Lokale kabelgebundene Netzwerke

Waren lokale Netzwerke früher fast nur in Unternehmen und bei semiprofessionellen Nutzern anzutreffen, so hat sich dies mit den stetig fallenden Preisen für Netzwerkequipment und der immer stärkeren Verbreitung von Personal Computern in den letzten Jahren stetig gewandelt. Die meisten aktuellen Personal Computer besitzen bereits eingebaute Netzwerkschnittstellen, Netzwerkkabel und -hardware ist für wenig Geld erhältlich und die Installation ist mit den gängigen Betriebssystemen ein Kinderspiel. Doch das war nicht immer so.

Datenübertragung zu Beginn des Computerzeitalters

In den Kindertagen der Computertechnik war Datenübertragung eine rein computerinterne Angelegenheit. Computer waren sündhaft teure Großrechneranlagen und von Hause aus nomadisch veranlagt, kommunizierten also nicht untereinander. Das lag zum einen daran, dass die Rechenleistung damaliger Großrechner schon mit den Rechenoperationen der lokalen Benutzer vollauf beschäftigt waren und zum anderen auch daran, dass es schlicht nicht sehr viele andere Großrechner auf der Welt gab, mit denen man hätte kommunizieren müssen.

Großrechner, so genannte Mainframes, arbeiten traditionell im so genannten Batch-Betrieb. Ursprünglich funktionierte dies so, dass für die Berechnung einer Aufgabe ein Programm geschrieben und die zu berechnenden Daten bereitgestellt wurden, für gewöhnlich in Form von Lochkarten. Diese wurden an den Operator des Großrechners übergeben, der die Daten am Operatorplatz, an der so genannten Konsole, direkt in den Großrechner einlas, das Programm aufrief und das Ergebnis dann dem Benutzer zurückgab.

Der erste Schritt in die Datenübertragung wurde in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts mit der Ferneinspeisung von Batch-Jobs in Großrechner getan. Vorreiter war hier IBM in seiner System/360-Großrechnerwelt mit dem Mechanismus namens Remote Job Entry (RJE). Mit RJE mussten Programm und Daten nicht mehr manuell in einen Großrechner eingespeist werden, sondern konnten in einem Terminal eingegeben und auf elektronischem Wege zum Großrechner (und damit zur Berechnung) übermittelt werden. Das Ergebnis kam dann auf gleiche Weise wieder zurück.

Der nächste Schritt war absehbar: Ein Terminal sollte nicht unmittelbar in der Nähe eines Großrechners stehen müssen, sondern sollte auch in einem Büro, einem Haus oder in einer anderen Stadt stehen können und direkte Kommunikation mit dem Großrechner ermöglichen. Dazu wurden von verschiedenen Herstellern (sündhaft teure) Zusatzgeräte zu Großrechnern angeboten, die Schnittstellen für Terminalverbindungen beispielsweise via telefonischen Standleitungen bereitstellten. Das Benutzen eines Großrechners erforderte fortan nicht mehr die Reise zu einem Rechenzentrum, sondern es genügte, ein Terminal zu nutzen, welcher eine direkte Verbindung zu einem Großrechner hatte.

Eine lange Zeit lebte es sich mit dieser Architektur hervorragend, vor allem als Hersteller von Computern und Dienstleistern, die solche Großrechneranlagen verkauften und installierten, beispielsweise IBM mit seiner Netzwerkarchitektur SNA ("Systems Networking Architecture"), die 1974 vorgestellt wurde. Und hier lag auch das Problem: Alle Großrechnerwelten hatten ihre eigenen Sprachen, die untereinander inkompatibel waren. Denn proprietäre Anlagen hatten den bestechenden Vorteil, dass auf diese Weise die Konkurrenz am einfachsten herauszuhalten war. Zwar wurden die meisten Netzwerkarchitekturen Anfang der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts soweit modifiziert, dass sie auch mit den neu aufgekommenen, paketvermittelnden Netzen wie dem ARPANet funktionierten, dennoch waren Großrechneranlagen weitgehend homogene Umgebungen (siehe hierzu auch Die Geschichte des Internet).

