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Meinels Web-Tutorial: Wide Area Networks – Das Nervensystem des Internets

Die wichtigen »Weitverkehrsnetzwerke« bestehen aus Milliarden verteilter Netzknoten. Eine genaue Karte ihres Aufbaus gibt es nicht. Wie kommt die Information da überhaupt ans Ziel?
Globale VernetzungLaden...

Das Internet als Illusion eines einheitlichen Netzes und Informationsraums basiert auf der intelligenten Verknüpfung einer Vielzahl verschiedener vernetzter Systeme. Das können lokale kabelbasierte (LAN), kabellose (WLAN) Netzwerke oder auch einzelne Rechner sein. Man kann es gut mit dem menschlichen Körper vergleichen, der von außen ebenfalls so aussieht, als wäre er eine solide Einheit. In Wahrheit verbirgt sich in ihm aber ein komplexes Universum an Organen, Stoff- und Informationswechselsystemen. Wenn man bei dieser Analogie bleibt, dann entsprächen den lokalen Netzwerken die menschlichen Organe, die jeweils ihre eigene Funktionalität haben. Damit diese aber korrekt arbeiten können, braucht es die Koordination mit den anderen Organen – zum Beispiel mit Hilfe des Nervensystems. Sein Pendant in der Welt des Internetworking wären die Weitverkehrsnetze, die Wide Area Networks (WAN).

Warum solche Weitverkehrsnetzwerke gebraucht werden, wird offensichtlich, wenn man bedenkt, was es bedeuten würde, wenn Informationen wie in lokalen Netzwerken nach dem »Broadcast-Prinzip« übertragen werden würden. Dann würden in einem Netzwerk mit Milliarden weltweit verteilter Hosts alle Rechner ihre Daten an alle übrigen Rechner versenden, auch wenn die Nachricht nur für einen einzigen von diesen bestimmt ist. Eine heillose Überlastung des Netzes mit hundertmillionenfach redundanten Daten wäre die Folge. Deshalb ist es nützlich – im Netz wie im menschlichen Körper – über ein Nervensystem zu verfügen, das die Informationen der einzelnen Organe so verteilt, dass die richtigen Daten beim richtigen Organ ankommen und nicht alle Organe bei jeder Interaktion beteiligt werden müssen.

Im menschlichen Körper verwandeln Schnittstellen biochemische Signale in elektrische Signale, die blitzschnell über das Nervensystem verarbeitet werden und sich wieder in biochemische Signale im Empfängerorgan materialisieren. Es geht bei Weitverkehrsnetzen also um zweierlei: erstens um die Datenvermittlungseffizienz und zweitens um die Übertragungsgeschwindigkeit. Aus diesen Gründen bestehen WANs kabel- oder funkbasiert aus Hochgeschwindigkeitsverbindungen, die verschiedene lokale Netzwerke an unterschiedlichen Standorten verbinden. Genauso wie in LANs werden zu versendende Nachrichten in kleine Datenpakete zerlegt und dann einzeln übertragen. Im Unterschied zur Übertragung der Datenpakete in den LANs, wo diese ja an jeden anderen Rechner des LANs versendet werden (Broadcast-Modus), werden die Datenpakete im WAN, also zwischen den verschiedenen LANs, gezielt adressiert versendet und zugestellt. Dafür sind in einem WAN so genannte Router oder Paketvermittler zuständig, also Rechner, die speziell für diese Aufgabe optimiert sind.

Damit ganz unterschiedliche LANs über ein WAN erreicht werden können, braucht es gemeinsame Standards bei der Adressierung der einzelnen lokalen Netzwerke und ihrer Rechner. Diese müssen aber im Gegensatz zu den Adressen innerhalb eines LANs auch auf globaler Ebene eindeutig sein. Deshalb werden bei WANs hierarchische Adressen verwendet, die aus einem Adresspräfix bestehen, das ist ein eindeutiger Name des LANs, und einem Adresssuffix, der den einzelnen Rechner innerhalb des LANs eindeutig identifiziert. Im Schaubild ist schematisch ein WAN gezeigt, das aus vier LANs mit den Routern R1 bis R4 besteht. Die Nummern entsprechen den Namen der LANs, zu denen der Router gehört. Bei den LANs 1 und 3 sind jeweils drei weitere lokale Rechner eingezeichnet. Die WAN-Adresse des Rechners 3 im LAN 1 ist nach der hierarchischen Adresslogik das Paar (1,3). Der Präfix kennzeichnet das LAN, der Suffix den Rechner. (3,1) bezeichnet demnach Rechner 1 im LAN 3, (1,2) den Rechner 2 im LAN 1 und so weiter.

