Wide Area Netze WANs: Struktur und Betriebsverfahren

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Teil 9 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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In den vorangegangenen Kapiteln wurden LANs und die Übertragungstechnologie durchgängig behandelt. Die andere große Gruppe der Rechnernetze sind die Fernnetze. Technische Einzelheiten zu ihrer Funktionsweise stehen im Mittelpunkt der nächsten Teile.

Der Grundgedanke für Wide Area Netze ist noch älter als der für LANs. Schon Ende der sechziger Jahre hat man Rechner, die es damals nur in entsprechenden Rechenzentren gab, über Telefonleitungen zusammenzuschalten und Daten zwischen diesen Systemen auszutauschen. Ein weiterer wesentlicher Schritt in der Entwicklung der Wide Area Netze war dann die Entstehung des militärischen ARPANETs, welches den Grundstein für das heutige Internet gelegt hat.

Die Geschichte der WANs und die auf WANs verwendeten Verfahren und Kommunikationsprotokolle ist wesentlich vielschichtiger als die der LANs. Zu Zeiten der frühen WANs gab es praktisch keine zwei gleichen Rechner, sondern jeder Hersteller hatte eigene Modelle mit eigenen Formaten und Betriebssystemvarianten. Erst in den siebziger Jahren setzte hinsichtlich der Kommunikation eine gewisse Vereinheitlichung ein, bei der Kommunikation vor allem durch die herstellerabhängige Netzwerkarchitektur SNA von IBM und durch die Entwicklungen um das OSI-Referenzmodell. Mittlerweile kam dann auch noch die PC-Welt hinzu.

Die Entwicklung von Schnittstellen für Wide Area Systeme ging aufgrund dieser Unsicherheiten schnell in die Hände von Postverwaltungen, die man heute als Carrier bezeichnen würde. Wesentliche Normungen des CCITT haben dann schließlich in den siebziger Jahren auch dazu geführt, dass mit der Empfehlung X.25 eine einheitliche Schnittstelle für den Austausch von Datenpaketen zwischen unterschiedlichen Rechnern und auch über Netzgrenzen hinweg verfügbar wurde. X.25 hat die Welt der Datenkommunikation lange dominiert und ist erst in den letzten Jahren obsolet geworden.

Die achtziger Jahre waren auf der Telco-Seite vom Stichwort der Dienstintegration geprägt. Aus der Perspektive eines Betreibers ist es nicht wünschenswert, unterschiedliche Infrastrukturen zu verwalten. Man hat erkannt, dass Telefon-, Telex-, Daten- und Fernsprechnetze zusammenwachsen müssen, wenn man eine zukunftssichere Struktur haben möchte. Hersteller von Vermittlungseinrichtungen haben das schon früher erkannt und sobald wie möglich analoge durch hybride und hybride durch rein digitale Vermittlungseinrichtungen ersetzt. Nach verschiedenen Fehlversuchen entstand die Standardisierung für das ISDN, das Integrated Services Digital Network. Auf der reinen Datenseite ist ISDN allerdings für die allermeisten Anwendungen zu langsam. Man hat hier vor allem die mit X.25 begonnene Datenpaketvermittlung in zwei Richtungen weiterentwickelt: zum einen als schnelle Paketvermittlung Fast Packet Switching unter Beibehaltung der bisherigen Formate und zum anderen mit einer völlig anderen, neuartigen Technik, dem Asynchronen Transfer Mode ATM, bei denen die Datenpakete in kleine Zellen zerlegt werden und man mit der Übertragung dieser Zellen zu Netzen kommen kann, die insgesamt wesentlich leistungsfähiger sind. Die neunziger Jahre waren auf der technischen Seite durch diese Dinge geprägt, eine Entwicklung hat denn aber alles aus den Angeln gehoben: das Internet. Mit der TCP/IP-Protokollfamilie, die es schon seit den siebziger Jahren gab, die damals aber niemand so richtig ernst genommen hat, ist es zum ersten Male wirklich gelungen, Rechner völlig unterschiedlicher Natur und ohne Ansehen von Größe, Speicherplatz, Taktrate und Betriebssystem miteinander zu vernetzen. Mit der DSL-Technik ist eine schnelle Alternative für den Teilnehmeranschluss in die Fläche gebracht worden. Außerdem ist durch das Internet zum ersten Male so etwas wie „öffentliches Bewusstsein für Netze“ entstanden.