Der Umschwung in der Computerwelt und die Etablierung der individuellen Datenübertragung kam mit dem Personal Computer, dem PC, dessen Entwicklung in den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts begann und seinen Siegeszug in der Computerwelt antrat. Ein PC sah ähnlich aus wie ein Terminal, hatte einen Bildschirm, eine Tastatur, ein brandneues Eingabegerät namens "Maus". Im Gegensatz zu einem Terminal war der PC jedoch nicht mehr dumm, sondern besaß eine eigene Recheneinheit in Form eines Zentralprozessors, war also ein eigenständiger Rechner. Diesem Umstand mussten auch Datennetze Tribut zollen, in dem sie nicht nur einfach verlängerte Anschlussleitungen zwischen Terminals und Mainframes mehr waren, sondern Daten zwischen Personal Computern übertragen können sollten.

Eine Schlüsselstellung für diese neue Art der individuellen Datenübertragung bezog die Vernetzungstechnologie ARCNET (Attached Resources Computer Network) der Firma Datapoint, vorgestellt im Jahre 1976. Das Hauptargument für die Nutzung von ARCNET war die Möglichkeit, auf bereits bestehende koaxiale Verkabelungen in Unternehmen zurückgreifen zu können. Mit damaligen Bandbreiten von 2,5 MBit/s waren diese LAN (Local Area Network) zwar aus heutiger Sicht sehr langsam, stellten damals jedoch neueste Netzwerktechnologie dar.

Dennoch, die Zeit wurde reif für herstellerübergreifende Netzwerktechnologien. Die Kosten für die Elektronische Datenverarbeitung waren nach wie vor exorbitant hoch, zudem waren viele Unternehmen immer unzufriedener mit dem Umstand, dass sie mit der Anschaffung bzw. der Miete einer Großrechnerumgebung auf diese Großrechnerwelt fixiert und so vom Hersteller abhängig waren.

Das IEEE als Garant für Standards in der Netzwerkwelt

Fundamentale Basis und anerkannter Garant aller heutigen Einheitlichkeit in der Netzwerkwelt ist das IEEE, das Institute of Electrical and Electronics Engineers, einem internationalen Verband von Experten und Ingenieuren aus dem Bereich Elektrik und Elektronik. Das IEEE ist mit seinen über 360.000 Mitgliedern in 150 Ländern der größte Expertenverband und besitzt deshalb beste Voraussetzungen für die Entwicklung und Verabschiedung von Standards - nicht nur in der Netzwerkwelt. Entstanden ist das IEEE 1963 aus dem Zusammenschluss des American Institute of Electrical Engineers (AIEE) und des Institute of Radio Engineers (IRE). Beide Institutionen sind jedoch weit älter, das AIEE wurde bereits 1884 gegründet und hatte so prominente Mitglieder wie Thomas Alva Edison, unter anderem der Erfinder der Glühbirne. Das IEEE steht deshalb als traditionsreiches, internationales und herstellerunabhängiges Institut in bester Tradition, Normierungen und Standards in der Welt der Elektrik und Elektronik zu entwickeln und zu standardisieren. Die Arbeiten des IEEE sind hierbei derart anerkannt, dass die meisten IEEE-Standards ohne größere Diskussionen und nachträgliche Änderungen als ISO-Norm übernommen werden.

In der Computerwelt heute alltägliche Dinge sind ebenfalls ursprünglich häufig Entwicklungen aus IEEE-Arbeitsgruppen. Zu diesen Dingen gehören beispielsweise die Centronics-Schnittstelle (Parallel-Port) gängiger Computer und Drucker (IEEE 1284), die FireWire-Schnittstelle (IEEE 1394), die Fliesskomma-Arithmetik (IEEE 754) und viele andere Standards. Für die Netzwerkwelt interessant ist das so genannte Projekt 802 des IEEE.

IEEE-Projekt 802

Das Projekt 802 wurde Ende der 70er Jahre des 20. Jahrhunderts gebildet und beschäftigt sich mit Aspekten von lokalen Netzen (LAN), insbesondere auf den unteren Schichten 1 und 2 des OSI-Schichtenmodells (siehe hierzu auch Schichtenmodelle). Dieses Projekt 802 gehört inzwischen zu den größten und aktivsten Projekten des IEEE und ist seit den Anfängen des Projektes ständig in Unterprojekten und Arbeitsgruppen in der Entwicklung und Standardisierung tätig.

