Netzwerke

Grundlagen und Aufbau

Das Internet ist ein “Netzwerk von Netzwerken” bzw. konkreter ein hierarchisch aufgebautes Netzwerk aus verschiedenen Geräten. Die kleinsten Netzwerke stellen dabei die sogenannten lokalen Netzwerke dar.

LAN

Ein lokales Netzwerk (engl. local area network oder kurz LAN) ist in der Regel ein Netzwerk, das sich auf eine kleinere räumliche Umgebung beschränkt, etwa einen privaten Haushalt (“Heimnetz”), eine Schule oder Firma. Ein LAN ist üblicherweise kabelgebunden, ein drahtloses lokales Netzwerk, in dem die Geräte per Funk kommunizieren, wird dagegen als WLAN (engl. wireless LAN) bezeichnet.¹

Netzwerkkomponenten

Sehen wir uns dazu zunächst die Geräte an, aus denen solche Netzwerke – beispielsweise auch das Netzwerk bei Ihnen zuhause – zusammengesetzt sind, und welche verschiedenen Funktionen sie erfüllen.

Wir finden hier zunächst einmal Geräte wie PCs, Laptops und Smartphones, also die Endgeräte, mit denen Sie interagieren, beispielsweise um auf das Internet zuzugreifen. Eventuell kommunizieren aber auch Geräte innerhalb des lokalen Netzwerks direkt untereinander, z. B. wenn Sie einen Netzwerkdrucker verwenden, der von allen Rechnern im LAN gemeinsam genutzt wird.

Router und Modem

In Ihrem Heimnetzwerk befindet sich üblicherweise ein Gerät, das als Router bezeichnet wird, über das alle anderen Geräte miteinander kommunizieren können und das gleichzeitig die Schnittstelle “nach außen”, also ins Internet darstellt.²

Um den Router mittels z. B. DSL, Glasfaser oder Kabelnetz mit dem Internet zu verbinden (oder genauer gesagt: mit der Vermittlungsstelle bei Ihrem Internetdienstanbieter) wird ein weiteres Gerät benötigt: das Modem. Mittlerweile enthalten die meisten Router-Geräte (insbesondere wenn Sie von Ihrem Internetdienstanbieter zur Verfügung gestellt werden) aber bereits ein integriertes Modem.

An einen solchen Router können üblicherweise mehrere Endgeräte per LAN-Kabel oder drahtlos per Funk angeschlossen werden.³ Inzwischen sind die meisten Router, die in Heimnetzen zum Einsatz kommen, WLAN-tauglich, unterstützen also auch drahtlose Verbindungen. Die folgende Abbildung stellt die Vorder- und Rückseite eines handelsüblichen DSL-Routers mit WLAN (also eines WLAN-tauglichen Routers mit integriertem DSL-Modem) dar:⁴

Hier lassen sich 4 Endgeräte per LAN-Kabel (über die 4 gelben Anschlüsse rechts) und beliebig viele weitere per Funk anschließen. Über den linken Anschluss wird das Gerät mit dem DSL-Anschluss verbunden, über den das Internet erreichbar wird.

Was aber, wenn weitere Endgeräte per LAN-Kabel an das Gerät angeschlossen werden sollen? Oder wenn Sie ganz auf einen Router verzichten und stattdessen ein lokales Netzwerk ohne Internetanbindung einrichten möchten?

Switch

Um mehrere Geräte direkt miteinander zu verbinden, gibt eine weitere Komponente in Netzwerken: den sogenannten Switch, den sie vielleicht aus dem Computerraum Ihrer Schule kennen. Über ein Switch lassen sich einfach mehrere Endgeräte (oder auch weitere Switches) in der Regel über LAN-Kabel zusammenschließen, so dass sie untereinander kommunizieren können. Sie bilden dann einen Teil eines Netzwerks bzw. ein Netzwerksegment. So könnte beispielsweise ein Switch mit 5 LAN-Anschlüssen verwendet werden, um jeweils 4 Rechner mit einem LAN-Anschluss eines Routers (oder eines weiteres Switches) zu verbinden:

Die folgende Abbildung zeigt handelsübliche Switches verschiedener Größe (5 bis 24 LAN-Anschlüsse pro Switch), die für kleinere Heimnetze oder größere Firmennetzwerke geeignet sind:⁵

Ein drahtloser Switch (also ein Switch, mit dem sich Geräte per Funk verbinden können) wird üblicherweise als (Wireless) Access Point (engl. für “(drahtloser) Zugangspunkt”, kurz AP) bezeichnet.

