Daten- und Rechnernetze: Einführung und Aufgaben

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Teil 1 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Wenn man mit dem Thema „Netze und Datenkommunikation“ konfrontiert wird, fällt die Orientierung angesichts der Vielzahl unterschiedlicher Netze und Systeme schwer. Deshalb beginnen wir in diesem Kapitel mit Komponenten, die Ihnen vertraut sind, weil Sie die entsprechenden Einrichtungen meist zuhause oder an Ihrem Arbeitsplatz haben. Ohne sie technisch weiter zu differenzieren, kann man die Aufgaben von Daten- und Rechnernetzen generell darstellen.

Durch unterschiedliche technische Übertragungssysteme hat sich in der Frühzeit der Daten- und Rechnernetze eine Begriffsbildung etabliert, die weniger an den Funktionen als vielmehr an den durchschnittlichen Entfernungen zwischen Knoten und Teilnehmern orientiert war. Über lange Zeit haben sich die Technologien in den betreffenden Bereichen unterschiedlich entwickelt. Auch wenn heute durch die Ethernet-Technik hier sehr starke Annäherungen erfolgt sind, ist diese Klassifikation nach wie vor berechtigt.

Netze von Unternehmen und Organisationen (Corporate Networks) haben darüber hinaus im Laufe der Zeit eine eigene Terminologie gebildet, die zum einen durch die früher vorhandenen eigenständigen proprietären Netzwerklösungen der Hersteller von Host-Systemen und zum anderen dadurch bestimmt wird, dass in den verschiedenen Bereichen unterschiedliche Anforderungen bestehen, die nur durch verschiedene technische Ausführungen der betreffenden Netze sinnvoll umgesetzt werden können.

Zwei Begriffe aus der Welt der Datenkommunikation sind jedem bekannt: PC-Netze und das Internet. Beide stellen nicht gerade neue Techno¬logien dar: Das weltumspannende Internet ist gar kein individuelles Netz, sondern ein Verbund unterschiedlichster Netze (zurzeit ca. 250.000 mit Millionen von Rechnern) auf der Grundlage gemeinsamer Regeln, die vor über 30 Jahren vom US Department of De-fense für das so genannte ARPANET zur Kommunikation unterschiedlicher Rechner definiert worden sind. Internet, ARPANET, BITNET, EUNET oder CS-NET sind Vertreter sogenannter Fernbereichsnetze oder Wide Area Networks mit sehr vielen Teilnehmer-Rechnern, die über ein ganzes Land oder sogar wie im Falle des Internet über die ganze Welt einschließlich geostationärer Raumstationen verteilt sein können.

Die frühen Netze beruhten auf den zu diesem Zeitpunkt bestehenden Telefon-Netzen. Auf dem Telefon-Dienst eines entsprechenden Anbieters, eines sog. Service-Providers, wurden einfach Daten mittels so genannter Modems (Kunstwort für Modulator/Demodulator) mit Piepstönen übertragen. Bis zum 1.1.1998 musste man in Deutschland als Anbieter die Deutsche Telekom nehmen, danach wurde der Markt liberalisiert, und es haben sich neue Firmen wie Vodafone, British Telecom oder Mobilcom auf dem deutschen Markt den Wünschen der Kunden gestellt.

Ein Service-Provider hat heute meist mehr zu bieten, so z. B. auch einen sehr einfach zu bedienenden Anschluss zum Internet, solo oder gekoppelt mit einem Telefon- und gegebenenfalls TV-Dienst (3Play). Zu einem Internet-Anschluss gehört auch eMail. Das Schöne an der elektronischen Post ist, dass sie wie die richtige Post auch weltweit und mit praktisch allen anderen Electronic Mail-Systemen zusammen funktioniert.

PC-Netze sind heute überall dort zu finden, wo ein Unternehmen oder eine Organisation mehr als einen PC besitzt. Sie ermöglichen die Kommunikation der PC-Benutzer via Software und die Benutzung gemeinsamer Betriebsmittel, wie zentraler Drucker oder anderer Peripherie. PC-Netze basieren auf so genannten lokalen Netzen oder Local Area Networks, Netzen eben, die auf einem beschränkten physischen Raum, z. B. einem Gebäude oder einem Campus, die PCs der Benutzer untereinander und mit leistungsfähigeren Maschinen verbinden. Die lokalen Netze sind auch schon vor über 30 Jahren erfunden worden, für PC-Netze passende Software gibt es fast solange wie die PCs selbst. Wichtige Begriffe hier sind Client und Server. Ein Server ist ein relativ gut bis sehr stark ausgestatteter Rechner, auf dem Programme laufen, die Dienstleistungen wie Zugriff auf Speicherbereiche, Drucken, Backups, Software-Fernladen und E-Mail realisieren. Ein Client ist irgendein meist kleiner Rechner, der am Arbeitsplatz steht und diese Dienste neben den anderen Programmen, die er so hat, nutzt. Clients und Server sind mit einem lokalen Netz LAN untereinander verbunden. Meistens sind die Clients und viele Server PCs, obwohl man als Server auch größere Maschinen wie UNIX-Rechner oder Hostsysteme verwenden kann. Deshalb nennt man bei das Gebilde aus Clients, Servern und LAN auch PC-Netz.

