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- Herausgeber: dpunkt.verlag
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2023
TCP/IP – Die Sprache der Netzwerkkommunikation
TCP/IP gilt als Standard für die Kommunikation in Netzwerken – sowohl im lokalen Bereich als auch im weltumspannenden Internet. Wie jede Protokollfamilie so setzt sich auch TCP/IP aus verschiedenen Komponenten zusammen. Sie werden im Rahmen dieses Buches mit folgenden Schwerpunktthemen umfassend erläutert:
- Entwicklung und Funktion von Netzwerken
- Switching und Routing
- Protokolle der TCP/IP-Familie
- Adressierung im Netzwerk (statisch, dynamisch per DHCP)
- Namensauflösung im IP-Netzwerk (Domain Name Service)
- Routing-Protokolle im IP-Netzwerk und deren Funktion
- Spezielle Dienste auf Basis von TCP/IP
- TCP/IP in kabellosen Netzwerken (WLAN, Bluetooth, DSL-Vectoring usw.)
- Sicherheit im IP-Netzwerk (IPsec, VPN, SSL)
- Weiterentwicklungen auf Basis von IPv6
- Internet der Dinge (IoT)
- Implementierung von TCP/IP in Betriebssystemen
Neben den Grundlagen werden auch praktische Aspekte beleuchtet, die für die tägliche Arbeit von Relevanz sein können. So wird beispielsweise der Analyse von Netzwerkstörungen ein ganzes Kapitel gewidmet. Außerdem wird beispielhaft im Anhang die TCP/IP-Konfiguration auf verschiedenen Betriebssystemplattformen dargestellt oder zum Thema "Sicherheit" ein datenzentrisch abgesicherter "Sicherheitsschild" vorgestellt.
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Seitenzahl: 445
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Gerhard Lienemann arbeitete ab 1991 für etwa 12 Jahre als Netzwerkadministrator in einem produzierenden Betrieb, bevor er ins technische Management wechselte. Seitdem war er zunächst zuständig für operative Kommunikationssicherheit und übernahm dann zusätzlich die Betreuung eines europäischen Netzwerkteams. Nur kurze Zeit später erweiterte er seine Verantwortung auf ein globales Netzwerkteam in Asien, Nord- und Südamerika. Seiner Leidenschaft »IT-Kommunikation« ist er auch nach dem Ausscheiden aus dem aktiven Berufsleben treu geblieben.
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Gerhard Lienemann
TCP/IP –Grundlagen und Praxis
Protokolle, Routing, Dienste, Sicherheit
3., aktualisierte und überarbeitete Auflage
Mit Beiträgen von Dirk Larisch
Gerhard Lienemann
Lektorat: Michael Barabas
Lektoratsassistenz: Julia Griebel
Copy-Editing: Petra Heubach-Erdmann, Düsseldorf
Satz: inpunkt[w]o, Haiger (www.inpunktwo.de)
Herstellung: Stefanie Weidner, Frank Heidt
Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
ISBN:
978-3-86490-960-3
978-3-96910-957-1
ePub
978-3-96910-958-8
mobi
978-3-96910-959-5
3., aktualisierte und überarbeitete Auflage 2023
Copyright © 2023 dpunkt.verlag GmbH
Wieblinger Weg 17
69123 Heidelberg
Die Vorauflage dieses Buchs ist 2014 im Heise Verlag (Hannover) erschienen: Gerhard Lienemann/Dirk Larisch: TCP/IP – Grundlagen und Praxis, 2., aktualisierte Auflage (ISBN 978-3-944099-02-6).
Hinweis:
Dieses Buch wurde auf PEFC-zertifiziertem Papier aus nachhaltiger Waldwirtschaft gedruckt. Der Umwelt zuliebe verzichten wir zusätzlich auf die Einschweißfolie.
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Vorwort
Vor Ihnen liegt nun das Buch »TCP/IP – Grundlagen und Praxis« in der dritten überarbeiteten Auflage. Für mich als Autor ist dies schon eine überaus bemerkenswerte Situation, da sich das Buch mittlerweile – wenn man die Vorgängerbücher (»TCP/IP – Grundlagen« bzw. »TCP/IP – Praxis«) mit einbezieht – über 25 Jahre im Verkauf befindet und offenbar immer noch den einen oder anderen Interessierten anspricht. Das Thema an sich unterliegt zwar keinen sich stets grundlegend ändernden Technologien (was »eine« Erklärung dafür ist). Allerdings haben sich im TCP/IP-Umfeld über die Jahrzehnte Disziplinen herausgebildet, die ohne TCP/IP und die dazugehörige Protokollfamilie nicht denkbar sind.
Dieses und andere aktuelle Themen habe ich nun in dieses Buch aufgenommen und hoffe, damit den heutigen Anforderungen einer ganzheitlichen Betrachtung des Themas Rechnung zu tragen. Sie werden daher auch keine umfänglichen Rückblicke in die Vergangenheit zur TCP/IP-Historie finden, sondern eher Ausblicke in eine mögliche Zukunft.
Damit Sie sich aber gleich zurechtfinden, wenn Sie das Buch in die Hand nehmen, gebe ich Ihnen nun einen Überblick über die Aktualisierungen, die das Buch hoffentlich zu einem sinnvollen Hilfsmittel auch für das TCP/IP der 20er Jahre unseres Jahrhunderts macht:
Die ersten Kapitel werden Ihnen sicher bekannt vorkommen, wenn Sie eine der vorherigen Auflagen des Buches bereits kennen. Es handelt sich hier um Grundlegendes der TCP/IP-Welt. Allerdings habe ich dort, wo es mir sinnvoll erschien, Passagen oder ganze Kapitel weggelassen und neue Passagen bzw. Unterkapitel ergänzt.
In Kapitel 7 (Sicherheit) habe ich beispielsweise im letzten Abschnitt eine völlig andere Denkweise zur Datensicherheit angestoßen, die nicht – wie in der Vergangenheit – primär auf einen Schutz des Perimeters mit Firewalls setzt, sondern einen Sicherheitsschild als Schichtenmodell zur Diskussion stellt, bei dem die Daten im Mittelpunkt stehen.
In Kapitel 8 (Troubleshooting) habe ich exemplarisch das bekannte Analysetool »WireShark« vorgestellt.
Dem Buch habe ich dieses Mal auch einen Anhang beigefügt, in dem die Themen »Das neue TCP/IP-Umfeld« und »TCP/IP-Konfiguration« angesprochen werden. Während das neue TCP/IP-Umfeld eine kurze Reise in das »Internet der Dinge« unternimmt und verwandte Themen behandelt, habe ich im zweiten Anhang anhand unterschiedlicher Plattformen bzw. Betriebssysteme gezeigt, wie bzw. wo dort TCP/IP-Parameter konfiguriert werden.
Ich wünsche Ihnen viel Freude mit diesem Buch und bitte um viele kritische Kommentare, die ich dann in eine vielleicht nächste Auflage einfließen lassen kann. Sie erreichen mich per E-Mail unter [email protected].
