Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 12 Lokale Netze: Einführung und Topologien

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Lokale Netze LANs waren von Anfang an der Netztyp, mit dem die höchste Leistung für angeschlossene Geräte realisiert werden konnte. Trotz der hier recht früh greifenden Standardisierung gab es viele, sehr unterschiedliche Systeme. Dieser Teil der IP-Insider-Grundlagenserie zeigt, was LANs auszeichnet und wie diese grundsätzlich funktionieren.

Lokale Netze gibt es in diversen Topologie-Ausprägungen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Lokale Netze gibt es in diversen Topologie-Ausprägungen; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

PC-Netze und Intranets stellen heute in den allermeisten Unternehmen und Organisationen die Basis jedweder Datenverarbeitung dar. Sie unterstützen die Arbeit des Einzelnen, des Teams und des gesamten Unternehmens. Sie heben die Grenzen der einzelnen Arbeitsplätze auf und helfen, Medienbrüche zu vermeiden.

Technische Grundlage für diese Netze sind LANs in den unteren zwei bis vier Schichten des OSI-Modells. Ein PC-Netz entsteht, indem innerhalb eines LANs neben den Arbeitsplatzrechnern auch Server installiert werden, die mit einer speziellen Software für den Daten- und Funktionsverbund ausgestattet werden. Lange Jahre war hier NetWare von Novell ein führendes Produkt.

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Ein Intranet entsteht dadurch, dass man auf den genannten Servern die TCP/IP-Protokollfamilie und entsprechende Software installiert, die prinzipiell die gleichen Funktionen wie bei Internet-Servern aufweist. So können die Arbeitsplatz-PCs mit ihren ohnehin im Rahmen des Betriebssystems (Windows, Linux, etc.) vorhandenen Standard-Hilfsmitteln wie Browsern die Dienste der Server einfach und bequem nutzen.

Die Eroberung des Privaten

Im Heimbereich sind LANs seit einigen Jahren ebenfalls auf dem Vormarsch. Denn sobald man z.B. an einen DSL-Anschluss eines Service-Providers mehr als ein Endgerät anschließt, wird ein internes LAN nötig. Der Benutzer merkt davon in vielen Fällen jedoch nichts, weil hier sehr oft drahtloseWireless LANs benutzt werden, die nicht an Kabel gebunden sind und sich sogar selbst organisieren können. Im Heimbereich sind LANs neben den PC-basierten Funktionen wie Internet-Zugriff zudem Träger von Multimedia- und Unterhaltungsanwendungen.

LANs gibt es mittlerweile seit rund 30 Jahren. Kein Wunder also, dass vielfältige Systeme in unterschiedlichen Leistungsstufen entstanden sind. Wir beschränken uns hier allerdings nur auf diejenigen Systeme, die heute in Unternehmen und Organisationen in hohem Maße eingesetzt werden.

Auch bei LANs hat die rasante Entwicklung des letzten Jahrzehnts eine Reihe von Arten (und Abarten) hervorgebracht, mit denen sich der Einsteiger auseinandersetzen muss. Denn vieles von dem, was heute längst nicht mehr zur aktuellen Technologie zählt, lebt in zahlreichen Unternehmen und Organisationen heute noch munter weiter.

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proprietär und monolithisch vs. standardisiert und modular

Früher, vor mehr als 15 Jahren, gab es eindeutige Beziehungen zwischen Übertragungsmedium, Übertragungssystem, LAN-Typ, Protokollstack und Betriebssoftware. Festgelegte Definitionen wie beispielsweise „Koaxialkabel, Übertragung mit Manchester Codierung, CMSA/CD (Ethernet), IPX/SPX (Novell Protokollstack), NetWare“ machten dem Interessenten zwar die Wahl zur Qua, erleichterten aber letztlich auch die Übersicht.

Heute möchte man in großen Unternehmen auf einem universellen Verkabelungssystem die wichtigsten LAN-Typen sowie Telefonie und ISDN modular und flächendeckend unterstützen, unterschiedliche LAN-Typen in Technikräumen auf die Datensteckdosen schalten, diese unterschiedlichen LANs in sog. multifunktionalen Hubs oder Switches realisieren und auf einem derartigen LAN viele logische Verbindungen aus ggf. unterschiedlichen Protokollstacks laufen lassen, um die diversen anwendungsunterstützenden Grunddienste angemessen zu realisieren.

Hubs

Hubs sind Schaltkästen, in denen traditionelle LANs auf kleinem Raum nachgemacht werden. Sie verhalten sich also auch so. Hubs verursachen daher keine Leistungssteigerungen sondern bieten hauptsächlich den Vorteil einer systematischen, strukturierten Verkabelung.

Switches

Switches sind Schaltkästen, die zwar nach außen hin den Stationen gegenüber so aussehen wie ein traditionelles LAN und auch die dort definierten Paketformate akzeptieren und bearbeiten, innen aber mit allermodernster Technik ausgerüstet und in der Lage sind, jede Station mit der vollen Bandbreite zu bedienen, so als sei diese Station alleine im Netz.

Im Gegensatz zum Unternehmen wünscht sich der Kleinanwender allerdings ein billiges und einfach zu installierendes Netz. Beiden kann geholfen werden.