Router als Multifunktionsgerät

Was ist nun der Unterschied zwischen einem Router-Gerät wie dem oben dargestellten DSL-Router, an den ja auch mehrere Endgeräte angeschlossen werden können, und einem Switch? Strenggenommen stellt ein Router im eigentlichen Sinne nur die Verbindung zwischen verschiedenen Netzwerken her – also beispielsweise zwischen Ihrem Heimnetz und dem Netzwerk Ihres Internetdienstanbieters oder zwischen mehreren lokalen Netzwerken innerhalb eines größeren Unternehmens.⁶ Ein Switch verbindet dagegen Geräte innerhalb eines lokalen Netzwerks.

Tatsächlich ist in so gut wie alle umgangssprachlich als “Router” bezeichneten Geräte auch ein Switch (und in WLAN-Router zusätzlich ein Access Point) integriert, damit sich mehrere Geräte mit dem Router verbinden können. Das oben dargestellte Gerät besteht also in Wirklichkeit aus vier Komponenten: Es kombiniert einen Router, einen Switch mit Anschlüssen für 4 Endgeräte, einen Access Point für WLAN, sowie ein DSL-Modem.

Der “Router”, der bei Ihnen im Wohnzimmer, Büro oder im Computerraum Ihrer Schule steht, kann aber noch viel mehr: Diese Geräte beinhalten in der Regel auch einen Server, auf dem verschiedene Anwendungsdienste laufen – zum Beispiel DNS zur Übersetzung von URLs in IP-Adressen oder DHCP zur automatischen Vergabe von IP-Adressen an Geräte im lokalen Netzwerk. Oft läuft auf dem Gerät auch ein kleiner Webserver, so dass Sie im Browser über die IP-Adresse des Routers eine grafische Benutzeroberfläche aufrufen können, über die das Netzwerk konfiguriert werden kann.

Üblicherweise enthalten Router daneben auch Sicherheitskomponenten wie etwa eine Firewall, die unerwünschte Zugriffe auf das Netzwerk blockiert (dazu mehr im Kapitel “Netzwerksicherheit”).

Zusammenfassung

Fassen wir also abschließend auf einer abstrakteren Ebene die verschiedenen Komponenten und ihre Rollen in Netzwerken zusammen und grenzen sie voneinander ab:⁷

	Ein Switch verbindet Geräte zu einem Netzwerksegment und erlaubt es ihnen, untereinander Daten auszutauschen.
	Ein Router (auch: Vermittlungsrechner) verbindet verschiedene Netzwerke miteinander (z. B. verschiedene LAN untereinander oder ein LAN mit dem Internet).
	Ein Modem stellt die Verbindung zwischen Routern über weite Übertragungswege her (z. B. per DSL, Glasfaser oder Kabelnetz).
	Ein Endgerät bildet den Netzabschluss und stellt in der Regel die Schnittstelle zur Benutzerin/zum Benutzer dar, ohne selbst notwendiger Bestandteil des Netzes zu sein (z. B. ein PC, Smartphone oder Netzwerkdrucker).
	Ein Server ist ein Endgerät, auf dem hauptsächlich Anwendungen laufen, die auf Anfragen von Client-Anwendungen auf anderen Endgeräten warten und diese über das Netwzerk beantworten.

Die kleinsten lokalen Netzwerke – die Netzwerksegmente – bestehen nur aus Switches (bzw. APs) und Endgeräten, sowie ggf. einer Schnittstelle zu einem Router, der es mit der Außenwelt verbindet. Diese Routerschnittstelle wird als Gateway (engl. für “Ein-/Ausfahrtstor”) des lokalen Netzwerks bezeichnet. Mittels Routern (und Modems) werden kleinere Netzwerke hierarchisch zu komplexeren, weiträumigeren Netzwerken verbunden – von kleinen lokalen Nerkwerken (LAN) über städteumfassenden “Metropolitan Area Networks” (MAN) und länderumfassende “Wide Area Networks” (WAN) bis hin zu weltumspannenden “Global Area Networks” (GAN), die das Internet bilden.

Adressierung im Netzwerk

IP-Adressen

Eine der wichtigsten Aufgaben des Internetprotokolls (IP) besteht darin, einzelne Geräte im Netzwerk zu finden. Dazu muss jedes Gerät im Netzwerk mit einer eindeutigen Adresse identifiziert werden, die als IP-Adresse bezeichnet wird. Diese Adressen liegen als Bitfolgen aus Einsen und Nullen vor, damit sie von digitalen Geräten möglichst einfach verarbeitet werden können.