Gerhard Lienemann
Inhalt
1Netzwerke
1.1Netzwerkstandards
1.1.1OSI als Grundlage
1.1.2IEEE-Normen
1.2Netzwerkvarianten
1.2.1Ethernet
1.2.2Wireless LAN (IEEE 802.11)
1.2.3Bluetooth
1.2.4Sonstige Varianten
1.3Netzwerkkomponenten
1.3.1Repeater
1.3.2Brücke
1.3.3Switch
1.3.4Gateway
1.3.5Router
2TCP/IP – Grundlagen
2.1Wesen eines Protokolls
2.2Low-Layer-Protokolle
2.2.1Protokolle der Datensicherungsschicht (Layer 2)
2.2.2Media Access Control (MAC)
2.2.3Logical Link Control (LLC)
2.2.4Service Access Point (SAP)
2.2.5Subnetwork Access Protocol (SNAP)
2.3Protokolle der Netzwerkschicht (Layer 3)
2.3.1Internet Protocol (IP)
2.3.2Internet Control Message Protocol (ICMP)
2.3.3Address Resolution Protocol (ARP)
2.3.4Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
2.3.5Routing-Protokolle
2.4Protokolle der Transportschicht (Layer 4)
2.4.1Transmission Control Protocol (TCP)
2.4.2User Datagram Protocol (UDP)
2.5Protokolle der Anwendungsschicht (Layer 5–7)
2.6Sonstige Protokolle
3Adressierung im IP-Netzwerk
3.1Adresskonzept
3.1.1Adressierungsverfahren
3.1.2Adressregistrierung
3.1.3Adressaufbau und Adressklassen
3.2Subnetzadressierung
3.2.1Prinzip
3.2.2Typen und Design der Subnetzmaske
3.2.3Verwendung privater IP-Adressen
3.2.4Internetdomain und Subnetz
3.3Dynamische Adressvergabe
3.3.1Bootstrap Protocol (BootP)
3.3.2Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)
3.4IP-Version 6 (IPv6)
3.4.1Gründe für eine Neuentwicklung
3.4.2Lösungsansätze
3.4.3IPv6-Leistungsmerkmale
3.4.4IP-Header der Version 6
3.4.5Stand der Einführung von IPv6
3.4.6NAT, CIDR und RSIP als Alternativen
3.4.7Fazit
4Routing
4.1Grundlagen
4.1.1Aufgaben und Funktion
4.1.2Anforderungen
4.1.3Funktionsweise
4.1.4Router-Architektur
4.1.5Routing-Verfahren
4.1.6Routing-Algorithmus
4.1.7Einsatzkriterien für Router
4.2Routing-Protokolle
4.2.1Routing Information Protocol (RIP)
4.2.2RIP-Version 2
4.2.3Open Shortest Path First (OSPF)
4.2.4HELLO
4.2.5Interior Gateway Routing Protocol (IGRP)
4.2.6Enhanced IGRP
4.2.7Intermediate System – Intermediate System (IS-IS)
4.2.8Border Gateway Protocol (BGP)
4.3Betrieb und Wartung
4.3.1Router-Initialisierung
4.3.2Out-Of-Band Access
4.3.3Hardwarediagnose
4.3.4Router-Steuerung
4.3.5Sicherheitsaspekte
4.4Software Defined Networking (SDN)
4.4.1Netzwerk Virtualisierung
4.4.2Switching Fabrics
4.4.3WAN Traffic Engineering
4.4.4SD-WAN
4.4.5Access Networks
5Namensauflösung
5.1Prinzip der Namensauflösung
5.1.1Symbolische Namen
5.1.2Namenshierarchie
5.1.3Funktionsweise
5.2Statische Namensauflösung
5.3Dynamische Namensauflösung
5.3.1Aufgaben und Funktionen
5.3.2Auflösung von Namen
5.3.3DNS-Struktur
5.3.4DNS-Anfragen
5.3.5Umgekehrte Auflösung
5.3.6Standard Resource Records
5.3.7DNS-Message
5.3.8Dynamic DNS (DDNS)
5.3.9Zusammenspiel von DNS und Active Directory
5.3.10Auswahl der Betriebssystemplattform
5.4Namensauflösung in der Praxis
5.4.1Vorgaben und Funktionsweise
5.4.2DNS-Konfiguration
5.4.3Client-Konfiguration
6Protokolle und Dienste
6.1TELNET
6.2SSH (Secure Shell)
6.2.1SSH-Server-Einrichtung
6.2.2SSH-Client-Einrichtung
6.3Dateiübertragung mit FTP
6.3.1Funktion
6.3.2Sicheres FTP (FTPS und SFTP)
6.3.3Anonymus FTP
6.3.4Trivial File Transfer Protocol (TFTP)
6.4HTTP
6.4.1Eigenschaften
6.4.2Adressierung
6.4.3HTTP-Message
6.4.4HTTP-Request
6.4.5HTTP-Response
6.4.6Statuscodes
6.4.7Methoden
6.4.8MIME-Datentypen
6.4.9HTTP Version 2 (HTTP/2)
6.4.10HTTP/3 und QUIC
6.4.11HTTPS
6.5E-Mail
6.5.1Simple Mail Transfer Protocol (SMTP)
6.5.2Post Office Protocol 3 (POP3)
6.5.3Internet Message Access Protocol 4 (IMAP4)
6.6Unified Collaboration and Communication (UCC)
6.6.1Presence Manager
6.6.2Instant Messaging (IM)
6.6.3Conferencing
6.6.4Telephony
6.6.5Application Integration
6.6.6Mobility
6.6.7CTI und Call Control
6.6.8Federation
6.7Lightweight Directory Access Protocol (LDAP)
6.7.1Konzeption
6.7.2Application Programming Interface (API)
6.8NFS
6.8.1Remote Procedure Calls (Layer 5)
6.8.2External Data Representation (XDR)
6.8.3Prozeduren und Anweisungen
6.8.4Network Information Services (NIS) – YELLOW PAGES
6.9Kerberos
6.10Simple Network Management Protocol (SNMP)
6.10.1SNMP und CMOT – zwei Entwicklungsrichtungen
6.10.2SNMP-Architektur
6.10.3SNMP-Komponenten
6.10.4Structure and Identification of Management Information (SMI)
6.10.5Management Information Base (MIB)
6.10.6SNMP-Anweisungen
6.10.7SNMP-Message-Format
6.10.8SNMP-Sicherheit
6.10.9SNMP-Nachfolger
7Sicherheit im IP-Netzwerk
7.1Interne Sicherheit
7.1.1Hardwaresicherheit
7.1.2UNIX-Zugriffsrechte
7.1.3Windows- und macOS-Zugriffsrechte
7.1.4Benutzerauthentifizierung
7.1.5Die R-Kommandos
7.1.6Remote Execution (rexec)
7.2Externe Sicherheit
7.2.1Öffnung isolierter Netzwerke
7.2.2Das LAN/WAN-Sicherheitsrisiko
7.3Organisatorische Sicherheit
7.3.1Data Leakage
7.3.2Nutzung potenziell gefährlicher Applikationen
7.3.3Prozessnetzwerke und ihr Schutz
7.4Angriffe aus dem Internet
7.4.1»Hacker« und »Cracker«
7.4.2Scanning-Methoden
7.4.3Denial of Service Attack
7.4.4DNS-Sicherheitsprobleme
7.4.5Schwachstellen des Betriebssystems
7.5Virtual Private Network (VPN)
7.6Sicherheitsprotokoll IPsec
7.6.1IPsec-Merkmale
7.6.2IP- und IPsec-Paketformat
7.6.3Transport- und Tunnelmodus
7.6.4IPsec-Protokolle AH und ESP
7.6.5Internet Key Exchange (IKE)
7.7Weitere Überlegungen
7.7.1Grundschutzhandbuch für IT-Sicherheit des BSI
7.7.2Patching
7.7.3Der Schutz des Perimeters
7.7.4Public Key Infrastructure (PKI)
7.7.5Security Incident und Event Management (SIEM)
7.7.6Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO)
7.7.7Der Sicherheitsschild
8Troubleshooting in IP-Netzwerken
8.1Analysemöglichkeiten
8.1.1Der Netzwerk-Trace
8.1.2Netzwerkstatistik
8.1.3Remote Network Monitoring (RMON)
8.1.4Analyse in Switched LANs
8.2Verbindungstest mit PING
8.2.1Selbsttest
8.2.2Test anderer Endgeräte
8.2.3Praktische Vorgehensweise im Fehlerfall
8.2.4Informationen per NETSTAT
8.3ROUTE zur Wegekonfiguration
8.4Wegeermittlung per TRACEROUTE
8.5Knotenadressen per ARP
8.6Aktuelle Konfiguration
8.7NSLOOKUP zur Nameserver-Suche
8.8Netzwerkanalyse mit WireShark
8.8.1Installation und Konfiguration
8.8.2Szenario: Web-Surfing
8.8.3Diverse Auswertungen
AAnhang: Das neue TCP/IP-Umfeld
A.1Internet of Things (IoT)
A.1.1IoT in der Industrie
A.1.2IoT im öffentlichen Sektor
A.1.3IoT im privaten Haushalt
A.2Industrie 4.0
BAnhang: TCP/IP-Konfigurationen
B.1Microsoft Windows
B.2Apple macOS
B.3Debian Linux
B.4Android
B.5Apple IOS
Index
1Netzwerke
Wie wir heute wissen, entwickelte sich die zunächst durch Teilung von Ressourcen begründete Netzwerk-Implementierung in Unternehmen (z.B. durch die Einführung von Abteilungsdruckern oder gemeinsam genutzte Speichermedien) in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend zu einem Umfeld komplexer weltweiter Kommunikation. Dabei wurde bereits recht früh der Grundstein für eine Standardisierung der »Sprache der Kommunikation« gelegt. Mit Gründung des Internets in den frühen 80er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Netzwerkprotokollfamilie »TCP/IP« ins Leben gerufen. Sie sorgte dafür, dass Daten zwischen Kontinenten, Ländern und einzelnen Standorten nach festgelegten Kriterien übertragen werden konnten. Das Regelwerk besitzt bis heute seine Gültigkeit und basiert im Wesentlichen auf die in diesem Kapitel dargestellten Standards.
1.1Netzwerkstandards
Wie bei jeder Technologie, so werden auch im Netzwerkbereich bestimmte Vorgaben, Normen oder Standards benötigt, an denen sich die verschiedenen Entwicklungen orientieren. Bei der Behandlung von Netzwerkstandards sind dies insbesondere das ISO/OSI-Referenzmodell sowie die Normierungen und Vorgaben des IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers (Institut der elektrischen und elektronischen Ingenieure), aber ebenso auch bestimmte Kommentierungen von Entwicklungen, die unter der Bezeichnung RFC (Request For Comment) allgemein üblich sind und vom IETF (International Engineering Task Force) verwaltet werden.
1.1.1OSI als Grundlage
Zur Vereinheitlichung der Datenübertragung wurde das OSI-Referenzmodell geschaffen, das bestimmte Vorgaben für die Kommunikation offener Systeme darlegt. Das OSI-Modell ermöglicht den Herstellern, ihre Produkte für den Netzwerkeinsatz aufeinander abzustimmen und Schnittstellen offenzulegen.
