Grundlagen der Vernetzung: Wie funktionieren Netzwerke?

Ein Netzwerk ist ein System von miteinander verbundenen Geräten, die Informationen miteinander austauschen, um korrekt zu funktionieren. Dazu können Laptops, Server, Smartphones und mehr gehören. Die Geräte kommunizieren über spezielle Netzwerke, die als Router und Switches bekannt sind. Da die Anzahl der mit dem Internet verbundenen Geräte weiter zunimmt, müssen wir verstehen, wie sie miteinander kommunizieren. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Netzwerkkomponenten und wie sie zusammenarbeiten, um uns das Surfen im Web, das Senden von E-Mails und mehr zu ermöglichen.

Es gibt verschiedene Arten von Netzwerken, die jeweils unterschiedliche Abdeckungsbereiche haben. Beginnen wir mit der Erkundung der verschiedenen Netzwerktypen:

Netzwerktypen:

LAN – Lokales Netzwerk

Ein LAN oder Local Area Network ist ein kleineres Netzwerk und auf eine Organisation oder ein Zuhause beschränkt. Zum Beispiel ist die Anzahl der Geräte, die mit Ihrem Heimnetzwerk verbunden sind, im Vergleich zu einem anderen Netzwerktyp begrenzt. Ein Schulnetzwerk, obwohl es größer ist als ein Heimnetzwerk, wird immer noch als LAN betrachtet, da es viele Geräte innerhalb desselben physischen Raums verbindet. Dazu gehören Computer, Server usw.

MAN – Metropolitan Area Network

MAN ist ein erweitertes Netzwerk, das die gesamte Stadt abdeckt.

Durch das Kombinieren und Verbinden mehrerer Netzwerke innerhalb einer Stadt würden wir ein MAN- oder Metropolitan Area Network bilden. Diese Art von Netzwerk ist umfassender und deckt die gesamte Stadt ab. Eine Netzwerkart, die im Vergleich zur durchschnittlichen Internetverbindung relativ schnellere Datenübertragungsraten bietet, wird als Metropolitan Area Network oder MAN bezeichnet.

WAN – Weitverkehrsnetz

Ein WAN (Wide Area Network) ist ein großes Computernetzwerk, das kleinere Netzwerke wie LANs (Local Area Networks) verbindet.

Ein WAN ist ein Netzwerk, das viele Städte oder Länder miteinander verbindet, damit Menschen das Internet nutzen oder leicht miteinander über ein großes Gebiet kommunizieren können. Wenn mehrere LANs einer Organisation miteinander verbunden sind, bildet sich ein WAN.

WWAN

Grundsätzlich ist das Internet ein weltweites Weitverkehrsnetz (WWAN).

WLAN – Drahtloses LAN

Ein drahtloses LAN, oder kurz Wi-Fi, ist ein Netzwerk, das typischerweise von unserem Heimrouter erstellt wird.

Ein WLAN ist eine Art von LAN, zu dem wir drahtlos von unseren Smartphones, Tablets, Laptops oder jedem anderen Gerät aus eine Verbindung herstellen können. Die drahtlose Umgebung, die Funkwellen zur Datenübertragung anstelle von Kabeln oder anderen physischen Medien nutzt, hat in Bezug auf Geschwindigkeit, Sicherheit und Abdeckung andere Eigenschaften als das kabelgebundene Netzwerk. Einer der größten Vorteile der drahtlosen Konnektivität ist ihre hohe Flexibilität.

Zusätzlich zu den oben genannten Netzwerktypen gibt es andere Netzwerke unterschiedlicher Größe oder Zweckbestimmung. Zum Beispiel,

• SAN- Speicherbereichsnetzwerk.
• EPN – Unternehmensprivatnetzwerk.
• VPN – Virtuelles privates Netzwerk.

Netzwerke können auf zwei Arten dargestellt werden:

Netzwerke werden typischerweise durch eine “Netzwerktopologie” dargestellt, die sich auf die Art und Weise bezieht, wie Geräte im Netzwerk verbunden sind. Es gibt zwei Haupttypen von Netzwerktopologien: logisch und physisch.

Logische Topologien

Logische Topologien veranschaulichen die logischen Aspekte eines Netzwerks, wie IP-Adressen, die Verbindung zwischen Geräten und die verwendeten Routing-Protokolle.