Und was sind die Einflussfaktoren des ersten Jahrzehnts des neuen Jahrtausends? Soweit man es bislang absehen kann, geht es dabei um höhere Übertragungsleistung und höhere Qualität. Die Netze auf der Basis metallischer Leiter sind teilweise bis zu 50 Jahre alt, besonders wenn es in Richtung Teilnehmer geht. Beginnend von den Netzkernen wird sich die optische Übertragungstechnik ausbreiten. Von ISDN zu DSL hat sich die Teilnehmeranschlussrate innerhalb der letzten fünf Jahre verhundertfacht. Mit dem Wunsch, auch digitales Fernsehen und ähnliche Dienste über eine gemeinsame Benutzerschnittstelle zu bringen, wird sich diese Entwicklung weiter vollziehen und Schnittstellen von 100 Mbit/s. pro Haushalt werden schon heute von Metronetz-Providern ausprobiert. Sie tragen die optische Vernetzung in die Fläche. Darüber hinaus wird der Einfluss der Mobilität wachsen, was zur drahtlosen Vernetzung führt.

Grundsätzliche Funktionsbereiche in WANs

Dieses Unterkapitel gibt einen groben Abriss der Funktionen, die in einem Netzwerkrechner mindestens realisiert sein müssen. Viele dieser Funktionen kann man nicht nur in WANs finden, sondern sie werden auch dann notwendig, wenn größere Unternehmensnetze aus vielen LANs gebildet werden.

Struktur und Betriebsverfahren

Die Struktur eines WANs ist gegeben durch eine Menge von Knotenrechnern (IMPs) und Verbindungen zwischen diesen Knotenrechnern. IMPs und Verbindungen bilden das Kommunikations-Subsystem. Ein Teilnehmer wendet sich mittels einer Teilnehmer-Schnittstelle vertrauensvoll an einen Knotenrechner und lässt sich vermöge des Kommunikations-Subsystems eine meist Virtuelle (gedachte) Verbindung schalten, über die er seinen Datenverkehr mit einem anderen Partner, der an einem entfernten Knotenrechner angeschlossen ist, abwickelt. Aus der Perspektive der Teilnehmer ist das Kommunikations-Subsystem transparent, d. h., sie glauben, eine unmittelbare Verbindung zwischen sich zu haben, obwohl das Netz intern die Verbindung anders implementiert. Man trennt deshalb deutlich zwischen Funktionen innerhalb des Kommunikations-Subsystems und Diensten für die Teilnehmer. Ein Teilnehmer/Netzwerk-Protokoll wirkt in den Schichten 1-3. Es ist so geschrieben, dass ein Teilnehmer meint, er würde unmittelbar mit dem entfernten Teilnehmer korrespondieren, obwohl er direkt nur mit seiner lokalen Datenübertragungseinrichtung kommuniziert. Ein älteres Beispiel ist das Protokoll X.25.

Das Kommunikations-Subsystem bei WANs arbeitet meist nach einem Store-and-Forward-Prinzip, was bedeutet, dass Datenpakete von einem IMP entgegengenommen und so schnell wie möglich an den nächsten in Kommunikationsrichtung liegenden IMP weitergeleitet werden (Forwarding), wobei allerdings dennoch Wartezeiten (durch IMP-Rechenzeit oder Leitungsüberlastung) auftreten können, während derer die Datenpakete zwischengespeichert werden (Store) und warten müssen.

Ein Teilnehmer muss im Rahmen des vom Netz angebotenen Dienstes seinen Kommunikationspartner unter der Menge der anderen Teilnehmer auswählen können. Es gibt heute zwei prinzipielle Techniken mit Hilfe derer er seinem Kommunikationspartner Nachrichten zukommen lassen kann:

  • Circuit Switching
  • Packet Switching mit Virtuellen Verbindungen und Datagrammen

Zum Aufbau einer Verbindung wird beim Circuit Switching ein fester Leitungsweg gesucht, der für die gesamte Dauer der Verbindung reserviert und ausschließlich für die Kommunikation zwischen den beteiligten Partnern genutzt wird, wie wir dies vom Telefonnetz gewohnt sind. Positiv ist, dass keine Verzögerungszeiten innerhalb der Übertragung mit Ausnahme der Signalverzögerung auftreten, wenn die Verbindung einmal aufgebaut ist. Das System ist völlig transparent gegenüber allen verwendeten Protokollen höherer Schichten. Wegwahlentscheidungen (Routing) benötigt man nur in der Aufbauphase, sie können relativ statisch mit wenig Rechenaufwand in einem Knoten getroffen werden.