Einbettung von IEEE 802 in das OSI-Schichtenmodell

Die Idee, die hinter dem Projekt 802 steht, ist zum einen die logische Trennung zwischen physikalischem Übertragungsmedium (beispielsweise Ethernet, Token Ring oder WLAN) und dem Übertragungsprotokoll (Media Access Control und Logical Link Control) und zum anderen ein Rahmenwerk, das beschreibt, wie diese beiden Schichten miteinander zusammenarbeiten (Internetworking). Diese Trennung ist die Grundlage dafür, dass sehr effektiv neue Übertragungsmedien entwickelt und an bestehende Netzwerke gekoppelt werden können

Wie in vielen anderen IEEE-Projekten auch, sind die einzelnen Projekte in Unterprojekte und Arbeitsgruppen unterteilt. Dies zum einen, um große Aufgaben in kleinere, "handlichere" Aufgaben zu unterteilen und zum anderen auch als Grundlage für spätere Entwicklungen, um diese sinnvoll als Weiterentwicklung betrachten zu können. Viele spätere Standards konnten beispielsweise erst entstehen, als gewisse Vorarbeiten in vorherigen Projekten erledigt wurden. Genau dies ist beispielsweise sehr deutlich im Projekt 802 zu sehen, in dem viele Projektelemente bereits Jahrzehnte alt sind, jedoch die Projektstruktur bestens darauf vorbereitet ist, auch Übertragungsmedien zu unterstützen, die vielleicht noch gar nicht entwickelt sind.

Übersicht über Unterprojekte des Projekt 802

Viele heute gängige Standards in der Netzwerkwelt sind Ergebnisse von 802-Unterprojekten. Das Projekt 802 hat jedoch nicht nur konkrete Standards entwickelt, sondern auch viel begleitende Arbeit getan. Beispielsweise werden im Rahmen von Projekt 802 nicht nur Protokolle standardisiert, sondern auch Lösungsvorschläge in Unterprojekten gemacht, die die Zusammenarbeit von Protokollen in verschiedenen Schichtenmodellschichten betreffen. Nicht zuletzt werden auch visionäre Themen in neuen Untergruppen behandelt, die oftmals nicht zu einem greifbaren Ergebnis führen, also keinen Standard als Ergebnis haben, dennoch für zukünftige Unterprojekte die ideelle Basis sein können.

In dieser kleinen und sicherlich nicht vollständigen Übersicht über Unterprojekte des Projekt 802 werden Sie sicherlich einige "Bekannte" finden:

Standard	Beschreibung
802.1	Internetworking
802.2	Logical Link Control (LLC)
802.3	CSMA/CD-Systeme, Ethernet
802.4	Token Bus Zugriffsverfahren
802.5	Token Ring Zugriffsverfahren
802.6	Metropolitan Area Network (MAN)
802.7	Breitbandübertragungstechnologie
802.8	Glasfaserübertragungstechnologie
802.9	Integrierte Sprach- und Datendienste
802.10	Netzwerksicherheit
802.11	Drahtlose Netzwerke (WLAN) (siehe hierzu auch Drahtlose lokale Netzwerke)
802.12	Demand Priority Verfahren / 100-MBit/s Ethernet
802.14	Breitband Cable TV (CATV)
802.15	Wireless Personal Area Network (WPAN/WiMAX)
802.16	Broadband Wireless Access (BWA)
802.17	Resilient Packet Ring (RPR)
802.18	Radio Regulatory Technical Advisory Group (RRTAG)
802.19	Coexistence TAG
802.20	Drahtlose Breitbandnetze

Die Erfolgsstory der kostengünstigen lokalen Netzwerke basiert fast ausschließlich auf einem Netzwerkprotokoll, das die Netzwerkwelt revolutionierte und das berühmteste Kind des Projekt 802 ist:

Ethernet

Ethernet wurde Mitte der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts in den USA am kalifornischen Xerox Palo Alto Research Center (PARC) von Bob Metcalfe und seinem Assistenten David Boggs entwickelt und 1976 veröffentlicht. Die Idee, die hinter Ethernet stand, ist einfach und kam von einem alten Bekannten, dem ALOHANet (siehe auch: Die Anfänge des Internet):

