Rechnernetz einfach erklärt: Aufbau und Datenweg
Du lernst, wie Geräte verbunden sind, Nachrichten weitergeben und sich die Arbeit beim Austausch von Daten teilen.
Kurz gesagt
Ein Rechnernetz verbindet Geräte, damit sie Daten, also etwa Texte oder Bilder, austauschen können. Die Daten können direkt oder über weitere Geräte zum Ziel gelangen.
Wenn du einen Text an einen anderen Computer schickst, arbeiten mehrere Teile zusammen. Die Geräte brauchen Verbindungen und gemeinsame Regeln. Hier erfährst du, wie sich ihre Aufgaben unterscheiden.
Deine Lernziele
Ein Rechnernetz ermöglicht den Datenaustausch zwischen verbundenen Geräten. Dazu können zum Beispiel Computer, Tablets und Drucker gehören. Verbindungen können Kabel nutzen oder per Funk arbeiten. Funk überträgt Daten ohne Kabel zwischen den Geräten.
Ein vereinfachtes Netzbild stellt die beteiligten Geräte als Knoten dar. Eine Linie zwischen zwei Knoten steht für eine Verbindung, über die diese Geräte unmittelbar Daten austauschen können. Die Linie zeigt dabei nicht unbedingt ein Kabel: Sie kann auch eine Funkverbindung darstellen.
Zwei Geräte brauchen nicht unbedingt eine direkte Verbindung miteinander. Gibt es einen passenden Weg über weitere Geräte, können diese als Zwischenstationen Daten weitergeben. Eine Zwischenstation ist also ein Gerät auf dem Weg zwischen Sender und Ziel.
Knoten und Verbindung
In unseren Netzbildern steht ein Knoten für ein Gerät. Eine Verbindung zeigt einen unmittelbaren Übertragungsweg zwischen zwei Geräten.
Beispiel: Ein ausgedachtes Netz in einer Bibliothek
- 1Ein Netzbild zeigt ein Tablet, einen Computer und einen Drucker.
- 2Eine Linie verbindet das Tablet mit dem Computer. Eine weitere verbindet den Computer mit dem Drucker.
- 3Das Bild enthält drei Knoten und zwei Verbindungen.
- 4Auf dem eingezeichneten Weg vom Tablet zum Drucker ist der Computer die Zwischenstation.
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Ein Programm gibt einem Gerät Anweisungen, was es tun soll. Client und Server bezeichnen Rollen von Programmen. Ein Client fordert einen Dienst an. Ein Dienst ist hier ein angebotenes Können, etwa das Bereitstellen eines Textes. Ein Server stellt den angeforderten Dienst bereit. Die beiden Programme können auf verschiedenen Geräten oder auf demselben Gerät laufen. Ein Gerät kann deshalb beide Rollen übernehmen.
Ein Switch verbindet Geräte innerhalb eines lokalen Netzes. Lokal bedeutet hier: innerhalb des betrachteten einzelnen Netzes. Ein Anschluss ist eine Verbindungsstelle am Switch. Der Switch nutzt Geräteadressen, also Kennungen von Geräten, um passende Anschlüsse zu erkennen.
Für den hier betrachteten einfachen Switch gilt: Bei einer Nachricht an ein einzelnes Gerät leitet er gezielt zum Zielanschluss weiter, wenn dieser bekannt ist. Ist der Zielanschluss unbekannt, sendet er die Nachricht an alle anderen betriebsbereiten Anschlüsse. Nachrichten an mehrere Geräte können ebenfalls über mehrere Anschlüsse weitergehen. Ein Switch sendet also nicht jede Nachricht gezielt an genau einen Anschluss.
