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Rechnernetz einfach erklärt: Aufbau und Datenweg
Ein Rechnernetz verbindet selbstständige technische Systeme, damit sie Daten austauschen und Ressourcen gemeinsam nutzen können. Knoten wie Computer, Server, Switches und Router kommunizieren über Kabel, Glasfaser oder Funk nach vereinbarten Regeln, den Protokollen.
Auf dieser Seite verfolgst du einen Datenweg durch ein Netz und lernst, die beteiligten Komponenten, Pakete und Schichten zu erklären.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was macht ein Rechnernetz aus?
Stell dir zwei Computer vor, die eine Datei austauschen sollen. Ohne Verbindung können sie nicht miteinander kommunizieren. Ein Rechnernetz stellt die benötigten Verbindungen und gemeinsamen Regeln bereit.
Rechnernetz
Ein Rechnernetz ist ein Zusammenschluss selbstständiger technischer Systeme, der Kommunikation ermöglicht. Es besteht aus Knoten und Verbindungen.
Knoten sind Geräte, die Daten erzeugen, verarbeiten oder weiterleiten. Dazu gehören Endgeräte, Server, Switches und Router. Verbindungen transportieren die Signale, zum Beispiel über Netzwerkkabel, Glasfaser oder WLAN.
Rechnernetze ermöglichen unter anderem:
- den Austausch von Nachrichten, Dokumenten und Bildern,
- die gemeinsame Nutzung eines Druckers oder Internetzugangs,
- den Zugriff auf Dienste eines Servers,
- die Kommunikation über große Entfernungen.
In einem Schulnetz sendet ein Notebook einen Druckauftrag. Das Notebook, der Switch und der Drucker sind Knoten. Netzwerkkabel oder Funkstrecken bilden die Verbindungen. Der Drucker ist eine gemeinsam genutzte Ressource.
Ein Gerät allein ist noch kein Rechnernetz. Erst Knoten, Verbindungen und gemeinsame Kommunikationsregeln ermöglichen den Datenaustausch.
Welche Aufgaben haben Client, Server, Switch und Router?
Die Komponenten eines Netzes übernehmen unterschiedliche Aufgaben. Ein Endgerät kann dabei je nach Anwendung verschiedene Rollen spielen.
Client und Server
Ein Client fordert einen Dienst an. Ein Server stellt diesen Dienst bereit. Die Begriffe beschreiben Rollen in einer Kommunikation, nicht unveränderliche Gerätetypen.
Ein Rechner kann bei einer Anwendung Client und bei einer anderen Server sein. Auch gleichartige Teilnehmer können Aufgaben direkt untereinander teilen; das nennt man Peer-to-Peer.
Ein Switch verbindet Geräte oder Netzabschnitte innerhalb eines lokalen Netzes. Bei Ethernet lernt er aus den Quelladressen eingehender Frames, über welchen Port ein Gerät erreichbar ist. Kennt er den Zielport, leitet er den Frame gezielt dorthin weiter.
Ein Router verbindet unterschiedliche Netze. Er leitet Pakete anhand logischer Adressen in Richtung des Zielnetzes weiter. So kann er beispielsweise ein lokales Schulnetz mit weiteren Netzen verbinden.
Ein Client fordert eine Webseite von einem Server an:
- Die Anwendung des Clients erzeugt die Anfrage.
- Der Switch leitet den zugehörigen Frame im lokalen Netz weiter.
- Liegt der Server in einem anderen Netz, übergibt das lokale Netz das Paket an einen Router.
- Weitere Router können das Paket zum Zielnetz weiterleiten.
- Der Server verarbeitet die Anfrage und sendet eine Antwort zurück.
Der tatsächliche Transport läuft durch mehrere technische Ebenen. Diese Ebenen lernst du später genauer kennen.
Warum werden Daten in Pakete zerlegt?
Bei der Paketvermittlung wird eine größere Datenmenge in kleinere Einheiten zerlegt. Verschiedene Kommunikationsbeziehungen können dadurch dieselben Leitungen abwechselnd nutzen.