Ein Netzwerk besteht aus Leitungen und den Netzwerkteilnehmern. Während bei früheren Netzwerkprotokollen wie beispielsweise Token Ring ein Netzwerkteilnehmer zunächst eine Berechtigung benötigte, um Daten im Netzwerk übertragen zu dürfen, sieht man bei Ethernet das Leitungsnetzwerk ähnlich wie den "Äther" in der Funktechnik: Jeder Netzwerkteilnehmer darf jederzeit Daten senden, wenn das Netzwerk frei ist; wenn also niemand anderes Daten überträgt. Finden zwei Datenübertragungen gleichzeitig statt, kommt es also zu einer Kollision, unterbrechen beide Absender ihre Datenübertragung sofort und versuchen zu einem zufallsgesteuerten späteren Zeitpunkt die Datenübertragung zu wiederholen. Die Netzwerkteilnehmer (in Form der am Netzwerk angeschlossenen Netzwerkkarten) regeln damit die Datenübertragung im Netzwerk weitgehend selbst.

Diese Technik namens Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) ist die Grundlage von Ethernet und funktioniert in dieser Form, trotz aller Bedenken und Unkenrufe, noch heute. Zwar besitzt Ethernet das Problem, dass bei einer Netzwerkauslastung von ca. 50 % immer stärker Kollisionen auftreten und die Übertragungsgeschwindigkeit rapide sinkt. Dies wird jedoch durch immer größere Übertragungsbandbreiten und durch intelligente Konzentratoren (Hubs), den so genannten Switches, umgangen.

Token Ring

Das Übertragungsprotokoll Token Ring ist ebenfalls eine Entwicklung aus dem Projekt 802 ("IEEE 802.5"). Häufig wird es als herstellereigener Standard von IBM angesehen, was jedoch nicht richtig ist. Richtig ist, dass Token Ring ursprünglich aus einem IEEE-Projekt heraus entwickelt wurde, dieser Standard von einigen Unternehmen auch implementiert wurde, darunter auch von IBM. IBM hat daraufhin Token Ring für seine Bedürfnisse in Details weiter angepasst und es für eine längere Zeit als Netzwerkstandard für die IBM-Netzwerkwelt propagiert.

Die Idee, die hinter Token Ring steht, ist der Gedanke, dass eine Datenübertragung nicht "chaotisch" wie bei Ethernet erfolgen soll, sondern geordnet, also kollisionsfrei. Diese Ordnung wird durch zwei Techniken hergestellt:

1. Alle Rechner im Netz sind ringförmig miteinander verbunden.
2. In diesem ringförmigen Netz kreist permanent ein so genannter Token, der aus einem Datenpaket besteht. Dieser Token wird von allen im Netz angeschlossenen Rechnern der Reihe nach weitergegeben. Möchte nun ein Rechner ein Datenpaket übertragen, wartet er, bis er vom Netzwerk den Token erhält und hängt an diesen Token die Nutzlast an. Der Token kreist nun mit der Nutzlast weiter, bis er den Zielrechner erreicht. Der Zielrechner kopiert sich die Nutzlast, kennzeichnet den Token, dass die Nutzlast erfolgreich den Empfänger erreicht hat und reicht den Token, noch mit der Nutzlast, weiter. Erreicht der Token wieder den Absender, so entfernt dieser die Nutzlast und gibt den Token wieder frei.

Der Ansatz von Token Ring mag sich auf den ersten Blick sehr kompliziert lesen und birgt die Befürchtung, dass Token-Ring-Netzwerke sehr langsam sein müssten. Dies ist jedoch nicht unbedingt der Fall, da Token-Ring-Netzwerke durch die kollisionsfreie Übertragung definierte Übertragungsraten garantieren können, denn nur der Rechner, der gerade den Token besitzt, kann auch ein Datenpaket übertragen. Alle anderen Rechner, die den Token zu diesem Zeitpunkt nicht besitzen, können auch keine Paketkollisionen im Netzwerk auslösen. Zwar sind heutige Ethernet-Netzwerke dank erhöhter Datenübertragungsraten und schnelleren Switchtes teilweise erheblich schneller, diese Geschwindigkeit wird jedoch durch Quantität erreicht, schon aus der Architektur von Ethernet nicht durch Qualität.