Ein Router leitet Daten zwischen verschiedenen Rechnernetzen weiter. Die Unterscheidung zwischen Switch und Router beschreibt hier ihre Grundaufgaben. Ein Gerät kann mehrere Funktionen verbinden: Manche Switches können zusätzlich Aufgaben eines Routers übernehmen.
| Bezeichnung | Grundaufgabe |
|---|---|
| Client | Fordert einen Dienst an. |
| Server | Stellt einen Dienst bereit. |
| Switch | Leitet im lokalen Netz weiter; bei bekanntem Einzelziel gezielt zum passenden Anschluss. |
| Router | Leitet Daten zwischen verschiedenen Netzen weiter. |
Beispiel: Ein ausgedachtes Programm in einer Bildausstellung
- 1Ein Anzeigeprogramm fordert einen beschreibenden Text zu einem Bild an.
- 2Ein anderes Programm stellt diesen Text bereit.
- 3Das Anzeigeprogramm handelt als Client. Das bereitstellende Programm handelt als Server.
- 4Diese Rollen sagen noch nicht, ob die Programme auf einem oder auf zwei Geräten laufen.
Merke: Client und Server sind Rollen. Switch und Router benennen unterschiedliche Weiterleitungsaufgaben, die ein Gerät auch verbinden kann.
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Eine lange Nachricht kann für die Übertragung in kleinere Teile zerlegt werden. Ein Datenpaket enthält einen solchen Teil und Angaben für die Übertragung, etwa zum Ziel. Das Weitergeben solcher Pakete durch ein Netz heißt Paketvermittlung.
Pakete verschiedener Nachrichten können eine Leitung abwechselnd nutzen. Die Leitung muss dadurch nicht für die gesamte Übertragung einer langen Nachricht für einen einzelnen Nutzer reserviert sein. Das kann die gemeinsame Nutzung verbessern. Eine gerechte Verteilung entsteht dadurch aber nicht von selbst.
Gibt es mehrere nutzbare Wege zum Ziel, können Pakete bei einem Ausfall über einen anderen Weg weitergeleitet werden. Ohne einen anderen nutzbaren Weg ist dieses Ausweichen nicht möglich. Das Zerlegen einer Nachricht schafft keine neuen Verbindungen.
An Zwischenstationen können Pakete warten. Dadurch entstehen Verzögerungen. Pakete können auch verloren gehen; dann kann ein erneutes Senden nötig sein. Das Aufteilen allein schützt nicht vor solchen Verlusten. Damit die ganze Nachricht entsteht, müssen ihre Teile am Ziel passend zusammengesetzt werden.
Paketvermittlung
Längere Nachrichten werden in Datenpakete aufgeteilt. Diese Pakete werden durch das Netz weitergegeben.
Beispiel: Eine ausgedachte gemeinsame Leitung
- 1Eine lange Sprachnachricht wird in mehrere Pakete aufgeteilt.
- 2Zwischen zwei ihrer Pakete wird ein Paket einer kurzen Textnachricht übertragen.
- 3Die Sprach- und die Textnachricht nutzen dieselbe Leitung abwechselnd.
Merke: Pakete ermöglichen gemeinsame Leitungsnutzung. Ausweichen setzt einen anderen nutzbaren Weg voraus. Verlustfreiheit und gerechte Verteilung sind nicht garantiert.
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Ein Modell stellt etwas vereinfacht dar. Wir betrachten ein Modell mit vier Schichten. Eine Schicht ist dabei ein Bereich mit bestimmten Aufgaben beim Datenaustausch. Die Schichten sind keine vier Geräte, die hintereinander stehen. Sie helfen uns, Aufgaben zu unterscheiden. Ein Protokoll ist eine Vereinbarung darüber, wie Daten ausgetauscht werden.
Die Netzzugangsschicht kümmert sich um die Übertragung zwischen unmittelbar verbundenen Geräten. Dafür werden zum Beispiel Kabel- oder Funkverbindungen genutzt. Sie betrachtet einen einzelnen Übertragungsschritt zu einem Nachbarn.