Physische Topologie

Die physische Topologie eines Netzwerks ist die Art und Weise, wie es physisch angeordnet ist. Dazu gehört, wo Geräte platziert werden, welche Art von Kabeln verwendet werden, wie viele Ports benötigt werden und an welche Ports/Schalter Server angeschlossen werden. Die physische Topologie ist ein Diagramm, das den Standort und den Zweck der Geräte im Netzwerk zeigt.

Der Zweck eines Geräts führt jedoch zu unterschiedlichen Netzwerktopologien.

Netzwerktopologien

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Geräte in einer Netzwerkumgebung darzustellen. Sie können basierend auf ihren unterschiedlichen Zwecken gruppiert werden.

Sternförmige Topologie

Die am häufigsten für LANs verwendete Topologie ist die Sterntopologie. Die Sterntopologie eignet sich am besten für kleinere Netzwerke, wie sie von kleinen Unternehmen genutzt werden.

Wenn wir beispielsweise nur Netzwerkverbindungen oder Internetzugang benötigen, können wir die Geräte in einer sternförmigen Topologie gruppieren. Alle Maschinen in diesem Netzwerk sind mit dem zentralen HUB verbunden. Wenn ein Knoten ausfällt, schadet oder beschädigt dies nicht das gesamte Netzwerk, da sie sehr einfach zu warten und zu erweitern sind.

Das Problem bei diesem Szenario ist jedoch der Mangel an Redundanz, die für die Computervernetzung unerlässlich ist.

Mesh-Topologie

Eine Mesh-Topologie ist am besten für ein zuverlässiges Netzwerk geeignet, wie z.B. einen Internetdienstanbieter (ISP). Bei diesem Design ist alles gesichert. Wenn also etwas mit einem Kabel oder Schalter schiefgeht, gibt es andere Möglichkeiten, auf das Internet oder das gewünschte Ziel zuzugreifen. Denken Sie daran, dass vollständige Redundanz bedeutet, dass Sie mehr Geräte und längere Kabel benötigen, was höhere Kosten bedeutet. Eine vollständige Mesh-Topologie kostet in der Regel mehr in der Implementierung als eine sternförmige Topologie.

Einige Beispiele für Mesh-Topologie sind Google Wi-Fi, Google Home oder Netzwerke in militärischen Geräten.

Teilweise Mesh-Topologie

Die teilweise Mesh-Topologie ist eine erschwinglichere Netzwerktopologie, die nur für einige der Schalter und Teile des Netzwerks Redundanz bietet. Die anderen Schalter haben keine alternativen Wege.

Hub-and-Spoke-Topologie

Die Hub-and-Spoke-Topologie wird häufig im WAN- (Internet-) Design verwendet. Die drei Router in dieser Topologie sind standardmäßig nicht miteinander vertraut. Damit die Daten ihr Ziel erreichen, müssen sowohl R1 als auch R3 ihren Datenverkehr an R2 senden, der weiß, wie er ihn korrekt weiterleitet. Wenn R1 beispielsweise Datenverkehr an R3 senden möchte, tun sie dies, indem sie ihn über den Hub (R2) senden. Der Hub weiß dann, wie er diesen Datenverkehr verarbeiten und weiterleiten kann.

Netzwerkkomponenten

Die Teile, die zusammenkommen, um ein Netzwerk zu bilden, sind:

Endgerät

Jedes physische Gerät, das wir zur Verbindung mit dem Internet verwenden, wird als Endgerät bezeichnet. Dazu gehören PCs, Laptops, Smartphones, Server und mehr. Die Verbindung kann über mehrere Kanäle hergestellt werden, wie z.B. Elektrizität, Lichtimpulse oder Funkwellen. Wir können drahtlos von unseren Smartphones, Laptops und PCs auf das Internet zugreifen. Wenn wir einen Laptop oder PC verwenden, können wir auch ein Netzwerkkabel (UTP) verwenden.

Switch

Ein Switch verbindet mehrere Endgeräte, wie Computer und Drucker, innerhalb eines Netzwerks (LAN).

Dieses Gerät ist bekannt für seine Fähigkeit, viele Ports zu handhaben, mit Geschwindigkeiten zwischen 1 und 10 Gbit/s pro Port. Der Switch verwendet MAC-Adressen, um die mit dem Netzwerk verbundenen Endgeräte zu identifizieren. Dies macht es einfach, zu verfolgen, welche Geräte sich mit Ihrem Netzwerk verbinden, und stellt sicher, dass nur autorisierte Geräte auf Ihre Daten zugreifen können.