Nachteilig sind zeitaufwendiger Auf- und Abbau der Verbindung, Vollauslastung des Netzes bzw. mancher Zwischenknoten bereits durch eine relativ geringe Anzahl von Verbindungen, Fehlen von Ausweichmöglichkeiten bei Fehlern, sobald die Verbindung einmal aufgebaut ist, und schlechte Nutzung der Leitungskapazitäten, da erfahrungsgemäß auf den geschalteten Leitungen nur während eines geringen Zeitanteils Daten übertragen werden. Auch bei wenig belastetem Netz kann es vorkommen, dass zwei aktive Stationen nicht miteinander kommunizieren können, da sie in der Verbindungsaufbauphase scheitern.

Wenn man nicht den Weg vermitteln will, so bleibt nur noch, die Nachricht selbst zu vermitteln: Packet Switching. Die zu übertragende Nachricht wird in relativ kleine, kompakte Pakete eingepackt, die jeweils Quell- und Zielinformation, weitere Steuerinformation und die eigentlichen Daten beinhalten, an das Netz übergeben und dort im Store-and-Forward-Prinzip evtl. über verschiedene Zwischenknoten zum Empfänger weitergeleitet werden. Der Sender muss für die Zerlegung einer längeren Nachricht in Pakete Sorge tragen. Der Empfänger muss aus den Paketen wieder die richtige Nachricht zusammensetzen. In jedem Zwischenknoten wird die Nachricht als Ganzes gespeichert und nach einigen Neuberechnungen des nächsten zurückzulegenden Teilstückes (Teil des Routings) und einer eventuell Wartezeit auf das Frei werden der nun zu beschreitenden Übertragungsleitung über diese an den nächsten Zwischenknoten weitergegeben.

Da kein expliziter Auf- oder Abbau einer Verbindung notwendig ist, eröffnet sich die Möglichkeit der Schaffung einer Virtuellen Verbindung zwischen Quelle und Senke im Rahmen des benutzten Übertragungsprotokolls, die den Teilnehmern die Verbindung so transparent wie einen realen Circuit erscheinen lässt. Flexibilität bei Ausfall von Teilverbindungen durch Schaltung von Ersatzleitungen, im Fall von Virtuellen Verbindungen ohne die Unterbrechung dieser, ist ein weiterer Vorzug. Da keine festen Wege mehr geschaltet werden, ergibt sich allerdings leider die Notwendigkeit eines Routing-Verfahrens und der Bereitstellung entsprechender Rechenkapazität in den IMPs und die Notwendigkeit von Überlaststeuerungs- und Flusssteuerungsmechanismen, um die Überlastung des Gesamtnetzes oder einzelner Teilnehmer durch Überflutung mit Nachrichten zu vermeiden. Nachteilig sind auch unterschiedliche, von der Belastung des Netzwerkes abhängige Übertragungsverzögerungen.

Zerlegte Nachrichten müssen beim Empfänger wieder in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt werden. Sie können jedoch auf dem Übertragungsweg durch Verlust von Paketen, Überholung von Paketen und ungewollte Duplizierung von Paketen durcheinandergeraten sein. Dies erfordert gesonderte Maßnahmen, die in geeigneten Protokollen niedergelegt sein müssen. Allerdings sind die technischen Netze mit der Zeit immer besser geworden, so dass diese Probleme keine Rolle mehr spielen.

Es gibt auf der Grundlage von Packet Switching zwei Alternativen für Basisdienste in einem paketvermittelnden Netzwerk: Datagrammdienst und Virtuelle Verbindungen.

Beim Datagrammdienst bildet jedes Paket eine für sich geschlossene Einheit und wird alleine übertragen.

Die Virtuelle Verbindung (Virtual Circuit) bildet einen logischen Weg zwischen zwei Teilnehmern. Auf- und Abbau der Virtuellen Verbindung, Wiederherstellung verlorengegangener Daten durch Aufforderung zur Wiederholungssendung, Eliminierung von Duplikaten, Umordnung von durcheinandergekommenen Paketen in die korrekte Reihenfolge, Datenfluss-Steuerung zur Vermeidung von Überbelastungen von Empfängern und Überlastkontrolle zur Vermeidung einer globalen Netzüberlastung sowie Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern liegen jetzt in der Verantwortung des Netzes. Auch für Lokale Netze hat sich übrigens die Paketübertragungstechnik mit den zwei Alternativen Datagramm und Virtuelle Verbindung durchgesetzt.

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