Im Protokoll IPv4 ist jede IP-Adresse 32 Bit (= 4 Byte) lang. Der besseren Lesbarkeit halber werden diese Bitfolgen üblicherweise in Dezimalpunktschreibweise (engl. dotted decimal notation) angegeben: Hierbei wird jedes Byte in eine Dezimalzahl umgewandelt und die Zahlen mit einem Punkt dazwischen notiert, z. B. 192.168.1.20 statt 11000000 10101000 00000001 00010100.

Subnetze

Eine wichtige Voraussetzung für diese Adressen ist, dass sie hierarchisch aufgebaut sind, damit an ihnen abgelesen werden kann, zu welchem Netzwerkbereich sie gehören – ähnlich einer Telefonnummer, die aus Ländervorwahl, Ortsvorwahl und Rufnummer besteht. Eine IP-Adresse beginnt dazu mit einem Netzwerkteil (quasi die “Vorwahl”), gefolgt von einem Geräteteil (die “Rufnummer”). Die Werte der Netzwerkteil-Bits sind dabei für alle Adressen innerhalb desselben Netzwerks festgelegt (und damit für alle Geräte im Netzwerk identisch), während die Werte der Geräteteil-Bits frei wählbar sind. Ein solcher zusammengehöriger Netzbereich innerhalb eines größeren Netzwerks, der einen abgeschlossenen IP-Adressbereich verwendet, wird auch als Subnetz bezeichnet. Subnetze können in weitere Subnetze unterteilt werden. Lokale Netzwerke (LAN) bzw. Netzwerksegmente stellen dabei die kleinsten Subnetze dar.

Ein IP-Adressbereich lässt sich in Kurzform in Präfixnotation angeben, also durch die erste IP-Adresse im Bereich, gefolgt von der Länge des Netzwerkteils in Bit (die sogenannte Präfixlänge), z. B. 192.168.1.0/24 für den Adressbereich von 192.168.1.0 bis 192.168.1.255.

Beispiel: Für die Uni Kiel ist der IP-Adressbereich von 134.245.0.0 bis 134.245.255.255 registriert. Alle Adressen beginnen mit 134.245 bzw. mit der Bitfolge 10000110 11110101. Die ersten 16 Bit stellen hier den Netzwerkteil dar, an dem erkannt werden kann, dass es sich um eine Adresse der Uni Kiel handelt. Die Präfixnotation dieses Bereich lautet demnach 134.245.0.0/16.

Innerhalb dieses Adressbereichs können weitere Teilbereiche unterschiedlicher Größe festgelegt werden: So könnte beispielsweise der Bereich 134.245.10.0 bis 134.245.10.255 für das lokale Netzwerk der Unibibliothek reserviert sein (in Präfixnotation 134.245.10.0/24). Für dieses Subnetz stellen die ersten 24 Bit den Netzwerkteil dar, alle Adressen im Subnetz der Unibibliothek beginnen also mit 134.245.10 bzw. mit der Bitfolge 10000110 11110101 00001010.

Bei der Einrichtung eines Netzwerks wird jedem Endgerät eine IP-Adresse aus dem Adressbereich des Netzwerks zugewiesen. Dabei muss jedem Gerät eine unterschiedliche IP-Adresse zugewiesen werden, damit die Geräte im Subnetz eindeutig identifiziert werden können.

Die erste und letzte Adresse aus dem Netzwerk-Adressbereich werden nicht vergeben, da sie Sonderbedeutungen haben: Die erste Adresse steht für das Netzwerk selbst (“Netzwerkadresse”), die letzte Adresse ist die sogenannte Broadcast-Adresse. Pakete, die an diese Adresse verschickt werden, werden an alle Geräte im Netzwerk weitergeleitet statt an ein bestimmtes.

Die Größe eines Adressbereich lässt sich direkt aus der Präfixlänge berechnen: Beim Subnetz 134.245.10.0/24 mit einer Präfixlänge von 24 Bit (= Länge des Netzwerkteils) bleiben 8 Bit übrig (= Länge des Geräteteils), die frei wählbar sind, also umfasst das Subnetz 2⁸ = 256 Adressen (von denen max. 254 an Geräte vergeben werden können). Das Subnetz 134.245.0.0/20 umfasst dagegen 2¹² = 4096 Adressen, da 12 Bit auf den Geräteteil entfallen.