Dies ist somit die Basis für sämtliche Festlegungen im sogenannten ISO- bzw. OSI-Schichtenmodell, wobei die einzelnen Schnittstellen dieser Norm auf insgesamt sieben Schichten, sogenannte Layer, verteilt werden. Jede Schicht wiederum erfüllt bei der Kommunikation eine bestimmte Funktion. Das OSI-Schichtenmodell diente in der Vergangenheit, aber auch heutzutage noch generell als Grundlage für die Kommunikationstechnologie. Dabei liegt der Sinn und Zweck darin, dass die Teilnehmer der Kommunikation (z.B. Rechner) über genormte Schnittstellen miteinander kommunizieren. Im Einzelnen setzt sich das OSI-Referenzmodell aus den folgenden Schichten zusammen:
Schicht 1 – Physical Layer
Auf dem Physical Layer (physikalische Schicht) wird die physikalische Einheit der Kommunikationsschnittstelle dargestellt. Diese Schicht (Bit-Übertragungsschicht) definiert somit sämtliche Definitionen und Spezifikationen für das Übertragungsmedium (Strom-, Spannungswerte), das Übertragungsverfahren oder auch Vorgaben für die Pinbelegung, Anschlusswiderstände usw.
Schicht 2 – Data Link Layer
Der sogenannte Data Link Layer (Verbindungsschicht) ermöglicht eine erste Bewertung der eingehenden Daten. Durch Überprüfung auf die korrekte Reihenfolge und die Vollständigkeit der Datenpakete werden beispielsweise Übertragungsfehler direkt erkannt. Dazu werden die zu sendenden Daten in kleinere Einheiten zerlegt und als Blöcke übertragen. Ist ein Fehler aufgetreten, werden einfach die als fehlerhaft erkannten Blöcke erneut übertragen.
Schicht 3 – Network Layer
Der Network Layer (Netzwerkschicht) übernimmt bei einer Übertragung die eigentliche Verwaltung der beteiligten Kommunikationspartner, wobei insbesondere die ankommenden bzw. abgehenden Datenpakete verwaltet werden. In dieser Vermittlungsschicht erfolgt unter anderem eine eindeutige Zuordnung über die Vergabe der Netzwerkadressen, indem der Verbindung weitere Steuer- und Statusinformationen hinzugefügt werden. In einem Netzwerk eingesetzte Router arbeiten immer auf der Schicht 3 des OSI-Referenzmodells.
Schicht 4 – Transport Layer
Auf dem Transport Layer (Transportschicht) werden die Verbindungen zwischen den Systemschichten 1 bis 3 und den Anwendungsschichten 5 bis 7 hergestellt. Dies geschieht, indem die Informationen zur Adressierung und zum Ansprechen der Datenendgeräte (z.B. Arbeitsstationen, Terminals) hinzugefügt werden. Aus dem Grund enthält diese Schicht auch die meiste Logik sämtlicher Schichten. Im Transport Layer wird die benötigte Verbindung aufgebaut und die Datenpakete werden entsprechend der Adressierung weitergeleitet. Somit ist diese Schicht unter anderem auch für Multiplexing und Demultiplexing der Daten verantwortlich.
Schicht 5 – Session Layer
Der Session Layer (Sitzungsschicht) ist die Steuerungsschicht der Kommunikation, wo der Verbindungsaufbau festgelegt wird. Tritt bei einer Übertragung ein Fehler auf oder kommt es zu einer Unterbrechung, wird dies von dieser Schicht abgefangen und entsprechend ausgewertet.
Schicht 6 – Presentation Layer
Die Anwendungsschicht (Presentation Layer) stellt die Möglichkeiten für die Ein- und Ausgabe der Daten bereit. Auf dieser Ebene werden beispielsweise die Dateneingabe und -ausgabe überwacht, Übertragungskonventionen festgelegt oder auch Bildschirmdarstellungen angepasst.
Schicht 7 – Application Layer
Schicht 7 ist die oberste Schicht des OSI-Referenzmodells (Application Layer), auf der die Anwendungen zum Einsatz kommen. Dies ist somit die Schnittstelle zwischen dem System (z.B. Rechner oder sonstige Hardware) und einem Anwendungsprogramm.
1.1.2IEEE-Normen
Neben dem ISO-Schichtenmodell existieren weitere Vorgaben oder Normen für den Netzwerkbereich. Eine wichtige Institution ist dabei das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Das IEEE (gesprochen Ai Trippel I) ist ein Berufsverband für Ingenieure und ein amerikanisches Normungsgremium, das sich generell mit Festlegungen, Standards und Normen für die Kommunikation auf den beiden untersten Ebenen des OSI-Schichtenmodells (Physical Layer, Data Link Layer) beschäftigt. Die einzelnen Definitionen in Bezug auf die Datenübertragung werden allesamt unter dem Titel des »Komitee 802« zusammengefasst. Eine der ersten Definitionen des Komitees war die Verabschiedung des Ethernet-Zugriffsverfahrens CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Im Dezember 1980 trat eine spezielle Projektgruppe (802.5) zusammen, um das Zugriffsverfahren für den Token-Ring-Bereich zu standardisieren. Ein Jahr später konstituierte sich dann die Token-Bus-Projektgruppe (802.4). Die zahlreichen IEEE-Arbeitsgruppen sind verschiedenen Themen gewidmet und beschäftigen sich vor allem mit Netzwerktopologien, Netzwerkprotokollen oder Netzwerkarchitekturen. Die wichtigsten der Normen und Arbeitsgruppen sind nachfolgend aufgeführt. Details hierzu können aber auch jederzeit auf der Website des IEEE unter www.ieee.org nachgelesen werden.
IEEE 802.1
Der IEEE-Standard mit der Bezeichnung 802.1 beschreibt den Austausch der Daten unterschiedlicher Netzwerke. Dazu gehören Angaben zur Netzwerkarchitektur und zum Einsatz von Bridges (Brücken). Zusätzlich erfolgen hier auch Angaben über das Management auf der ersten Schicht (Physical Layer). IEEE 802.1 wird in der Fachliteratur auch mit dem Namen Higher Level Interface Standard (HLI) bezeichnet.
IEEE 802.1Q
Innerhalb des Arbeitskreises HLI (Higher Level Interface) beschäftigt sich die Arbeitsgruppe 802.1Q mit der Definition des Standards für den Einsatz virtueller LANs (VLANs).
IEEE 802.2
Im Arbeitskreis 802.2 wird eine Definition für das Protokoll festgelegt, mit dem die Daten auf der zweiten Ebene des OSI-Modells (Data Link) behandelt werden. Dabei wird unterschieden zwischen dem verbindungslosen und dem verbindungsorientierten Dienst. Die Einordnung dieses Standards im OSI-Referenzmodell erfolgt auf Schicht 2.
IEEE 802.3
Dies ist eine Definition, die im Bereich der Netzwerke eine der wichtigsten Vorgaben darstellt, denn mit 802.3 wird neben der Topologie, dem Übertragungsmedium und der Übertragungsgeschwindigkeit auch ein ganz spezielles Zugriffsverfahren beschrieben bzw. vorgegeben: CSMA/CD, was als Abkürzung für Carrier Sense Multiple Access, Collision Detection steht. Darüber hinaus werden weitere Definitionen festgelegt, die sich allesamt mit dem Einsatz des Übertragungsmediums befassen (10Base-2, 10Base-5, 10Base-T, 100Base-T, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet usw.). Der Standard wird in der Ethernet Working Group des IEEE stets erweitert und aktualisiert. Hier einige Beispiele:
IEEE 802.3ab
Diese Arbeitsgruppe spezifiziert die notwendigen Vorgaben, um den Einsatz von Gigabit Ethernet auf UTP-Kabeln (Twisted Pair) der Kategorie 5 zu ermöglichen. Die Standardisierung erfolgte im Jahre 1999.
IEEE 802.3ac
Diese Arbeitsgruppe befasst sich mit MAC-Spezifikationen (Media Access Control) und Vorgaben für das Management des Ethernet-Basisstandards, inklusive bestimmter Vorgaben für den Einsatz virtueller LANs (VLANs). Die Standardisierung erfolgte im Jahre 1998.
IEEE 802.3an
Im Jahr 2006 wurde der Standard 802.3an verabschiedet, der eine Übertragung von 10 Gbit auf herkömmlichen Kupferkabeln des Typs Twisted Pair vorsieht. Beim Einsatz von Cat6-Kabeln können Daten über eine Distanz von 100 Metern übertragen werden, mit Cat5e-Kabeln immerhin noch über eine Distanz von 22 Metern.
IEEE 802.3db
Diese Gruppe innerhalb des neueren Projekts 802.3-2018 beschäftigt sich mit den physischen Spezifikationen und Parametern für den Betrieb von 100-, 200- und 400-Gigabit-Ethernet-Netzwerken via Glasfaser unter Verwendung einer 100-Gigabit-Signalisierung. Dieser Standard wurde am 3. Juni 2020 verabschiedet und hat zunächst eine Laufzeit bis zum 31. Dezember 2024.
IEEE 802.3z
Diese Arbeitsgruppe legt Standards für Gigabit Ethernet fest, insbesondere für den Einsatz von Gigabit Ethernet auf Kupferkabeln der Kategorie 5 (siehe auch 802.3ab), aber ebenso für die Übertragung mittels Glasfaserkabel. Dieser Standard wurde im Jahre 1998 verabschiedet.
IEEE 802.4
Während sich 802.3 mit Ethernet beschäftigt, wird in der Definition 802.4 der Token-Bus-Standard proklamiert und entsprechende Festlegungen werden getroffen.
IEEE 802.5
Als Ergänzung zu 802.4 legt dieser Arbeitskreis eine Definition für den Token Ring fest. Dazu zählt die Definition der Topologie, des Source Routing, des Übertragungsmediums und auch der Übertragungsgeschwindigkeit.