Transport-Subsysteme im Rahmen einer Netzwerkarchitektur

Lokale Netze sind Transport-Subsysteme im Rahmen einer Netzwerkarchitektur. Die Unterschiede zu anderen Netztypen ergeben sich lediglich innerhalb der unteren Schichten des OSI-Referenzmodells. Spätestes ab Schicht vier darf eine Unterscheidung nicht mehr vorgenommen werden, da ja gerade die Einheitlichkeit und das »Ende-zu-Ende«-Argument für diese und die höheren Schichten verbindlich sind, damit Anwendungen und Anwender sich nicht mehr näher mit diesen technischen Einzelheiten und Unterschieden in der Netzwerkinfrastruktur verschiedener Netze auseinandersetzen müssen.

Ethernet, Token Ring und FDDI

Die lange Zeit wichtigen LANs Ethernet und Token Ring sind im Standard IEEE 802/ISO 8802 definiert, während FDDI von ANSI festgeschrieben wurde. Durch die Zusammenarbeit von ANSI und IEEE haben alle Standard-LANs heute aber eine gemeinsame Oberfläche auf der Schicht 2 des OSI-Modells: die sog. Logical Link Control. Dies bedeutet, dass die genannten LANs unter Berücksichtigung kleinerer technischer Einzelheiten von allen Anwendungsprogrammen gleichartig genutzt werden können.

Erst dies hat LANs bei Herstellern und Verbrauchern wirklich vorangebracht. Von LANs, die nicht diesen Standards entsprechen, wie bspw. ARCnet, war früh abzuraten. Das gleiche gilt aber auch für taufrische LAN-Varianten, bis sie endlich in den Standard aufgenommen werden. Nur ein Standard kann die problemlose Zusammenarbeit von Komponenten wie Adapterkarten auch unterschiedlicher Hersteller vorbereiten.

Die dramatischen Entwicklungen der Jahre ab 2000 haben jedoch weitere Opfer gefordert. Nur die Ethernet-Systemfamilie konnte sich angemessen weiterentwickeln und ist heute der einzige dominierende LAN-Typ mit maximalen Übertragungsraten zwischen einem und 100 Gbit/s – alle anderen LAN-Typen sind heute tot.

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LAN-Topologien im Überblick

An Übertragungsmedien stehen für den Aufbau eines LANs dieselben Techniken zur Verfügung, wie sie generell im Bereich der Nachrichtenübertragung zum Einsatz kommen: verdrillte Kabel in verschiedenen Ausführungen, Koaxialkabel, Lichtwellenleiter und Funkübertragungen in Luft.

Diese Grundlagen-Serie widmet den Wireless LANs aufgrund ihrer Komplexität einen eigenen Block. Wir sprechen hier also zunächst nur von kabelgebundenen LANs. Kabeltypen und Grundfragen der Übertragungstechnik wurden ja bereits in früheren Beiträgen dargestellt.

Für Lokale Netze haben sich im Wesentlichen drei Topologien etabliert: Stern, Ring und Bus.

Bei einem Sternsystem laufen alle Nachrichten in Richtung eines zentralen Umsetzers. In der Anfangszeit der Sternnetze hat man an vermittelnde Umsetzer wie bei Nebenstellenanlagen gedacht. Heute benutzt man die Sternstruktur vielmehr im Zusammenhang mit Hub- oder Switch-Systemen, bei denen von jeder angeschlossenen Station eine Leitung zum Hub/Switch und wieder zurückführt. Sternsysteme werden meist im Zusammenhang mit einer strukturierten UTP/S-STP/STP-Verkabelung benutzt.

Bussysteme gehen von dem Gedanken eines Mediums aus, welches in gewissen Abständen angezapft wird. Die Nachricht, die eine Station aussendet, wandert dann wie beim Radio mit dem Medium Luft in allen Richtungen über das Kabel. Diese Broadcastingtechnik ist zwar eine nachrichtentechnische Geradeauslösung, hat sich aber im ersten PC-LAN-Jahrzehnt stark am Markt durchgesetzt. Der Bus ist leicht erweiterbar, indem man einfach neben den bereits bestehenden eine weitere Anzapfung vornimmt. Bussysteme kann man auch mit Hub- oder Switch-Sternen nachbilden, wenn keine Koaxial-Verkabelung gewünscht wird.

Busse, Sterne und Stern-Busse sowie alle anderen denkbaren schleifenfreien Topologien sind sog. Diffusionsnetze.

Ring-LANs

Die andere große LAN-Gruppe sind die Ring-LANs, bei denen die Stationen sozusagen in Reihe geschaltet werden und die erste Station mit der letzten verbunden wird. Bei heutigen technischen Ausführungen wandern die Nachrichten jedoch nicht als ganzes von Station zu Station, sondern an jeder Station existiert ein sog. Ring-Interface, welches einige wenige Bits Speicher besitzt. Diese Speicherplätze hintereinander geschaltet bilden den Ring, für die Darstellung des Signals sind die Leitungen zwischen den Stationen nicht relevant. Um aber die Umlaufzeit nicht unnötig zu erhöhen, dürfen die einzelnen Speicher nicht allzu groß und die Anzahl der Stationen nicht allzu hoch sein.

Wie bereits erwähnt, entfallen viele topologische Grundüberlegungen im Rahmen einer angemessenen universellen Verkabelungsstrategie, die ja bereits in einem vorangegangenen Teil dieser Serie dargestellt wurde. Es bleibt jedoch der Unterschied zwischen schleifenfreien und schleifenhaltigen LANs.

Der nächste Teil beschäftigt sich mit den grundsätzlichen Steuerungsverfahren für LANs und geht dann wegen seiner überragenden Bedeutung zum Standard IEEE 802 bzw. ISO 8802 über.