Diese Technologien haben sich in der Vergangenheit relativ langsam ausgebreitet. PC-Netze waren zunächst vielfach nur ein Ersatz für die Terminal-Netze der Hostsysteme: der PC emuliert das Terminal (emulieren: Funktionen so nachmachen, dass in diesem Falle der Zentralrechner, Host, nicht »merkt«, dass gar kein Terminal mit ihm verbunden ist, sondern eben ein PC).

Der Megatrend der letzten ca. fünf Jahre ist jedoch die generelle Mobilität. Angefangen hat alles recht harmlos mit den Handys, die natürlich ebenfalls eine eigene Netzstruktur benötigen, um funktionieren zu können. Das ist das so genannte GSM-Netz. Davon gibt es mehrere Leistungs- und Entwicklungsstufen, die aktuell höchste installierte Stufe ist UMTS. Daneben haben sich so genannte Wireless LANs entwickelt, die, wie könnte es auch anders sein, wieder auf einer anderen Technologie basieren. Sie verbinden Notebooks und andere mobile Systeme mit Servern, die dann meistens über drahtgebundene oder Glasfaser-Strecken Verbindungen zu den Diensten herstellen, die man eben gerne haben möchte, wie z.B. Internet-Zugang. Die neueste Entwicklung hier ist „Unified Communications“, was schlicht die Möglichkeit darstellt, jeden (z.B. Mitarbeiter) an jedem Ort (z.B. am Strand) jederzeit (also auch mitten in der Nacht) zu erreichen und ihm den Zugang zu entsprechenden Diensten (Voice, eMail, Präsentation, Kalender ….) zu ermöglichen.

Sie merken schon: Man muss unterscheiden zwischen Netzen und Diensten. Netze sind die physische Grundlage und transportieren Informationen in Form von Daten, also letztlich Strömen von Bits. Dienste nutzen diesen Träger, um einer Menge von Benutzern Leistungen und Informationen auf einem hohen logischen Niveau anzubieten. Die Dienste eines Netzes, wie z. B. die Übertragung einer Datei von einem auf einen anderen Rechner, können natürlich nicht nur von Menschen, sondern auch direkt von Anwendungsprogrammen genutzt werden, um alles noch einfacher zu machen.

Etwa Mitte der 70er Jahre haben sich herstellerabhängige Netzwerkarchitekturen herausgebildet, die zunächst die Möglichkeit boten, eine größere und verteilte Menge von Terminals bequem mit den Großrechnern kommunizieren zu lassen und später auf eine allgemeine Kommunikation erweitert wurden. Beispiele wären die Systems Network Architecture SNA von IBM, DECnet von Digital Equipment oder Transdata von Siemens. Zehn Jahre später kamen die PCs und zogen bald die PC-Netze nach sich.

Es kam die Idee auf, alle Rechner eines Unternehmens oder einer Organisation mit einem Lokalen Netz, Local Area Network, LAN, zusammenzuschließen. Das war der Anfang vom Ende der herstellerabhängigen Netzwerkarchitekturen, denn man wollte mit Recht Kommunikation für alle, unabhängig vom Hersteller. Die schon aus dem Internet bekannte TCP/IP-Protokollfamilie hat abgesehen von allen technischen Einzelproblemen die Grundlage dazu geschaffen, dass sich alle untereinander verstehen können. LANs entwickelten sich zu Intranets weiter, Systeme, die prinzipiell wie das Internet arbeiten, aber organisationsintern. Zwar haben sie dazu auch Verbindung zum Internet, aber aus Gründen des Datenschutzes gibt es mit Recht auch deutliche Grenzen.

In dieser Zeit haben sich die ursprünglichen Telefonnetze ebenfalls weiterentwickelt. Zunächst einmal kam die Digitalisierung, Sprache und Steuerdaten konnten gemeinsam auf gleicher Basis übertragen und verarbeitet werden: ISDN Integrated Services Digital Network. Dadurch wurden die Telefonnetze auch zu Rechnernetzen, denn selbst der kleine ISDN-Chip im Telefon ist ein Rechner. Im nächsten Schritt wurden die Fernnetze systematisch erweitert und aufgerüstet, um den gemischten Sprach- und Datenverkehr tragen zu können. Etwa im Jahr 2000 war der Anteil des reinen Telefonierens in diesen Netzen nicht mehr messbar. Mit der Technologie zu Voice over IP, kurz VoIP, wird der Sprachverkehr ebenso zum IP-Paketstrom wie alles andere.