IEEE 802.6
Dieser Standard beschreibt den Einsatz von MANs, also die sogenannten Metropolitan Area Networks. Zusätzlich beschäftigt sich diese Gruppe auch mit dem Bereich der DQDB-Protokolle (Distributed Queue Dual Bus).
IEEE 802.7
Mit den Festlegungen innerhalb dieser Arbeitsgruppe (Broadband Technical) werden bzw. wurden Vorgaben für den Einsatz der Breitbandtechnologie festgelegt.
IEEE 802.8
802.8 beschäftigt sich ausschließlich mit dem Einsatz von Lichtwellenleitern bzw. Glasfaserkabeln (Fiber Optic) innerhalb eines Netzwerks.
IEEE 802.9
Die Inhalte dieses Standards beziehen sich auf die Einbeziehung von Sprachübertragung in die allgemeine Kommunikation. Auf diese Art und Weise sollen in einem solchen ISLAN (Integrated Services LAN) alle Datenendgeräte (Rechner, Drucker, Telefon, Fax usw.) an einer einzigen Schnittstelle betrieben werden können.
IEEE 802.9a
Die isochrone Technik für die Echtzeitübertragung von Daten im LAN bis an den Arbeitsplatz ist Inhalt dieser Arbeitsgruppe.
IEEE 802.10
Der Arbeitskreis mit der Bezeichnung 802.10 beschäftigt sich vornehmlich mit generellen Sicherheitsfragen. Zu diesem Zweck wurde auch eine entsprechende Vorgabe verabschiedet, die den Namen SILS trägt (Standard for Interoperable LAN Security).
IEEE 802.11
Die in 802.11 zusammengesetzte Projektgruppe beschäftigt sich mit dem Einsatz drahtloser LANs (WLAN). Auf die einzelnen Basis-Standards dieser Projektgruppe wird in Abschnitt 1.2.2 näher eingegangen.
IEEE 802.12
Ergebnis dieser Arbeitsgruppe ist ein Standard für ein 100-Mbit-Verfahren für den Multimedia-Einsatz, das den Namen Demand Priority (DP) trägt. Es handelt sich dabei um ein Zugriffsverfahren (vergleichbar mit CSMA/CD aus 802.3), bei dem ein Repeater die einzelnen Datenendgeräte nach Übertragungswünschen abfragt (Polling-Verfahren).
IEEE 802.14
Der Auftrag der 802.14-Arbeitsgruppe besteht bzw. bestand darin, Standards und Normen für den Bereich von Kommunikationsfunktionen in Kabelnetzen (Kabelfernsehen) auszuarbeiten. Diese Bestrebungen sind in der Literatur auch häufig unter der Abkürzung CATV (Cable Television) zu finden.
IEEE 802.15
Die kabellose Anbindung von Rechnern ist Auftrag dieser Arbeitsgruppe. In Erweiterung zur Arbeitsgruppe 802.11, die sich mit drahtlosen LANs (WLANs) beschäftigt, wird in dieser Gruppe die Gesamtheit der kabellosen Anbindungsmöglichkeiten auf Basis des WPAN (Wireless Personal Area Network) betrachtet. Darunter fallen beispielsweise Technologien für den kabellosen Einsatz auf kurzen Distanzen (z.B. Bluetooth, ZigBee).
IEEE 802.16
Als Ergänzung zur Arbeitsgruppe 802.15 beschäftigt sich diese Arbeitsgruppe mit der kabellosen Anbindung in der Breitbandtechnik. Bekannt geworden ist diese Technik unter dem Namen WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), die als Alternative zum Festnetz-DSL angesehen werden kann.
1.2Netzwerkvarianten
Neben Festlegungen, Standards und Normen entscheiden letztlich der Anwender und natürlich die Industrie über entsprechende Produktpaletten, also welche Formen der Netzwerkvarianten zum Einsatz kommen. Heutzutage kann man festhalten, dass bei sämtlichen Neuinstallationen fast durchweg der Netzwerktyp Ethernet verwendet wird. Was es damit auf sich hat und welche sonstigen Varianten darüber hinaus zur Verfügung stehen (Token Ring, ATM usw.), wird in Abschnitt 1.2.4 in einer Übersicht dargestellt.
Während sich Ethernet und Token Ring als etablierte LAN-Standards im Laufe der letzten Jahrzehnte in den Unternehmen als verlässliche Kommunikationsgebilde durchgesetzt haben und FDDI bzw. ATM als Hochgeschwindigkeitstechnologie mit hohen Übertragungskapazitäten in Backbones eingesetzt wurden, wurden Fast Ethernet und Gigabit Ethernet für Hochgeschwindigkeits-LANs mit gewachsenen Anforderungen immer bedeutsamer und sind in zahlreichen Netzwerken bereits vollständig implementiert.
Noch Ende des vergangenen Jahrhunderts reichten Ethernet-Kapazitäten von 2 bis 10 Mbit/s und Token-Ring-Geschwindigkeiten von 4 bis 16 Mbit/s für den anfallenden Datenverkehr völlig aus. Diese Situation hat sich mittlerweile jedoch deutlich verändert, da die Übertragung multimedialer Objekte wie Bilder, Grafiken, Video- und Audiosequenzen in Netzwerken immer wichtiger geworden ist. Netzwerkstrukturen, die unter den Schlagworten Corporate Networking, Voice over IP oder Videoconferencing zusammengefasst werden, tragen dazu bei, höchste Bandbreiten im lokalen Netzwerk zur Verfügung stellen zu müssen, sodass der Bedarf an Hochgeschwindigkeitstechnologien wie dem Gigabit Ethernet mit Kapazitäten von 1.000, 10.000 Mbit/s und mehr nur eine Frage der Zeit war.
1.2.1Ethernet
Durch Einsatz eines speziellen Zugriffsverfahrens mit dem Namen CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) verdichtete sich bereits in den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts der Ethernet-Standard. Dabei repräsentiert Ethernet einen Standard, der physikalisch auf einer reinen Bus-Topologie beruht. Diesen Bus kann man sich als ein Kabel vorstellen, das an seinen beiden Enden durch jeweils einen Abschlusswiderstand terminiert wird (Terminator) und über sogenannte Transceiver dem jeweiligen Endgerät (z.B. Rechner mit Ethernet-Netzwerkcontroller) einen Netzwerkzugang ermöglicht.
Auch wenn es für die Hochgeschwindigkeitstechnologien alternative LAN-Zugriffsverfahren bzw. entsprechende Entwicklungen gab (z.B. 100VG-AnyLAN), hat sich heutzutage Ethernet mit dem CSMA/CD-Verfahren als Grundlage und Standard durchgesetzt. Dabei beruht das CSMA/CD-Verfahren auf folgenden Überlegungen:
Eine Station (Rechner in einem lokalen Netzwerk) möchte Daten übertragen. Zu diesem Zweck versucht sie, über die eingebaute Netzwerkkarte auf dem Übertragungsmedium zu erkennen, ob eine andere Station Daten überträgt (Carrier Sense). Wenn das Medium besetzt ist (Collision Detection), zieht sich die Station wieder zurück und wiederholt diesen Vorgang in unregelmäßigen Abständen, bis die Leitung frei ist. Dann beginnt sie mit dem Übertragungsvorgang. Alle am Netz befindlichen Rechner überprüfen den Header des ankommenden Datenpakets (Frame), und nur derjenige, dessen eigene Adresse mit der Zieladresse im Frame übereinstimmt, beginnt mit dem Empfangsprozess (siehe Abb. 1–1).
Abb. 1–1CSMA/CD-Zugriffsverfahren im Ethernet
Dabei ist bei der gleichzeitigen Übertragung mehrerer Stationen zu beachten, dass das Prinzip der Kollisionserkennung (Collision Detection) dazu führt, dass die erste sendende Station ihren Sendeprozess unmittelbar abbricht und ein Störsignal (Jam-Signal) produziert. Ein erneuter Sendeversuch wird innerhalb zufällig generierter Intervalle wiederholt. Zufällig gebildete Intervalle minimieren das Risiko überproportional steigender Kollisionen. Kommt nach weiteren Sendeversuchen mit unterschiedlich langen Wartezeiten und fünf weiteren, gleich großen Zeitintervallen keine störungsfreie Übertragung zustande, wird die nächsthöhere Protokollschicht informiert und muss nun ihrerseits geeignete Sicherungsmechanismen durchführen.
Bei der Betrachtung des Ethernet-Standards (Version 2) ist zu berücksichtigen, dass dieser leicht vom 802.3-Standard abweicht. Die Differenzen zeigen sich insbesondere in unterschiedlichen maximalen Signalrundlaufzeiten und im Aufbau der Datenpakete (Frames). So befindet sich im Ethernet-Frame auf Byte-Position 20 ein Zwei-Byte-Typenfeld, aus dem das hier eingesetzte höhere Protokoll hervorgeht. Anschließend beginnt der Datenteil. Im IEEE-802.3-Frame hingegen fehlt das Typenfeld. Stattdessen gibt es ein gleich großes Längenfeld, in dem die Gesamtlänge des Frames eingesetzt wird. Anschließend folgt der LLC-Header (Logical Link Control) mit den Daten. Daraus ergibt sich eine Inkompatibilität von Rechnern, die mit diesen beiden Standards arbeiten und miteinander kommunizieren wollen. In Abbildung 1–2 sind die Unterschiede im Frame-Aufbau dargestellt.