Schematisches WAN mit den Routern R1 bis R4Laden...
Schematisches WAN mit den Routern R1 bis R4

Wie nutzt das System nun die eindeutigen WAN-Adressen, um Datenpakete vom Senderechner zum Zielrechner zu transportieren? Im einfachsten Fall kommunizieren die zwei Rechner innerhalb eines LANs miteinander, zum Beispiel die Rechner (1,1) und (1,2). Dann erfolgt das über den üblichen LAN-Broadcast, die Router brauchen nicht involviert werden. Das System erkennt das sofort am gleichen Präfix der beiden WAN-Adressen.

Wenn aber ein Datenpaket von einem Rechner in einem LAN zu einem anderen Rechner in einem anderen LAN gesendet werden soll, dann treten die Router in Aktion. Wie im Schaubild gezeigt, ist dabei nicht jedes LAN direkt mit jedem anderen verbunden. Deshalb muss ein Datenpaket, das von einem Rechner aus LAN 1, zum Beispiel von (1,1), an einen Rechner im LAN 3, zum Beispiel (3,2) gesendet werden soll, über Router R2 vermittelt werden.

In der Realität ist das alles natürlich viel komplexer, da die Millionen von Netzwerken ganz unterschiedlich miteinander vernetzt sind. Es gibt keine vorgefestigte Struktur, jeder kann sein Netzwerk über einen Internet Service Provider an den Netzverbund anschließen. Da es also keine »Landkarte« gibt, auf der man den optimalen Weg bestimmen könnte, erfolgt der Transport des Datenpakets durch den Netzverbund nach dem Prinzip des »Next-Hop-Forwarding«: Jeder auf dem Transportweg erreichte Router entscheidet neu, an welchen der benachbarten Router er das Datenpaket weitersendet, damit es das Zielnetzwerk und dort den Adressaten auf einem (möglichst) optimalen Weg erreicht. Jeder Router verfügt dazu über eine eigene Routing-Tabelle, auch Next-Hop-Tabelle genannt, in der ihm zu jeder Zieladresse anzeigt wird, an welchen Nachbarrouter er das Datenpaket zu senden hat. Die vollständige Tabelle aller Routinginformationen in unserem Beispiel-WAN sieht folgendermaßen aus:

Routingtabellen für Beispiel-WANLaden...
Routingtabellen für Beispiel-WAN

Wenn nun ein Datenpaket von (1,1) an (3,2) gesendet werden soll, dann empfängt Router R1 das Datenpaket über den Broadcast im LAN 1. Router R1 checkt die Zieladresse und entnimmt seiner Routingtabelle den Namen des Routers R2, an den er das Datenpaket weiterleitet. R2 empfängt das über das LAN 2 empfangene Paket, überprüft die Zieladresse, schaut in seiner Routingtabelle nach und sendet das Paket an Router R3. Router R3 empfängt das Datenpaket und erkennt, dass der Adressat (3,2) zu seinem LAN 3 gehört und schickt es nach dem Broadcast-Verfahren über LAN 3. Rechner 2 empfängt wie alle anderen Rechner von LAN 3 das Paket, erkennt, dass es für ihn bestimmt ist, und führt es einer Bearbeitung zu. Auch in einem deutlich komplexeren WAN werden die Daten so über zig Router auf den kürzesten Weg zum Zielsystem transportiert.

Um noch einmal auf das Bild des Nervensystems zurückzukommen, sorgt ein WAN so dafür, dass die für ein Organ bestimmten Daten dieses tatsächlich und auf effizientem Wege erreichen.

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