Router

Ein Router verbindet mehrere kleinere Netzwerke (LANs), um ein großes Netzwerk (WAN- Weitverkehrsnetzwerk) zu bilden. Der Router ist ein Gerät, das uns mit dem Internet verbindet, indem es die Paketlieferung von jeder Netzwerkquelle zu jedem Zielnetzwerk verwaltet. Der Router verwendet IP-Adressen, um Geräte zu identifizieren, die Daten senden und empfangen. Ein Router hat typischerweise zwischen 2 und 5 Ports, im Gegensatz zu einem Switch, der viele mehr haben kann. Darüber hinaus haben beide Geräte vergleichbare Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s bis 10 Gbit/s, abhängig vom Modell.

Firewall

Wir sind besser gerüstet, um mögliche virtuelle Einbrüche zu stoppen, indem wir eine Firewall haben.

Übertragungsmedium

Das Übertragungsmedium ist das Mittel, durch das Informationen übertragen werden, z.B. durch ein Kabel oder drahtlos.

Wie kommunizieren Computer über das Internet?

Der Datenverkehr muss eine eindeutige Kennung haben, um mit Websites wie Facebook und Google zu kommunizieren. Dies wird als IP oder Internetprotokoll bezeichnet. IP, oder Internetprotokoll, ist, wie wir ein Gerät entweder in einem Netzwerk oder im Internet identifizieren. Diese Nummer muss eindeutig sein. Sie können nicht zwei identische IP-Adressen im selben Netzwerk oder im Internet haben, da dies einen Konflikt verursachen würde und Ihre Verbindung nicht richtig funktionieren würde.

Wachstum des Internets

In den letzten Jahren hat die Anzahl der weltweit verbundenen Geräte explosionsartig zugenommen. Wussten Sie, dass es im Jahr 2020 etwa 50 Milliarden Geräte gab, die mit dem Internet verbunden waren? Und von diesen 50 Milliarden Geräten ist eine zunehmend hohe Anzahl Teil des Internets der Dinge (IoT).

Das Internet der Dinge (IoT) beschreibt Geräte, die Daten voneinander sammeln und das Internet zur Kommunikation nutzen können. Einige Beispiele für gängige IoT-Geräte sind Sensoren, Smart-Home-Geräte, Zahlungsterminals und intelligente Wearables. Diese Geräte müssen ebenfalls eine IP-Adresse haben.

IP-Adressen gibt es in zwei Arten:

Öffentliche IP vs. Private IP

Öffentliche IP-Adressen

Wie der Name schon sagt, werden öffentliche IP-Adressen für die Kommunikation über das Internet verwendet. Organisationen wie NIC (Network Information Centre) und IANA registrieren öffentliche IP-Adressen, die dann Internetdienstanbietern (ISPs) oder anderen Gruppen zugewiesen werden.

Private IP-Adressen

Private IP-Adressen werden normalerweise in lokalen Netzwerken (LANs) verwendet, wie Heim- oder Schulnetzwerken. Folglich können private IP-Adressen im Internet nicht gefunden werden. Um Computern die Kommunikation miteinander über das Internet zu ermöglichen, wurde ein Protokoll entwickelt, das als NAT (Network Address Translation) bekannt ist. Dieses wandelt private IP-Adressen in öffentliche IPs um.

NAT kann die Sicherheit unseres Netzwerks verbessern, indem es einem Angreifer erschwert wird, auf private IP-Adressen zuzugreifen.

Kurz gesagt

Da die Anzahl der mit dem Internet verbundenen Geräte weiter wächst, müssen wir verstehen, wie sie miteinander kommunizieren. Dieser Artikel betrachtet die verschiedenen Netzwerkkomponenten und wie sie zusammenarbeiten, um uns das Surfen im Web, das Senden von E-Mails und mehr zu ermöglichen. Wir haben auch untersucht, wie IP-Adressen eine Rolle bei der Identifizierung von Geräten spielen und warum private IPs in lokalen Netzwerken verwendet werden. Das Verständnis dieser Technologien wird immer wichtiger, da wir in eine zunehmend vernetzte Welt eintreten.