Abb. 1–2Unterschiede im Aufbau der Datenpakete
Fast Ethernet
Fast Ethernet beschreibt einen als IEEE 802.3u definierten Standard, der aus dem klassischen Ethernet hervorgegangen ist. Seine Implementierung wird als 100BaseT bezeichnet und stellt eine Bandbreite von 100 Mbit/s zur Verfügung. 100BaseT beruht auf dem IEEE-802.3-Standard und ist somit in der Lage, beide Geschwindigkeiten, also sowohl 10 Mbit/s als auch 100 Mbit/s, im lokalen Netzwerk zu realisieren. Auch das Frame-Format ist für beide Implementierungen identisch.
Da 100BaseT das gleiche Zugriffsverfahren wie 10BaseT verwendet (CSMA/CD), ist eine Reduktion der als Collision Domain bezeichneten Entfernung zwischen zwei Ethernet-Stationen von etwa 2000 Metern auf 200 Metern erforderlich. Das Design einzelner Netzwerksegmente ist abhängig von den für dieses Verfahren eingesetzten Medien. 100BaseTX-, 100BaseFX- und 100BaseT4-Medien unterscheiden sich jeweils im Kabeltyp, in der Anzahl einzelner Adern und in den verwendeten Anschlusstypen. Fast Ethernet hat in den letzten Jahren jedoch deutlich an Bedeutung verloren und wird zunehmend durch die neueren Gigabit-Standards ersetzt. Dies gilt nicht nur für industrielle Netzwerke, sondern auch für die eingesetzten Netzkomponenten im privaten Bereich.
Gigabit Ethernet
Die unmittelbare Weiterentwicklung von Fast Ethernet stellt Gigabit Ethernet dar. Aus Sicht des ISO/OSI-Layers 2 (Data Link Control) in Richtung höherer Protokollschichten ist die Architektur von Gigabit Ethernet mit dem IEEE-802.3-Standard identisch. Allerdings mussten die 1999 neu geschaffenen Standards IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet über Glasfaser) und IEEE 802.3ab (Gigabit Ethernet über Kupferkabel 1000BaseT) hinsichtlich der physikalischen Schicht angepasst werden, damit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 Mbit/s erreicht werden können.
Das Medium spielt beim Gigabit Ethernet eine herausragende Rolle. Glasfaserkabel (Medien 1000BaseCX, 1000BaseLX und 1000BaseSX) sind aufgrund ihrer Materialbeschaffenheit und der anwendbaren Codierungsverfahren für solch hohe Geschwindigkeiten besonders gut geeignet. Aber auch die am 1000BaseT orientierten Twisted-Pair-Kabel lassen sich für das Gigabit Ethernet verwenden, vorausgesetzt, es werden alle vier Adernpaare für die Signalübermittlung verwendet (für 10BaseT oder 100BaseT sind zwei der vier Adernpaare ausreichend). Während der Einsatz des Glasfaserkabels Übertragungsstrecken bis zu 5000 Metern erlaubt, verringert sich die Distanz beim 1000BaseT, also beim Kupferkabel, auf etwa 100 Meter. Dieses ist daher lediglich zur Überwindung kurzer Entfernungen bzw. innerhalb von Verteilerschränken verwendbar.
Abb. 1–3Darstellung der modifizierten Architektur bei Gigabit Ethernet
Heute beschäftigen sich technische Arbeitsgruppen (z.B. im IEEE im Projekt 802.3 df) bereits mit der Spezifikation und Implementierung von 800 Gigabit Ethernet (GbE) oder gar 1,6 Terabit Ethernet (TbE).
100VG-AnyLAN
Parallel zur Entwicklung von Fast Ethernet wurde im letzten Jahrhundert die 100VG-AnyLAN-Technologie geschaffen, die alternativ andere LAN-Zugriffsverfahren als das CSMA/CD nutzen kann.
Im IEEE-802.12-Standard ist das von Hewlett Packard entwickelte 100VG-AnyLAN als Alternative zum CSMA/CD-Zugriffsverfahren definiert und kann gewissermaßen als Synthese aus Ethernet und Token Ring betrachtet werden; weder Token Ring noch 100VG-AnyLAN haben heutzutage jedoch noch eine praktische Bedeutung. Der LAN-Zugriff wird im Wesentlichen vom angeschlossenen Hub oder Switch bestimmt und vermeidet zufällig orientierte Zugriffszyklen wie beim CSMA/CD-Verfahren. Konkurrierende Übertragungsanfragen werden vom Hub nach Prioritäten abgewickelt (nur eine einzige Station kann zu einem bestimmten Zeitpunkt Daten übertragen – Kollisionen werden somit vermieden), sodass sich diese Technologie besonders für Multimedia-Datenverkehr eignet. Es besteht eine Frame-Kompatibilität zu Ethernet- und Token-Ring-Netzwerken, sodass ein 100VG-Any-LAN-Segment einfach durch Installation einer Bridge in bestehende Ethernet- oder Token-Ring-Segmente integriert werden kann.
HINWEIS
Die Netzwerkvariante 100VG-AnyLAN hat heutzutage so gut wie keine Bedeutung mehr und kommt insbesondere bei Neuinstallation nicht mehr zum Einsatz.
1.2.2Wireless LAN (IEEE 802.11)
Überall dort, wo eine Verkabelung zur Einrichtung eines Netzwerks nicht infrage kommt oder besondere Anforderungen hinsichtlich der Mobilität vorliegen, ist der Einsatz funkbasierter Kommunikationstechnologien zu empfehlen. Die heute verfügbare Technik liefert ausreichend Möglichkeiten, um die in einem Netzwerk erforderlichen Aufgaben zufriedenstellend zu lösen. Nachfolgend sind die verfügbaren Standards, Komponenten und die erforderlichen Sicherheitsmechanismen erläutert.
WLAN-Standards
Im Standard IEEE 802.11, der in seinen Einzelstandards die heute verfügbaren Techniken darstellt, sind die wesentlichen Merkmale und Funktionen erläutert und definiert. Hier einige wichtige Beispiele:
IEEE 802.11a
WLAN-Standard (1999), der auf einer Brutto-Datenrate von etwa 54 Mbit/s und dem 5-GHz-Band basiert. Seit November 2002 ist dieser Standard auch für Deutschland zugelassen (gem. Order Nr. 35/2002 vom 13. November 2002 – Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post).
IEEE 802.11b
WLAN-Standard (1999), der auf einer Brutto-Datenrate von etwa 11 Mbit/s und dem 2,4-GHz-Band basiert. Es handelt sich hierbei um die derzeit verbreitetste WLAN-Variante.
IEEE 802.11g
WLAN-Standard aus dem Jahr 2003, der auf einer Brutto-Datenrate von etwa 54 Mbit/s und dem 2,4-GHz-Band basiert. Dieser Standard ist abwärtskompatibel zu IEEE 802.11b, sodass hier ein zukünftig hoher Verbreitungsgrad sehr wahrscheinlich ist.
IEEE 802.11h
WLAN-Standard, der eine Adaption des IEEE-802.11a-Standards für Europa repräsentiert. In Europa erfolgt die Radar-Kommunikation ebenfalls im 5-GHz-Band, sodass hier besondere Vorkehrungen zur Steuerung der Datenübertragung vorgenommen werden müssen.
IEEE 802.11n (Wi-Fi 4)
Der sogenannte »n-Standard« 802.11n wurde Ende 2009 verabschiedet und ermöglicht eine Brutto-Datenrate von theoretisch bis zu 600 Mbit/s. Die Übertragung erfolgt im 2,4-GHz-Band und optional auch unter 5 GHz.
IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)
IEEE 802.11ac stellt die Weiterentwicklung des 802.11n-Standards dar und sorgt für eine Verbesserung der theoretischen Übertragungsgeschwindigkeit auf mehr als das Doppelte (1,2 Gbit/s). Außerdem liefert es eine weitaus stabilere Datenübertragung auf hohem Niveau. Diese Stabilität konnte der Vorgänger Wi-Fi 4 nicht bieten, da er nicht über das Beam-Forming-Verfahren verfügt und somit eine gezielte Ausrichtung des Funksignals auf Endgeräte und Access Points unter Verwendung mehrerer (mindestens zwei) Antennen möglich ist.
IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6)
Der seit Anfang 2020 etablierte Standard IEEE 802.11ax liefert im 2,4-GHz- und 5-GHz-Frequenzband mittlerweile eine vielfach höhere Datenübertragungsrate von theoretisch 10 Gbit/s und mehr, da der Datenstrom parallel mehrere Geräte erreichen kann. Die theoretischen Geschwindigkeiten sind allerdings nur unter Laborbedingungen realisierbar. In der Praxis sorgen sich gegenseitig störende Router und nicht immer optimale Signalqualitäten für deutliche Performance-Einbrüche; insbesondere für vom Router entfernte Endgeräte (Wi-Fi 6 benötigt zur Ausnutzung seiner erhöhten Geschwindigkeiten ein sehr gutes Signal).
