selbst bestimmten Informationen auswertet. Beim Empfang von Daten haben die niedrigeren Schichten überhaupt erst dafür gesorgt, dass die Informationen auf der entsprechenden Schicht angekommen sind, die Spezialinformationen der höheren Schichten sind der aktuellen Schicht dagegen unbekannt. Sie muss lediglich anhand ihrer eigenen Informationen dafür sorgen, dass die Daten an die korrekte Stelle einer höheren Schicht ausgeliefert werden. Auf diese Weise ist jede Schicht virtuell mit der Schicht der gleichen Stufe auf der anderen Seite verbunden; das tatsächliche Zustandekommen dieser Verbindung ist für die jeweilige Schicht absolut unsichtbar.

Ein Netzwerkbeispiel

Dieses zweite Beispiel zeigt, wie sich die beim Telefonbeispiel erläuterten Sachverhalte wieder auf Netzwerke übertragen lassen. Es handelt sich aus Platz- und Übersichtsgründen um ein Internetbeispiel, weil so nur die vier DDN-Schichten statt der sieben OSI-Schichten betrachtet werden müssen: Angenommen, ich möchte eine E–Mail an Galileo Press versenden. Schematisch funktioniert dies folgendermaßen:

1. In meinem E-Mail-Programm, zum Beispiel Microsoft Outlook Express, verfasse ich den eigentlichen Inhalt der Mail, als Empfänger setze ich info@galileo-press.de ein. Nachdem ich alles fertig geschrieben habe, drücke ich auf den Absendeknopf.
       
2. Da eine E-Mail eine in sich geschlossene Dateneinheit darstellt, die in ihrer ursprünglichen Reihenfolge beim Empfänger ankommen muss, wird der Transport durch das TCP-Protokoll übernommen, dessen eingebaute Datenflusskontrolle dafür sorgt, dass alle Daten vollständig und in der richtigen Reihenfolge übertragen werden.
       
3. Die Datenpakete, die durch das TCP-Protokoll angelegt wurden, werden nun durch das IP-Protokoll mit der korrekten Absender- und Empfängeradresse versehen. Diese Adressen haben nichts mit den nur auf der Anwendungsebene wichtigen E-Mail-Adressen zu tun; vielmehr geht es darum, dass mein Rechner die Daten an den zuständigen Mail-Server beziehungsweise an einen Vermittlungsrechner versendet.
       
4. Die fertig adressierten Datenpakete werden nun dem eigentlichen physikalischen Netzwerk anvertraut und entsprechend übertragen.
       

Auf der Empfängerseite, das heißt auf dem Serverrechner, der das Postfach info@galileo-press.de verwaltet, kommen die Daten dann folgendermaßen an:

1. Über die physikalische Netzwerkverbindung des Serverrechners treffen Datenpakete ein.
       
2. Auf der Ebene des IP-Protokolls werden die Datenpakete nach den zuständigen Transportdiensten sortiert und an diese weitergereicht – die E-Mail wird dem TCP-Dienst übergeben.
       
3. Der TCP-Dienst stellt fest, dass die entsprechenden Datenpakete für den Mail-Server (gemeint ist das Programm, nicht der Rechner selbst) bestimmt sind und reicht sie an ihn weiter.
       
4. Der Mail-Server wertet die E-Mail-Adresse des Empfängers aus und speichert die Mail in dem Postfach info@galileo-press.de. Dort kann sie jederzeit vom berechtigten Empfänger abgeholt werden.
       

Die Übertragung der Mail vom empfangenden Server an das E-Mail-Programm des eigentlichen Empfängers funktioniert im Großen und Ganzen genauso.


Abbildung 12.2   Übertragung einer E-Mail vom E-Mail-Programm des Absenders auf den Postfach-Server des Empfängers. In der Regel sind allerdings mehrere Zwischenstationen beteiligt.

Abbildung
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In Abbildung 12.2 wird noch einmal schematisch gezeigt, wie die Übertragung funktioniert. Mehr über die grundlegenden E-Mail-Protokolle erfahren Sie im nächsten Kapitel.






  

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