Die Internetschicht kümmert sich um den Weg der Pakete. Sie bestimmt die nächste Zwischenstation oder die direkte Weitergabe an das Ziel. So können Pakete Schritt für Schritt auch durch mehrere Netze gelangen.
Die Transportschicht ermöglicht den Datenaustausch zwischen den Programmen am Anfang und am Ende des Weges. Manche Regeln dieser Schicht veranlassen, dass fehlende Daten erneut gesendet und ihre Teile geordnet geliefert werden. Andere Regeln dieser Schicht bieten diese Sicherung nicht. Die Transportschicht garantiert deshalb nicht allgemein eine zuverlässige Übertragung.
Die Anwendungsschicht enthält Regeln für den Datenaustausch der Anwendungsprogramme. Ein Anwendungsprogramm hilft bei einer konkreten Aufgabe, etwa beim Anzeigen von Texten. Die Regeln dieser Schicht können festlegen, wie eine Anfrage nach einem Text und die zugehörige Antwort aufgebaut sind. Das unterscheidet sich von der Wahl des nächsten Wegschritts oder der Übertragung zum direkten Nachbarn.
| Schicht | Aufgabe in unserem Modell |
|---|---|
| Netzzugangsschicht | Überträgt Daten zum unmittelbar verbundenen Nachbarn. |
| Internetschicht | Bestimmt den nächsten Schritt auf dem Weg eines Pakets und leitet es weiter. |
| Transportschicht | Ermöglicht den Austausch zwischen den Programmen an den beiden Enden des Weges. |
| Anwendungsschicht | Legt Regeln für die Nachrichten der Anwendungsprogramme fest. |
Merke: Unterscheide den direkten Übertragungsschritt, die Wegwahl, den Austausch zwischen den Programmen und den Aufbau ihrer Nachrichten.
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Alles auf einen Blick
Rechnernetz
Knoten stehen für Geräte, Verbindungen für unmittelbare Übertragungswege.
Der Client fordert einen Dienst an, der Server stellt ihn bereit. Beide Rollen können auf einem Gerät vorkommen.
Die Grundaufgabe des Switches liegt im lokalen Netz, die des Routers zwischen Netzen. Ein Gerät kann beide Funktionen verbinden.
Sie ermöglichen gemeinsame Leitungsnutzung. Ausweichen braucht einen anderen nutzbaren Weg; Verluste bleiben möglich.
Sie unterscheiden direkte Übertragung, Wegwahl, Austausch zwischen Programmen und Regeln für deren Nachrichten.
Datenweg zum Küchenbildschirm – ausgedachtes Netz
- 1Gegeben: Eine Kasse, ein Switch und ein Küchenbildschirm bilden drei Knoten. Kabel verbinden die Kasse mit dem Switch und den Switch mit dem Bildschirm.
- 2Gesucht ist ein Weg von der Kasse zum Küchenbildschirm. Eine direkte Verbindung zwischen diesen beiden Geräten ist nicht eingezeichnet.
- 3Der erste Schritt führt von der Kasse zum Switch.
- 4Der Switch kennt den Anschluss zum Küchenbildschirm. Für die Nachricht an dieses einzelne Gerät nutzt er gezielt diesen Anschluss.
- 5Der zweite Schritt führt vom Switch zum Küchenbildschirm. Der Weg hat zwei Verbindungen und eine Zwischenstation.
Fehler finden
Fehler in Zeile 4Die letzte Aussage macht aus zwei Programmrollen eine Pflicht zu getrennten Geräten. Richtig: Die beiden Programme können auf verschiedenen Geräten oder auf demselben Gerät laufen.
Lückentext
In unserem Netzbild sind drei Geräte durch Linien verbunden. Die Linien stehen für . Für eine Nachricht an ein einzelnes Gerät ist dem Switch der passende Anschluss bekannt. Er sendet sie . Pakete zweier Nutzer wechseln sich auf derselben Leitung ab. Diese Leitung wird dabei .