IEEE 802.11ad
IEEE 802.11ad nutzt ein völlig anderes Frequenzband als die zuvor dargestellten Standards: das 60-GHz-Band. Hier sind sehr hohe Geschwindigkeiten von bis zu 7 Gbit/s möglich und durch die Frequenzbandunabhängigkeit ist eine Kommunikation gegenüber Störungen kaum anfällig. Allerdings ist die Reichweite der Kommunikation auf etwa 9 Meter beschränkt, sodass dieser Standard eher innerhalb von Räumen bzw. eng umfassten Bereichen eingesetzt wird (z.B. bei der Übertragung von hoch aufgelösten Videos, wie 4K). Dieser Standard wird gemeinsam mit dem IEEE 802.11ay auch als
Wireless Gigabit
bezeichnet.
IEEE 802.11ah
Die Besonderheit dieses Funkstandards ist seine erhöhte Reichweite. Er wird im 900-MHz-Band betrieben und liefert Datenkommunikation bis zu 1 km Entfernung allerdings mit einer niedrigen Datenrate von mindestens 100 kbit/s. Dieser Standard wird auch als Low-Power-Wi-Fi oder offiziell auch Wi-Fi HaLow bezeichnet. Er kommt primär bei der Datenkommunikation im SmartHome-Bereich (auch in IoT- –
Internet of Things
– Umgebungen) zum Einsatz, da der geringe Energieverbrauch und die Robustheit gegenüber Hindernissen und »dicken Betonwänden« einen gegenüber anderen WLAN-Standards deutlichen Vorteil bedeuten. Dies ist allerdings derzeit nur Theorie. Stand Anfang 2022 gibt es kaum Produkte für diesen Standard auf dem Markt, auch wenn von der Wi-Fi-Alliance für die nächsten Jahre vielversprechende Erfolge prognostiziert werden (Wi-Fi-Alliance-Veröffentlichung vom 2. November 2021, Austin, Texas:
WiFi Certified HaLow delivers long range, low power WiFi
).
IEEE 802.11ay
Als Erweiterung und Verbesserung des IEEE-802.11ad-Standards wurde IEEE 802.11ay im März 2021 mit einer deutlich höheren Datenrate von 20–40 Gbit/s verabschiedet. Reichweite: ca. 300 bis 500 Meter.
IEEE 802.11be (Wi-Fi 7)
Dieser Standard stellt die Weiterentwicklung des Wi-Fi 6 dar und soll u.a. eine bis zu vier Mal höhere Datenrate ermöglichen. Man erwartet somit Datenübertragungsraten von 30 bis 40 Gbit/s. Ein weiterer Fokus liegt auf datenintensiven Echtzeit-Anwendungen zum Beispiel im Bereich Virtual oder Extended Reality. Damit wird Wi-Fi 7 zu einer ersten ernst zu nehmenden Alternative zum Festnetz-Ethernet. Derzeit erwartet man allerdings eine Standardisierung erst für das Jahr 2024.
HINWEIS
Sämtlichen heute im Einsatz befindlichen WLAN-Standards ist gleich, dass es sich um ein Shared Medium handelt; dies bedeutet, dass sich die angegebene Bandbreite jeweils nur auf einen einzigen Netzwerkknoten bezieht. Nutzen mehr als ein Knoten (z.B. mehrere Rechner) das Netzwerk, so muss die verfügbare Bandbreite geteilt werden. Zusätzlich reduzieren Störeinflüsse im Funknetz die Übertragungsqualität der Daten, sodass in einem WLAN in der Praxis beispielsweise bei mehreren miteinander kommunizierenden Rechnern (je nach genutztem Standard) von deutlich reduzierten Übertragungsraten ausgegangen werden muss.
Komponenten
In einem WLAN spielt der Begriff »Zelle« eine entscheidende Rolle. Eine Zelle bezeichnet die Zusammenfassung einzelner im WLAN miteinander kommunizierender Netzwerkknoten. Die Identifikation einer Zelle erfolgt über den sog. ESSID (Extended Service Set Identifier). Jeder Zelle sollte im WLAN ein eigener Funkkanal zugeordnet werden.
In einem WLAN lassen sich grundsätzlich zwei verschiedene Topologieformen antreffen:
Ad-hoc-Modus
Dem Ad-hoc-Modus liegt eine direkte Kommunikation der einzelnen Netzwerkknoten zugrunde. Grundsätzlich kommuniziert hier jeder mit jedem und verwendet dabei die gemeinsam zugeordnete ESSID. Eine solche Topologie ist zumeist dann vorteilhaft, wenn lediglich kleine überschaubare Netzwerke (z.B. für temporäre Arbeitsgruppen oder Besprechungen) gebildet werden sollen. Eine Ad-hoc-Topologie ist mit dem übrigen Netzwerk nicht verbunden und stellt somit eine autonome Kommunikationseinheit dar. In einer Sonderform des Ad-hoc-Netzwerks ermöglicht ein nach IEEE 802.11s konzipiertes WLAN Mesh (vermaschtes Funknetz) die »Selbst-Organisation« von Netzwerk-Teilnehmern (zumeist mobile Endgeräte wie Handys, Tablets, Sensoren, Smart Devices usw.).
Infrastruktur-Modus
Der Topologie-Infrastruktur-Modus stellt in einem WLAN den Regelfall dar. Hier werden sogenannte
Access Points
benötigt, die den Zugang zum kabelbasierten Netzwerk herstellen und somit die Funkzelle in das übrige Unternehmensnetzwerk integrieren. Der Infrastruktur-Modus ermöglicht die Nutzung gemeinsamer Netzwerkressourcen (Festplatten, Drucker, Kommunikationseinrichtungen usw.), siehe hierzu auch
Abbildung 1–4
.
Abb. 1–4WLAN-Betrieb im Infrastruktur-Modus
Neben den unterschiedlichen Topologien gibt es in einem WLAN weitere charakteristische Komponenten oder Merkmale, die nachfolgend erläutert werden.
Access Point
Wie bereits erwähnt, kommen Access Points lediglich in Infrastruktur-Modus-Netzwerken zum Einsatz; sie stellen dort die Schnittstelle zwischen Funknetz und dem kabelgebundenen Netzwerk dar. Der gesamte Datenverkehr der Funkzelle wird über einen Access Point geführt, sofern mit dem Kabelnetz kommuniziert werden soll. Er ist Medienübergang, Brücke und Schnittstelle zwischen den Netzwerken. Zahlreiche Router- oder Switch-Hersteller bieten ihre Geräte bereits in einer Access-Point-Variante an.
WLAN-Controller
Jeder Netzwerkknoten muss zur Funkkommunikation in einem WLAN mit einem WLAN-Controller ausgestattet sein. Je nach Endgerät handelt es sich um eine PC-Steckkarte, einen USB-Dongle oder um eingebaute Komponenten, die fest mit der übrigen Hardware verbunden sind. Mittlerweile werden heute Notebooks, Tablets oder auch Mobilfunkgeräte mit eingebauten WLAN-Controllern ausgestattet, sodass der separate Einsatz von Zusatzkarten nicht mehr erforderlich ist.
Antennen
WLAN-Controller und Access Points besitzen jeweils unterschiedlich ausgeprägte Antennen, die für den Versand und Empfang der Daten zuständig sind. Je nach Hardwareerfordernissen handelt es sich dabei um Flachantennen, kleine Stabantennen oder größere Richtantennen, um die Funkreichweite zu vergrößern.
WLAN-Charakteristik
Die Schicht Physical Layer im ISO/OSI-Referenzmodell auf Schicht 1 wird beim IEEE-802.11-Standard durch einen PMD- und einen PLCP-Sub-Layer dargestellt. Während der PMD (Physical Medium Dependent Sub-Layer) für die Signalmodulation und -codierung zuständig ist, bildet das PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) die allgemeingültige Schnittstelle zur übergelagerten Steuerungsschicht (MAC Layer).
Bei der physikalischen Datenübertragung werden in Funknetzen nach IEEE 802.11 zur Erhöhung der Datensicherheit sogenannte Spread-Spectrum-Technologien eingesetzt. Die beiden Verfahren lauten FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) und DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).
Bei FHSS wechseln Sender und Empfänger zyklisch die benutzte Frequenz, wobei sie die gleiche Reihenfolge einhalten (Hopping Sequence). Die durch andere Sender verursachten Störungen werden minimiert, da nur diejenigen Sender und Empfänger miteinander kommunizieren können, die auch mit gleicher Hopping Sequence arbeiten. Bei diesem Verfahren ist allerdings der technische Aufwand auf der MAC-Ebene recht hoch, da die Frequenzwechsel gesteuert und synchronisiert werden müssen. Aufgrund besserer Leistungswerte hat sich jedoch DSSS – insbesondere für IEEE 802.11b – durchgesetzt. Im Gegensatz zu FHSS wird bei DSSS das Signal nicht zeitlich versetzt auf verschiedenen Kanälen versendet, sondern als schmalbandiges Signal durch Multiplexe mit einem PN-Code (Pseudo-Noise) direkt in ein breitbandiges Signal umgewandelt. Da dadurch die Sendeintensität unter die Rauschgrenze abgesenkt wird, kann das Signal nur noch von Stationen empfangen werden, die mit dem gleichen PN-Code arbeiten.
Der MAC-Layer weist bei 802.11 eine enge Verwandtschaft mit der kabelgebundenen Variante 802.3 auf. Allerdings muss der drahtlose Standard auf die Besonderheiten der Übertragungsstrecke Rücksicht nehmen. Aufgrund der Signalcharakteristik entfällt die Möglichkeit zum Erkennen von Kollisionen. Daher greift 802.11 auf eine Zugangskontrolle nach dem CSMA/CA-Verfahren zurück.