Paketvermittlung
Bei der Paketvermittlung werden Daten in Pakete zerlegt. Vermittlungsknoten speichern ein Paket vorübergehend und leiten es in Richtung des Ziels weiter.
Bei einer verbindungslosen Datagrammvermittlung wird kein fester Übertragungsweg im Voraus aufgebaut. Pakete können unabhängig weitergeleitet werden. Ändert sich das Netz, können Weiterleitungstabellen angepasst werden.
Die Paketierung hat Vorteile:
- Mehrere Kommunikationsbeziehungen können eine Leitung gemeinsam nutzen.
- Ein Vermittlungsknoten muss nicht auf die vollständige Nachricht warten.
- Bei einem Übertragungsfehler muss nicht zwingend die gesamte große Datenmenge erneut gesendet werden.
Sie erzeugt aber auch Aufgaben: Pakete benötigen Adressen und Steuerinformationen. Verluste, unterschiedliche Laufzeiten oder eine veränderte Reihenfolge müssen bei Bedarf von passenden Protokollen behandelt werden.
Zwei Lernende laden gleichzeitig Dateien über dieselbe Verbindung. Das Netz kann Pakete beider Übertragungen abwechselnd weiterleiten. Die Leitung muss nicht erst vollständig für eine einzige Datei reserviert werden.
Wie finden Daten ihr Ziel?
Netzwerke verwenden auf verschiedenen Ebenen unterschiedliche Adressen.
- Eine MAC-Adresse dient bei Ethernet der Adressierung auf der Sicherungsschicht. Ein Switch nutzt solche Adressen für die Weiterleitung im lokalen Netz.
- Eine IP-Adresse ist eine logische Adresse auf der Vermittlungsschicht. Sie ermöglicht die Adressierung über Netzgrenzen hinweg.
- Ein Hostname ist ein für Anwendungen verwendeter Name eines Rechners oder Dienstes.
Ein Protokoll legt fest, wie Kommunikationspartner Informationen darstellen, austauschen und auswerten. Protokolle können unter anderem Adressierung, Kapselung, Fehlerbehandlung und Flusskontrolle regeln.
Routing und Forwarding sind nicht dasselbe: Routing bestimmt oder organisiert geeignete Wege und baut dafür Informationen auf. Forwarding nutzt diese Informationen, um ein konkretes Paket oder einen Frame zum passenden Ausgang weiterzuleiten.
Ein Ethernet-Switch empfängt einen Frame:
- Ist der Zielport bekannt und nicht mit dem Empfangsport identisch, leitet er den Frame dorthin weiter.
- Ist das Ziel unbekannt, sendet er den Frame an alle anderen Ports.
- Einen Broadcast leitet er an alle anderen Ports weiter.
Die Weiterleitungstabelle ist ein zeitlich begrenzter Speicher aktiver Geräte. Sie muss nicht ständig alle möglichen Geräte enthalten.
Warum gibt es Netzwerkschichten?
Eine einzige Regel für alle Kommunikationsaufgaben wäre schwer zu entwickeln und auszutauschen. Deshalb werden die Aufgaben in Schichten gegliedert. Jede Schicht bietet der darüberliegenden Schicht einen Dienst und nutzt ihrerseits die darunterliegende Schicht.
Ein einfaches Modell fasst die Kommunikation in vier Ebenen zusammen:
| Ebene | Zentrale Aufgabe | Beispiele |
|---|---|---|
| Anwendung | Dienste für Programme bereitstellen | HTTP, DNS |
| Transport | Prozesse Ende-zu-Ende verbinden, Datenströme bei Bedarf absichern | TCP, UDP |
| Vermittlung | Pakete über Netze adressieren und weiterleiten | IP |
| Netzwerkzugriff | Frames und Bits über das konkrete Medium übertragen | Ethernet, WLAN |
Kapselung
Bei der Kapselung ergänzt eine Schicht die Daten der höheren Schicht um eigene Steuerinformationen. Beim Empfänger werden diese Ergänzungen in umgekehrter Reihenfolge ausgewertet und entfernt.
