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Meinels Web-Tutorial: Wie funktioniert ein Computernetzwerk?

Für uns Nutzer wirkt es, als verstünde jeder Rechner jeden anderen im Internet. Tatsächlich ist dies jedoch nur dank ausgefeilter Übersetzungssoftware möglich: dem Internetworking.
Netzwerke verbinden Computer - und LänderLaden...

Wir haben es schon angedeutet. Das, was wir gemeinhin als »das Internet« bezeichnen, gibt es an sich gar nicht. Das Internet ist vielmehr ein virtuelles Netz, das aus verschiedenartigsten einzelnen Computernetzwerken zusammengeschaltet ist. Die offene Systemarchitektur des Internets machte es den Betreibern der einzelnen Netzwerke möglich, ihr Netzwerk mit Hilfe von Internet Service Providern (ISP) mit dem Internet zu verbinden. So sind heute über eine Milliarde Rechner und Devices mit dem Internet verbunden, und mehr als vier Milliarden Menschen nutzen es als globale Kommunikationsinfrastruktur.

Ausgefeilte Protokolltechnologien, das so genannte »Internetworking«, erzeugen beim Nutzer die Illusion, der Netzverbund bilde ein gemeinsames Ganzes. Die Kommunikationsprotokolle des Internets sorgen dafür, dass die Nachrichten der Milliarden von Rechnern und Devices über die Grenzen ihres jeweils eigenen Netzwerks hinweg zu anderen Rechnerverbünden gesendet werden können.

Nun gibt es sehr verschiedene Arten von Netzwerken, die über das Internet miteinander verbunden sind. In Heimnetzwerken werden typischerweise Rechner, Tablets und Smart Devices aller Art über eine Telefonleitung und einen Router mit dem Internet verbunden. Anders in Firmennetzwerken: Dort sind typischerweise sehr viele unterschiedliche Rechner über Firmenserver miteinander verbunden und über Standleitungen an das Internet angeschlossen. Damit das Heimnetzwerk mit dem Firmennetzwerk kommunizieren kann, braucht es die schon erwähnten ISPs, die die einzelnen Rechnernetzwerke über Zwischensysteme miteinander verknüpfen.

Das folgende Bild zeigt vereinfacht, wie das Internet als Netz der Netze aufgebaut ist.

Aufbau des InternetsLaden...

Einzelne Rechner werden entweder direkt über Wählverbindungen oder Standleitungen an Internet Service Provider wie Telekom oder Vodafone angeschlossen oder aber innerhalb von »Local Area Networks« (LANs) miteinander verbunden, um anschließend an das Internet angeschlossen zu werden. Das Herzstück des Internets sind also die Internet Service Provider, die über Backbones, das heißt Internetleitungen mit besonders hoher Bandbreite, miteinander verbunden sind und das große virtuelle Netzwerk zusammenhalten. Die Kommunikation im Internet läuft folglich immer entlang der Verbindungslinien zwischen Rechnern, LANs und Internetanbietern, wobei sich jeder Nutzer darauf verlassen kann, dass die Internetworking-Software durch das Netz den richtigen Weg zum Ziel findet.

Doch sehen wir uns zunächst Rechnernetze und ihre Verknüpfung genauer an. Diese bestehen aus drei Komponenten: Endgeräten, Zwischensystemen und physikalischen Verbindungen.

Der ganze Zweck des Internets besteht darin, dass die einzelnen Endgeräte miteinander kommunizieren können. Endgeräte, so genannte Hosts, können beispielsweise Rechner, Smartphones oder andere internetfähige Geräte sein. Diese wollen Nachrichten, codiert als Bitfolgen, austauschen. Um solche Bitfolgen über größere Distanzen zu übermitteln, werden sie in Sequenzen von physikalischen Signalen – elektrischen Impulsserien, Radiosignalen oder Lichtimpulsen – umgewandelt, um dann entlang physikalischer Übertragungsmedien – Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Funkwellen, Infrarot oder Bluetooth – übermittelt zu werden.

Will man nun Rechner oder Netzwerke miteinander verbinden, wird man feststellen, dass das nicht so einfach möglich ist. Rechner und Netzwerke nutzen oft unterschiedliche und inkompatible Kommunikationstechnologien. Es braucht deshalb regelmäßig »Zwischensysteme«, die die Übersetzung zwischen diesen Kommunikationstechnologien übernehmen. Nur wenn die Übersetzer gut und schnell funktionieren und die unterschiedlichen Rechner- und Netzwerksprachen permanent ineinander umwandeln, gelingt die Kommunikation.

Um beim Design der Kommunikationssoftware die Komplexität zu reduzieren, stellt man sich die Kommunikation von Rechnern als eine Client-Server-Interaktion vor. In diesem Modell übernimmt jeder der beiden Kommunikationspartner eine genau definierte Rolle: Der eine Rechner, der Client, eröffnet die Interaktion, der andere, der Server, ist bereit, Anfragen anzunehmen und zu bearbeiten. Wenn wir zum Beispiel eine Webseite besuchen, eine E-Mail verschicken oder Speicherplatz in der Cloud abfragen, versendet unser Rechner als Client eine Anfrage an einen entsprechenden Server im Netz. Das passiert jede Sekunde millionenfach und parallel. Der Server prüft die Anfrage des Clients und entscheidet, ob der Client berechtigt ist, diese Kommunikationsleistung zu empfangen oder nicht.

Damit die Anfragen der Clients überhaupt beim Server ankommen, braucht es Netzwerkadapter, die die digital codierten Nachrichten in Folgen physikalischer Signale übersetzen. Diese werden anschließend über das Internet versendet. Der Netzwerkadapter des empfangenden Servers dechiffriert die physikalischen Signale und wandelt sie zurück in die digitale Nachricht. Dazwischen kommen die schon erwähnten Zwischensysteme ins Spiel, die typischerweise an Netzwerkknoten installiert sind, wo sie die Signale verstärken, über den weiteren Weg für den Datentransport im Netzwerkverbund entscheiden und die Nachrichtenformate dem einzuschlagenden Weg entsprechend in die Nachrichtenformate des benachbarten Netzwerks übersetzen.

Nach diesem ersten Überblick über die Funktionsweise des Internet-Netzwerkeverbunds werden wir uns als Nächstes genauer anschauen, wie Rechner in den ortsgebundenen Netzwerken, also in LANs, WLANs und WANs kommunizieren, die ja die Bausteine des Internets bilden.

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