CSMA/CA steht für Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. Es beschreibt den Zugriff auf einen gemeinsamen Kanal, indem dieser auf das Vorhandensein eines Trägersignals getestet wird. Der Unterschied zu IEEE 802.3 besteht in der Collision Avoidance (Kollisionsvermeidung), deren Implementierung als DCF (Distributed Coordination Function) oder PCF (Point Coordination Function) realisiert wird. Das DCF-Verfahren wird insbesondere im Ad-hoc-Modus eingesetzt, während das PCF-Verfahren im Infrastrukturbetrieb (Verwendung von Access Points, die beispielsweise zur Koordination der Kanalvergabe verwendet werden) zur Anwendung kommt.
Für eine ungefähre Einschätzung der möglichen Reichweiten (z.B. bei IEEE 802.11b) ist es wenig sinnvoll, theoretische Werte zugrunde zu legen. Danach wäre bei einer Netto-Datenrate von etwa 2 Mbit/s eine Reichweite von etwa 400 Metern im Freien und etwa 45 Metern in geschlossenen Räumen realisierbar. Tatsächlich kann davon ausgegangen werden, dass in einer »normalen Bürolandschaft« bei der Durchquerung einer Etagendecke und dreier weiterer Wände (Entfernung ca. 5 Meter Luftlinie) ein Netto-Datendurchsatz von vielleicht 500 bis 700 kbit/s erreicht werden kann. Ähnliche Werte erhält man auch bei einer Messung auf derselben Etage bei Durchquerung von drei Raumwänden. Es ist daher festzustellen, dass die theoretischen Werte in Realumgebungen stark relativiert werden müssen. Eine wesentlich günstigere Umgebung (z.B. bei freier Fläche) ist dagegen eher selten anzutreffen.
Im Unterschied zum kabelbasierten Netzwerk, in dem störende Einwirkungen von außen heute relativ selten auftreten, ist das Funknetz bei der Datenübertragung zahlreichen Einflüssen ausgesetzt. So ist beispielsweise die Verwendung von Metall in Gebäuden für ein WLAN äußerst hinderlich, da die Dämpfung der Funkwellen eine Kommunikation deutlich beeinträchtigt. Aber auch die Verarbeitung von Stahlbeton führt zu einer nachteiligen Charakteristik. Im Wesentlichen störungsfrei erfolgt die Kommunikation in freier Natur oder auch bei der Durchquerung von Holzwänden oder Glas. Eine Störquelle der besonderen Art kann ein Mikrowellengerät darstellen. Da dieses auf der gleichen Frequenz »funkt« und zudem eine – trotz Abschirmung – oft mehr als hundertfache Abstrahlung produziert, sollte ein WLAN Access Point oder WLAN-Controller in möglichst ausreichender Entfernung zum Mikrowellengerät positioniert werden.
Unter Hotspots versteht man öffentliche WLAN-Zugangspunkte, die an Flughäfen, in Restaurants, Krankenhäusern oder Hotels den Gästen bzw. Patienten zur Verfügung gestellt werden. Die Abrechnung für die Dauer der Nutzung erfolgt entweder über bereits vorhandene Identifikationskriterien (Benutzername, Kennwort) bei sogenannten WISPs (Wireless Internet Service Provider) oder auch anderen Providern, bei denen der Kunde bereits ein Abrechnungskonto besitzt (z.B. Mobilfunk-Provider). In einigen Fällen kann die Nutzung auch aufgrund käuflich erworbener Zeitkontingente erfolgen.
Sicherheitsaspekte
Insbesondere bei der Nutzung von Hotspots ist die Sicherheit der Datenkommunikation von großer Bedeutung. Funknetze bieten wegen der recht einfachen Zugangsmöglichkeit eine besonders gute Angriffsfläche für Hacker bzw. Cracker, sofern keine ausreichenden Sicherheitsmaßnahmen getroffen wurden. Die folgende Aufstellung zeigt eine Übersicht der wichtigsten Kriterien, die für die Realisierung einer minimalen Basissicherheit in WLANs berücksichtigt werden sollten:
HINWEIS
Bei der Festlegung der WPA-Version im jeweiligen Gerät ist darauf zu achten, dass die gewählte Version mit allen teilnehmenden Komponenten kompatibel ist. Können in einigen Netzwerkknoten lediglich WPA2-Schlüssel eingerichtet werden, so sind die entsprechenden Geräte nicht in der Lage, mit WPA3-abgesicherten Komponenten zu kommunizieren. Als Konsequenz muss dann – je nach Sicherheitsanforderung – entschieden werden, ob die ältere, lediglich WPA2-fähige Hardware ausgetauscht werden muss oder ob ein »Downgrading« auf WPA2 als ausreichend angesehen wird.
Die Wired Equivalent Privacy bezeichnet ein auf dem RC4-Algorithmus (Rivest Cypher No. 4) beruhendes Verschlüsselungsverfahren, das von einem der weltweit bekanntesten Kryptografen, Ron Rivest, bereits 1987 entwickelt wurde. WEP verwendet Schlüssellängen von 40 und 104 Bit (die ebenfalls in diesem Zusammenhang oft genannten 64- und 128-Bit-Verschlüsselungen beziehen sich lediglich auf zusätzliche Initialisierungsvektoren von 24 Bit Länge, die allerdings aus Sicherheitsgründen wegen ihrer Angreifbarkeit vermieden werden sollten).
Der Standard IEEE 802.11i stellt eine Erweiterung der WLAN-Standards um einige wichtige Sicherheitsfunktionen dar, die WEP nicht liefern kann. So ist beispielsweise der Einsatz des DES-Nachfolgealgorithmus AES (Advanced Encryption Standard) vorgesehen, der auf einem 128-Bit-Blockchiffrieralgorithmus beruht und sogar auf 256 Bit erweiterbar ist. Eine weitere sinnvolle Option zur Erhöhung der Datensicherheit stellt die Verwendung des IP-Sicherheitsprotokolls IPsec im Rahmen von VPNs (Virtual Private Networks) dar.
Basierend auf dem Standard 802.11i wurde das WPA (Wifi Protected Access) von der Wi-Fi-Alliance ausgegliedert, das seit Januar 2018 in der Version 3 (WPA3) vorliegt. Ihm liegen ein 192-Bit-Schlüssel im Enterprise-Modus und ein 128-Bit-AES-Schlüssel im Personal-Modus zugrunde.
Von den möglichen Sicherheitsvorkehrungen und technischen Möglichkeiten abgesehen, sollten alle Zugriffe auf die Konfiguration eines Access Point über gesonderte Kennwörter abgesichert sein.
1.2.3Bluetooth
Mit der Bluetooth-Technologie wurde, im Vergleich zum WLAN, ein ganz anderer Ansatz bzw. ein anderes Ziel verfolgt. Auch wenn es technisch im selben 2,4-GHz-Band wie ein WLAN eingesetzt wird, so ist seine Funktionalität darauf ausgelegt, über relativ kurze Entfernungen Endgeräte unterschiedlichsten Charakters miteinander kommunizieren zu lassen. Der Betrieb eines infrastrukturellen Netzwerks stand bei Bluetooth nie im Vordergrund; vielmehr sind typische Komponenten einer Bluetooth-Kommunikation Mobilfunkgeräte wie Smartphones, Smartwatches oder Peripheriegeräte (z.B. Headsets) und sicher vereinzelt auch PCs, Notebooks oder Tablets.
Bluetooth wird daher vorwiegend in sogenannten Wireless Personal Area Networks (WPAN) eingesetzt, einem Verbund einzelner Endgeräte, der in der Vergangenheit sehr oft der Infrarot-Technologie vorbehalten war (IrDA).
Wie bereits in Abschnitt 1.2.2 ersichtlich, gibt es heute seit der Bluetooth-Spezifikation 5 (Einführung im Dezember 2016) bzw. in der zuletzt aktualisierten Version 5.3 (Einführung im Juli 2021) durchaus überlappende Einsatzbereiche mit IEEE-802.11-WLAN-Technologien, insbesondere hinsichtlich Low-Energy-Einsatz. Bluetooth kann zwar bei einer deutlich reduzierten Datenrate von unterhalb 1 Mbit/s innerhalb von Räumen und Gebäuden eine Reichweite von 40 Metern und im Freigelände bis zu 200 Metern erreichen. Damit stellt es allerdings keine direkte Konkurrenz von Hochgeschwindigkeits-Funknetzen im IEEE-802.11-Standard dar. Nicht zuletzt deshalb, weil dies der Bluetooth-Standard auch überhaupt nicht anstrebt. Sein Schwerpunkt liegt wie bereits dargestellt im Nahbereich und in der Kommunikation mobiler Endgeräte.
Audio-Streaming und Standort-Bestimmung (Lokalisierung von Personen und Gegenständen) sind weitere Disziplinen, mit denen sich der Standard seit einigen Jahren beschäftigt.
Die Bluetooth Special Interest Group ist als Non-Profit-Organisation für die Entwicklung des Standards verantwortlich. Ihr hat sich eine Vielzahl von Unternehmen angeschlossen, die an der Weiterentwicklung von Bluetooth mitarbeiten.