Das übliche Übertragungsmedium der Frühzeit war der (Telefon-) Draht. Drähte gibt es auch noch heute, auch wenn sie sich vornehmer nennen. Der eigentliche Entwicklungssprung für Fernbereichsnetze kam jedoch mit der Einführung der so genannten Optischen Übertragungstechnologie, bei der die Informationen mittels moduliertem Licht über geeignete Lichtwellenleiter geschickt werden. Große Provider wie AT&T rüsten zurzeit auf Netze um, die eine Übertragungsleistung bis zu 10 Terabit/sec. haben können.

Diese Leistung muss auch zum Kunden herunter gebrochen werden. Dabei helfen die so genannte Verteilnetze in vielen Ausführungen sowie letztlich geeignete Schnittstellen beim Kunden wie DSL (Digital Subscriber Loop).

All dies und noch vieles mehr werden wir im Laufe der Reihe erklären.

Aufgaben von Daten- und Rechnernetzen

Werfen wir also einen Blick darauf, was man mit Rechnernetzen so alles an¬stellen kann:

Datenverbund: logische Kopplung von räumlich getrennten Datenbeständen zum Zwecke der Zusammenarbeit, unterstützt durch eine entsprechende nachrichtentechnische Übertragungsmöglichkeit und höheren Funktionen im Betriebssystem zur Sicherung von Konsistenz und Aktualität.

Das Ziel des Datenverbundes ist elementar und Grundlage jeder verteilten Datenverarbeitung. Im PC-Netz wird diese Funktion z. B. dazu gebraucht, den angeschlossenen PCs die Nutzung von Festplattenpartitionen des Servers, von Anwendungsprogrammen oder anderen Diensten zu ermöglichen. Auch wenn mehrere Mitarbeiter an einem Problem arbeiten oder bei Electronic Mail wird der Datenverbund benutzt. Im Internet oder SWIFT, dem Bankenverbundnetz, gibt es eine große Anzahl unterschiedlicher Server, die die einzelnen Informationen vorrätig haben. Der Datenverbund wird direkt mehrfach benutzt: Zum einen versorgt ein Server angeschlossene Teilnehmer mit den Informationen, die diese angefordert haben, zum anderen besorgt er sich diese Informationen von anderen Servern, wenn er sie selbst nicht hat.

Funktionsverbund: Eingliederung von Geräten und Systemen zur Realisierung spezieller Funktionen in ein Gesamtsystem so, dass alle berechtigten Benutzer oder Programme diese speziellen Funktionen mitbenutzen können. Gerade im Bereich der kleineren Maschinen ist dieses Ziel von besonderer Bedeutung, insbes. wenn im Funktionsverbund die Möglichkeit realisiert wird, auf die Funktionen einer Großrechenanlage zurückzugreifen.

Verfügbarkeitsverbund: Bereitstellung einer Mindestleistung auch im Falle des Ausfalls von einzelnen Komponenten zur Schaffung fehlertolerierender Systeme, wobei dies natürlich auch erhöhte Anforderungen an das Datenkommunikationssystem stellt. Realzeitsysteme in der industriellen Fertigungsumgebung und der Prozesssteuerung profitieren von dieser Eigenschaft eines Netzwerkes.

Moderne Server-Betriebssoftware lässt es zu, Plattensubsysteme oder ganze Server zu doppeln, um im Falle des Ausfalles Daten und Programme weiterhin sicher benutzen zu können. In diesem Rahmen werden auch ununterbrechbare Stromversorgungen unterstützt. Hier gibt es seit ein paar Jahren im Rechenzentrum durch die Virtualisierung, z.B. mit VMware, eine interessante Entwicklung. Der Hauptansatzpunkt sind virtuelle Maschinen, die auf entsprechend leistungsfähigen Rechnern implementiert werden können und sogar die physische Maschine wechseln können, wenn sie mögen. Dazu braucht es natürlich schon enorme Netzleistung.

Leistungsverbund: Integration funktionaler Komponenten, die auf verschiedenen eventuell voneinander entfernten Rechnern implementiert sind, in einen systemtechnischen Rahmen, der die gemeinschaftliche Nutzung dieser Ressourcen zur Lösung eines Problems erlaubt. Hierzu müssen neben datenkommunikationstechnischen Mitteln insbesondere neue Betriebssystemkonstruktionen herangezogen werden.

Lastverbund: Einsatz von Ressourcen momentan schwach belasteter Rechner zur Entlastung stärker belasteter Rechner. Durch die Umverteilung von Aufträgen erreicht man Verbesserungen bei den Antwort- und Transaktionszeiten. Man sollte meinen, dieses Ziel sei mit der Verbilligung der Rechner antiquiert.

Für beide, manchmal schwierig abzugrenzende Alternativen, ist die Virtualisierung ein wichtiges Hilfsmittel.

Teil 2: Daten- und Rechnernetze: Konservative Terminologie und Erscheinungsformen in modernen Unternehmen und Organisationen »


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