Eine Webanfrage durchläuft vereinfacht diesen Weg:
- Die Anwendung erzeugt die Anfrage.
- Die Transportschicht ergänzt Informationen für die Ende-zu-Ende-Kommunikation.
- Die Vermittlungsschicht bildet ein IP-Paket mit logischen Adressen.
- Der Netzwerkzugriff kapselt das Paket für die nächste Verbindung in einen Frame.
- Am Ziel werden die Schichten in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen.
Ein Router verarbeitet grundsätzlich Aufgaben der unteren Ebenen bis zur Vermittlung. Transport- und Anwendungsaufgaben bleiben zwischen den Endsystemen wirksam.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Ein Ethernet- gehört zum Netzwerkzugriff. Ein IP- wird auf der Vermittlungsebene weitergeleitet. Die Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen Prozessen ist eine Aufgabe der .
Welche Netzformen und Empfänger gibt es?
Die Topologie beschreibt, wie Komponenten physisch oder logisch miteinander verbunden sind. In der Praxis treten häufig Mischformen auf.
- Beim Stern sind Geräte an einen zentralen Verteiler angeschlossen. Fällt dieser aus, kann das ganze Teilnetz betroffen sein.
- Beim Bus teilen mehrere Teilnehmer ein Medium. Dadurch können Kollisionen entstehen.
- In einem vermaschten Netz bestehen mehrere mögliche Verbindungen. Beim Ausfall einer Leitung kann ein anderer Weg verfügbar sein.
Auch die Zahl der Empfänger unterscheidet sich:
- Unicast: genau ein bestimmter Empfänger,
- Broadcast: alle Teilnehmer eines passenden Netzbereichs,
- Multicast: eine bestimmte Gruppe von Empfängern,
- Anycast: ein erreichbarer Teilnehmer aus einer Servergruppe.
Topologie beschreibt die Struktur eines Netzes. Unicast, Broadcast, Multicast und Anycast beschreiben dagegen, an wen eine Übertragung gerichtet ist.
Einen Datenweg selbst untersuchen
Betrachte diese Situation: Ein Notebook ist per WLAN mit einem lokalen Netz verbunden. Ein Switch verbindet weitere Geräte. Ein Router koppelt das lokale Netz an ein anderes Netz, in dem der gewünschte Server steht.
Aufgabe: Ordne den Weg und die Aufgaben der Komponenten.
Lösung:
- Das Notebook handelt als Client und erzeugt eine Anfrage.
- Der Netzwerkzugriff überträgt die Daten zunächst über die lokale Funkverbindung.
- Im lokalen Netz vermittelt ein Switch Ethernet-Frames anhand von MAC-Adressen.
- Der Router leitet IP-Pakete in Richtung des anderen Netzes weiter.
- Der Server empfängt die Anfrage als Anbieter des Dienstes und erzeugt eine Antwort.
- Beim Senden werden Daten schrittweise gekapselt; beim Empfänger wird die Kapselung schrittweise entfernt.
Der entscheidende Gedanke: Client und Server beschreiben Anwendungsrollen, Switch und Router dagegen Vermittlungsaufgaben auf unterschiedlichen Ebenen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Rechnernetz
- Aufbau: Knoten und Verbindungen
- Rollen: Client und Server
- Vermittlung: Switch im lokalen Netz
- Netzkopplung: Router zwischen Netzen
- Transportprinzip: Paketvermittlung
- Orientierung: MAC- und IP-Adressen
- Zusammenarbeit: Protokolle und Schichten
- Struktur: Stern, Bus oder vermascht
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du bei einem Datenweg nicht nur Geräte aufzählst, sondern für jede Station erklären kannst: Welche Aufgabe übernimmt sie, welche Adresse nutzt sie und zu welcher Schicht gehört diese Aufgabe?