Zusammenarbeit von Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht (Internetworking)

Aus dem kleinen Vergleich zwischen Ethernet und Token Ring können Sie sich ausmalen, wie Vergleiche aussehen, wenn noch mehr physikalische Übertragungsmedien in Netzwerkplanungen verglichen werden müssen. Jedes Übertragungsmedium hat seine Vor- und Nachteile, alle haben jedoch die Gemeinsamkeit, dass sie als Basis für "höhere" Datenübertragungen dienen müssen. Mit "höher" sind hierbei die oberen Schichten des Schichtenmodells gemeint, in denen netzwerkspezifische Daten übertragen werden, beispielsweise TCP/IP-Übertragungen (siehe hierzu auch TCP/IP - Haussprache des Internet).

Da eben beispielsweise TCP/IP völlig unabhängig vom Übertragungsmedium sein muss, es also egal ist, ob ein Rechner per Ethernet, per DSL, per ISDN oder per Funk angebunden ist, spielt die Sicherungsschicht im OSI-Schichtenmodell eine ganz besondere Rolle. Sie stellt nämlich das Bindeglied zwischen dem physikalischen Übertragungsmedien und den höheren Schichten im Schichtenmodell dar. Jeder Rechner beziehungsweise jeder Netzwerkanschluss besitzt eine MAC-Adresse ("MAC" steht hierbei eben für Media Access Control) und das Internetworking sorgt dafür, dass diese Sicherungsschicht mit dem physikalischen Übertragungsmedium aus der Bitübertragungsschicht zusammenarbeitet. Komplizierte Thematik, behelfen wir uns also zum besseren Verständnis wieder mit einem Vergleich aus der realen Welt:

Stellen Sie sich eine Räder an einem Auto vor. An jedes Rad ist ein Reifen montiert, der den Kontakt zur Strasse herstellt. Die Strasse ist in diesem Beispiel die Bitübertragungsschicht, also die unterste Ebene, die zum Fahren (analog zur "Datenübertragung") benötigt wird. Damit ein Wagen fahren kann, benötigt er Räder. Die Räder sind standardisiert und stellen die Sicherungsschicht dar. An sich könnten Sie mit Rädern (also ohne Reifen) bereits fahren, allerdings würde die Fahrqualität stark darunter leiden. Überlegen Sie nur einmal, wie unbequem man in einer Pferdekutsche reist, bei der der Reifen nur aus einem Metallband besteht. Und leider gibt es nun mal verschiedene Straßentypen: Asphaltierte Strassen, steinige Strassen, Feldwege, Schlammstrecken, Eisflächen.

Deswegen gibt es in der Automobilwelt Reifen, die aus Gummi bestehen. Diese stellen die Verbindung zwischen Reifen und Strasse (also zwischen Sicherungs- und Bitübertragungsschicht) her, übernehmen also das "Internetworking".

Offene, flexible Strukturen für zukünftige Standards

Die wegweisende Idee im Projekt 802 der logischen Trennung zwischen dem physikalischen Übertragungsmedium und dem Übertragungsprotokoll sorgt für einen stetigen Fluss von Neuentwicklungen und relativ kurzen Entwicklungszeiten im Bereich der physikalischen Übertragungsmedien, da nicht für jedes Medium sozusagen das Rad in Form eines Übertragungsprotokolls erfunden werden muss. Letztendlich ist es also egal, ob als physikalisches Übertragungsmedium Kupferadern, eine Glasfaser oder Funk zur Verfügung steht, so lange eben diese Übertragungsmedien mit einem Übertragungsprotokoll "zum Leben erweckt" werden können, darauf also eine Datenübertragung erfolgen kann. Ist dies der Fall, können als Basis für komplexere Datenübertragungsprotokollen die ersten Protokollschichten des OSI-Modells darauf abgebildet werden.

Dieser schichtweise Ansatz sorgt deswegen nicht zuletzt auch für geringere Kosten in Entwicklung und Implementierungen von neuen Übertragungsmedien und für eine schnellere Akzeptanz auf dem Markt.

Weiterführende Links

http://www.ieee.de/
Deutsche Sektion des IEEE

http://standards.ieee.org/getieee802/
Homepage des Projekt 802 des IEEE

http://de.wikipedia.org/wiki/IEEE_802
Wikipedia-Artikel zu IEEE 802

http://de.wikipedia.org/wiki/Ethernet
Wikipedia-Artikel zu Ethernet

http://de.wikipedia.org/wiki/Token_Ring
Wikipedia-Artikel zu Token Ring