Subnetzmaske

Der Adressbereich für ein Subnetz wird oft auch mit Hilfe der sogenannten Subnetzmaske angegeben: eine Bitfolge mit derselben Länge wie die IP-Adressen, die mit einer bestimmten Anzahl von 1-Bits beginnt, gefolgt von 0-Bits. Die 1-Bits geben an, welche Bits der IP-Adresse fest sind (der Netzwerkteil), während die 0-Bits angeben, welche Bits frei gewählt werden können (der Geräteteil).

Jedes Gerät im Netzwerk kennt seine eigene IP-Adresse sowie die Subnetzmaske und kann daraus den Adressbereich seines Subnetzes ermitteln. Die Subnetzmaske wird üblicherweise im selben Format angegeben wie die IP-Adresse, bei IPv4 also in Dezimalpunktschreibweise.

Beispiel 1: Einem Gerät im Netzwerk wurde die IP-Adresse 192.168.1.20 zugewiesen. Die Subnetzmaske lautet 255.255.255.0.

Um den Adressbereich des Netzwerks zu ermitteln, betrachten wir die Binärdarstellung der Subnetzmaske: 11111111 11111111 11111111 00000000. Das bedeutet, die ersten 24 Bit (= 3 Byte) sind bei allen Adressen im Netzwerk gleich, die letzten 8 Bit können frei gewählt werden. Jede IP-Adresse in diesem Subnetz beginnt also mit 192.168.1., gefolgt von einer Zahl zwischen 0 und 255. Die Netzwerkadressen umfassen also den Bereich 192.168.1.0 bis 192.168.1.255.

Die Adresse 192.168.1.0 steht für das Netzwerk selbst, die Adresse 192.168.1.255 für einen Broadcast im Netzwerk. Es können also bis zu 254 IP-Adressen für Geräte im Netzwerk vergeben werden, nämlich die Adressen 192.168.1.1 bis 192.168.1.254.

Beispiel 2: Einem Gerät im Netzwerk wurde die IP-Adresse 134.245.180.100 zugewiesen. Die Subnetzmaske lautet 255.255.240.0.

Um den Adressbereich des Netzwerks zu ermitteln, betrachten wir die Binärdarstellung der Subnetzmaske: 11111111 11111111 11110000 00000000. Das bedeutet, die ersten 20 Bit (= 2 Byte und die ersten 4 Bit des 3. Bytes) sind bei allen Adressen im Netzwerk gleich, die letzten 12 Bit können frei gewählt werden.

Hier ist es etwas komplizierter, den Adressbereich zu ermitteln. Die ersten beiden Byte sind fest, die Netzwerkadresse beginnt also mit 134.245. Beim nächsten Byte sind die ersten 4 Bit fest. Die Binärdarstellung der Dezimalzahl 180 lautet 10110100. Die erste 8-Bit-Binärzahl, die mit 1011 beginnt, ist 10110000 (dezimal 176), die letzte ist 10111111 (dezimal 191). Das letzte Byte kann komplett frei gewählt werden. Die Netzwerkadressen umfassen hier also den Bereich 134.245.176.0 bis 134.245.191.255.

Private Netzwerke

Die folgenden IP-Adressbereiche sind für private Netzwerke reserviert:

• 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (umfasst 65 536 Adressen)
• 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (umfasst ca. 1 Mio. Adressen)
• 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (umfasst ca. 16,7 Mio. Adressen)

Private Netzwerke können wiederum in Subnetze aufgeteilt werden (z. B. ein privates Netzwerk mit dem Adressbereich 192.168.0.0/16 in 256 Subnetze mit jeweils 256 Adressen).

Diese IP-Adressen sind nicht global eindeutig, sondern können in beliebig vielen lokalen Netzwerken vorkommen. Da sie nicht eindeutig sind, können diese Adressen nicht über lokale Netzwerkgrenzen hinaus, also auch nicht im Internet geroutet werden. Stattdessen werden Rechner, die solche privaten IP-Adressen haben, im Internet durch die IP-Adresse ihres Gateway-Routers repräsentiert.

MAC-Adressen

…

Eine MAC-Adresse entspricht also in etwa der Personalausweis-ID einer Person: Sie ist global eindeutig, fest mit der Person verbunden und unveränderlich. Die IP-Adresse entspricht dagegen der Postadresse einer Person: Sie ist hierarchisch aufgebaut (Land, PLZ/Ort, Straße, Hausnummer, Name am Briefkasten), gibt Ausschluss darüber, wo sich eine Person befindet und ändert sich, wenn die Person umzieht. Beide Adressierungsarten können unter verschiedenen Umständen nützlich sein.