Computernetzwerke

Computernetzwerke

Ein Computernetzwerk ist ein Zusammenschluss von mindestens zwei Rechnern und weiteren Geräten, die über Kommunikationskanäle (Kabel oder Funk) Daten austauschen. Die Ziele sind gemeinsame Ressourcennutzung (Drucken, Dateizugriff, Anwendungen), Kosteneffizienz (gemeinsame Hardware, Lizenzen), zentrale Verwaltung (Updates, Backups, Sicherheit) und Kommunikation (E-Mail, Chat).

Die Netzwerkinfrastruktur umfasst alle physischen (Kabel, Switches, Router) und logischen Komponenten (IP-Planung, VLANs, Protokolle). Geräte wie PCs, Laptops, Smartphones, Tablets, Server, Drucker, Scanner, Kameras, IoT-Sensoren, Telefone, Switches, Router und Access Points können eingebunden werden.

Hauptbestandteile:

• Clients: Arbeitsplatzrechner, Notebooks, Tablets, Smartphones von Mitarbeitern zur Programmausführung und Datenbearbeitung. Sie greifen auf Serverdaten, Internet oder Drucker zu. Es gibt Fat Clients (vollwertiger PC), Thin Clients (Programme laufen auf Servern) und Mobile Clients (flexibel einsetzbar).

• Server: Zentralrechner, die Dienste und Daten zur Verfügung stellen. Sie ermöglichen Dateispeicherung, E-Mail, Webhosting oder Softwarebereitstellung und laufen oft 24/7 im Hintergrund.

• Switches: Netzwerkkomponenten, die Geräte in einem LAN verbinden. Sie leiten Daten basierend auf MAC-Adressen gezielt weiter (OSI-Schicht 2), erstellen eine MAC-Tabelle und vermeiden Kollisionen. Im Gegensatz zu alten Hubs, die Daten an alle Ports verteilten. Manageable Switches sind konfigurierbar.

• Router: Verbinden mehrere Netzwerke (z. B. LAN und WAN) und leiten IP-Pakete zwischen ihnen weiter (OSI-Schicht 3). Sie nutzen Routing-Tabellen, können Adressen übersetzen (NAT), bieten Sicherheitsfunktionen (Firewall) und DHCP. Ein Router unterscheidet sich vom Modem, das nur das Providersignal in ein LAN-Signal umwandelt.

• Firewalls: Filtern Datenverkehr nach Sicherheitsregeln, verhindern unautorisierte Zugriffe und schützen vor Angriffen. Sie können auf Schicht 3-7 arbeiten.

• Access Points: Erweitern ein verkabeltes LAN um WLAN-Funktionalität. Sie nehmen drahtlose Verbindungen entgegen und übersetzen sie in Ethernet.

• Protokolle: Definieren Formate, Reihenfolge und Fehlerbehandlung für zuverlässige Kommunikation.

Netzbereiche:

• LAN (Local Area Network): Verbindet Geräte in einem begrenzten Bereich (Gebäude) mit hohen Datenraten (1–10 Gbit/s).

• WAN (Wide Area Network): Verbindet Standorte über große Entfernungen, nutzt oft öffentliche Leitungen, höhere Latenz und variierende Bandbreiten.

• MAN (Metropolitan Area Network): Verbindet Standorte in einer Stadt oder Region über mittlere Reichweiten (bis 100 km) mit hohen Bandbreiten.

• WLAN (Wireless Local Area Network): Kabellose Version des LAN.

• VPN (Virtual Private Network): Verschlüsselte Verbindung über öffentliche Netze.

• VLAN (Virtual Local Area Network): Logische Trennung von Netzwerken auf gleicher physikalischer Infrastruktur, um einen physischen Switch in mehrere virtuelle Switche aufzuteilen.

Netzwerktopologien: Beschreiben die Anordnung der Verbindungen. Häufig sind Stern/Baumstrukturen im kabelgebundenen Ethernet. Weitere sind Ring, Bus, Masche, Zelle, Punkt-zu-Punkt.

Adressierungsarten:

• Unicast: Kommunikation von einem Sender zu genau einem Empfänger (Standard).

• Broadcast: Ein Sender kommuniziert mit allen Hosts im Netzwerk (Rundruf). Im IPv6 durch Multicast ersetzt.

• Multicast: Ein Sender kommuniziert mit mehreren Hosts im Netzwerk über eine spezielle Adresse.

• Anycast: Ein Sender kommuniziert mit mehreren Hosts, die dieselbe IP-Adresse haben, wobei das Routing-Netzwerk den nächstgelegenen oder am wenigsten belasteten auswählt.

Übertragungsmedien: Kabel (Kupfer: UTP, STP, Koaxial, Twisted Pair; Glasfaser: Single-/Multimode LWL), Funk (WLAN, Bluetooth, Mobilfunk). Kabelgebunden bietet höhere Geschwindigkeiten, weniger Störungen und mehr Sicherheit im Vergleich zu drahtlos, das Mobilität und einfache Installation bietet.

Zugriffsverfahren: Regeln den Zugriff auf das Medium.

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Gerät hört auf Medium, sendet bei Frei, erkennt Kollision und wartet zufällig. Genutzt bei älterem Ethernet, heute bei Switches weitgehend überflüssig.

• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): Hören und Vermeiden von Kollisionen, z.B. bei WLAN.

Token Ring: Nur wer den Token hat, darf senden.

Ethernet: Standard für LAN-Architektur. Bietet schnelle Datenübertragung über Kupfer- oder Glasfaserkabel. Arbeitet mit MAC-Adressen. Im OSI-Modell auf Layer 1 und 2 angesiedelt. Übertragungsraten reichen von 10 Mbit/s bis 400 Gbit/s und mehr. Der Ethernet-Frame (Datenpaket) enthält u.a. Präambel, Ziel- und Quell-MAC-Adresse, Ethertype (Protokollkennung) und Nutzdaten.

Netzwerkprüfung und Wartung: Werkzeuge zur Überprüfung der Netzwerkfunktion.

• Ping: Prüft Erreichbarkeit eines Geräts per ICMP (Echo Request/Reply), misst Latenz (Antwortzeit).

• Traceroute / tracert: Zeigt die Route eines Datenpakets zum Ziel über mehrere "Hops" (Router) an, nutzt TTL (Time to Live).

• nslookup / dig: Prüft die Namensauflösung per DNS (Domain Name System).

• ipconfig / ip: Zeigt die aktuelle IP-Konfiguration an (IP-Adresse, Subnetzmaske, Gateway, DNS).

• netstat: Zeigt Netzwerkstatistiken, z.B. Ethernet-Statistiken.

• nmap: Portscanner zur Identifizierung offener Ports auf einem Host.

• Paketverlust: Tritt auf, wenn Datenpakete unterwegs verloren gehen, führt zu Störungen.

• Latenz: Zeitverzögerung zwischen Senden und Empfangen, wichtig für Echtzeitanwendungen.

• Wartung: Regelmäßige Kontrolle von Geräten, Updates, Logs, Backups, Dokumentation.