1.2.4Sonstige Varianten
Die im Folgenden kurz dargestellten Netzwerktopologien besaßen in der Vergangenheit große Relevanz, sind aber heute zunehmend den zuvor beschriebenen Technologien gewichen. In einzelnen Unternehmen und öffentlichen Infrastrukturen kommen sie zwar immer noch vor, allerdings liegt das zumeist an den hohen Kosten, die für den Austausch von Netzwerken zu berücksichtigen sind. Mit den realisierbaren Geschwindigkeiten beim Datentransport sind sie einfach nicht mehr konkurrenzfähig.
1.2.4.1Token Ring
Mitte der 80er Jahre des vorigen Jahrhunderts verfeinerte die Firma IBM für ihre eigenen Erfordernisse ein Netzwerkverfahren, das bereits 1972 entwickelt, aber erst 1989 unter dem Namen Token Ring auf den Markt gebracht wurde. Bei Token Ring können neben den alten starren, mehrfach verdrillten Vierdrahtkabeln (Typ-1-Kabel) auch neuere Kabeltypen (z.B. Cat5, Cat6 oder Cat7 mit RJ45-Steckern) verwendet werden. In Abhängigkeit vom Zugriffsverfahren lassen sich Kapazitäten bis zu 20–30 Mbit/s erreichen. Begann man zunächst beim Token Ring mit einer LAN-Geschwindigkeit von 4 Mbit/s, so wurde seit 1990 immer mehr die wesentlich leistungsfähigere 16-Mbit/s-Variante eingesetzt, insbesondere in LAN-übergreifenden Backbones.
Prinzip und Zugriffsverfahren
Im Token Ring kommt mit Token Passing ein völlig anderes Netzwerkzugriffsverfahren als im CSMA/CD-Verfahren von Ethernet zur Anwendung; der entsprechende Standard ist als IEEE 802.5 definiert. Auch hier erfolgt die Anschaltung an das Netzwerkkabel über einen Controller (für PCs, Workstations u.Ä.). Allerdings geht ein solcher Controller (bzw. Rechner) nicht direkt an den Ring, sondern wird normalerweise zunächst zu einem Ringleitungsverteiler geleitet, an dem weitere sieben Stationen gebündelt werden (die Anzahl der gebündelten Stationen hängt vom Typ des Ringleitungsverteilers bzw. von der Anschlusstechnik ab). Dieser besitzt für jede Station, die den Ring betreten möchte, ein passiv oder aktiv arbeitendes Relais. Die Stromversorgung der einzelnen Relais wird über den Controller der Station übernommen. Ist die Station ausgeschaltet, wird der Netzwerkbetrieb an diesem (nun stromlosen) Relais vorbeigeführt. Erst nach Einschalten des Rechners und Aktivierung des Controllers (Treibersoftware) erhält die Station über das nun geöffnete Relais einen Netzwerkzugang. Diese kombinierte Ring-Stern-Topologie ist daher in diesem Verfahren relativ unempfindlich gegen Ausfälle einzelner Stationen.
Die erste Station, die den Ring betritt, erhält die Funktion des aktiven Monitors. Sie generiert ein sogenanntes Frei-Token, die Sendeberechtigung, und sorgt ferner für seine Überwachung. Alle weiteren Stationen werden als »Stand-by-Monitore« geführt. Sie übernehmen erst dann aktive Monitorfunktionen, wenn der bislang aktive Monitor ausfällt.
Bei einem Token (hier: Frei-Token) handelt es sich um ein 3-Byte-Bitmuster, bestehend aus Starting Delimiter, Access Control und Ending Delimiter. Indem die gewünschten Netzwerkdaten (eigene Adresse, Adresse der Zielstation und Nutzdaten) angehängt werden, entsteht so der Token-Ring-Frame, der von Station zu Station weitergereicht wird, bis er die angesprochene Zielstation erreicht. Nachdem der Frame kopiert und entsprechend markiert wurde, wird er wieder auf den Ring gebracht und nach gleichem Verfahren so lange weitergereicht, bis er an der Sendestation wieder angekommen ist. Diese nimmt ihn schließlich vom Netz und generiert ein Frei-Token, das dann von anderen sendewilligen Stationen für eine Übermittlung von Daten verwendet wird. Hier ist es wichtig festzuhalten, dass eine Station lediglich dann senden kann, wenn sie im Besitz eines Frei-Tokens ist.
Bei einer Geschwindigkeit von 16 Mbit/s erhöht sich zwar die Ringkapazität um das Vierfache (d.h. etwa 8 Bytes für die Belegung des 1000 Meter langen Ringes), eine wesentliche Veränderung des Verhaltens im Ring wird dadurch jedoch nicht erreicht. Das wird drastisch anders, wenn Backbones von mehreren Kilometern Länge zum Einsatz kommen. Die Ring-Speicherfähigkeit nimmt also deutlich zu, sodass auch mehrere Frames (aber immer nur ein einziges Token) zu einem bestimmten Zeitpunkt im Ring verweilen. Dieses Verfahren wird Early Token Release genannt.
Das nach IEEE 802.4 standardisierte Token-Bus-Verfahren kommt hauptsächlich in den USA zur Anwendung (ARCNET entspricht zwar nicht diesem Standard, verwendet aber ein sehr ähnliches Verfahren). Unter Ausnutzung der Stärken und Vermeidung von Schwächen der jeweiligen Konzeption stellt es eine Kombination der Bus- und Ringtechnologie dar. Auf dem physikalischen Bus wird ein logischer Ring implementiert.
High Speed Token Ring (HSTR)
Namhafte Hersteller von Token-Ring-Produkten versuchten Ende des vorigen Jahrhunderts (1997), dem gestiegenen Bedarf an Hochgeschwindigkeitsnetzen auch für Token Ring Rechnung zu tragen. Gegenüber dem bereits etablierten Fast Ethernet konnte die Token-Ring-Gemeinde noch nichts Gleichwertiges vorweisen. So kam es insbesondere durch Mitwirkung der Hersteller IBM, CISCO, 3COM, Bay Networks und Madge Networks zur Standardisierung des High Speed Token Ring als spezielle Norm IEEE 802.5u.
Unter Beibehaltung des bekannten Token-Ring-LAN-Zugriffsverfahrens, des Source Route Bridging, und der gegenüber Ethernet größeren Datenpakete ist der HSTR jedoch primär zur Ablösung bestehender Backbone-Konzepte gedacht, die bislang mit 16 Mbit/s betrieben wurden, oder aber zur Einrichtung dedizierter Punkt-zu-Punkt-Serververbindungen. Der Betrieb auf einem Medium, an dem mehrere Stationen bedient werden müssen, war prinzipiell nicht vorgesehen.
Sehr schnell wurde klar, dass die Token-Ring-Technologie samt HSTR mittelfristig keine große Rolle mehr spielen würde. Fast alle namhaften Hersteller von Token-Ring-Produkten haben sich mittlerweile von dieser Technologie getrennt. Selbst IBM, Stammvater des Token Ring, hat sich 1998 aus dem Token-Ring-Geschäft zurückgezogen.
1.2.4.2FDDI
Das Fiber Distributed Data Interface Network beschreibt die konsequente Weiterentwicklung des IEEE-802.5-Standards unter ISO/ANSI X3T9.5 auf Basis eines Doppelrings (Primär- und Sekundärring). Es ist für hohe Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s ausgelegt und damit für komplexe Backbone-Konzepte geeignet. Der Backbone sollte eine maximale Netzausdehnung von etwa 100 bis 200 km nicht übersteigen und seine angeschalteten (max. 500 bis 1000) Stationen sollten nicht weiter als 2 km voneinander entfernt sein.
Ähnlich wie beim Early-Token-Release-Verfahren können sich zu einem bestimmten Zeitpunkt im FDDI-Ring mehrere Nachrichten gleichzeitig befinden. Eine sendende Station im Ring generiert nach Abgabe ihrer Nachricht an das Netz ein Frei-Token. Dieses kann eine weitere, sendewillige Station benutzen, die dann ihrerseits die gewünschten Daten über das Netzwerk überträgt. Infolge der z.T. gewaltigen Ausdehnung eines FDDI-Backbones gibt es daher bei mehreren kursierenden Nachrichten im Netz keinerlei Kapazitätsprobleme.
Man unterscheidet zwei Typen von Stationen: Class-A-Stationen sind sowohl an den Primär- als auch an den Sekundärring angeschlossen, Class-B-Stationen allerdings nur an den Primärring. Die Anbindung der Class-B-Stationen erfolgt über sogenannte Konzentratoren (Wiring Concentrator). Bei einem Leitungsausfall innerhalb eines Rings kann eine A-Station durch Umschalten auf den anderen Ring ein Backup herstellen. Dieser Vorgang erfolgt zumeist unbemerkt. Eine Kommunikationsunterbrechung wird nicht hervorgerufen.
FDDI ereilte ein ähnliches »Schicksal« wie Token Ring, da mittlerweile auch für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten im LAN fast ausschließlich Ethernet-Technologien eingesetzt werden.
1.2.4.3xDSL
Ein konkretes Beispiel für Breitband-ISDN sind die xDSL-Dienste (ISDN selbst wird mittlerweile von fast allen Providern weltweit nicht mehr betrieben). Hier wird unterschieden nach Übertragungsmedium (Funk, Stromleitung, Kupfer und Lichtwellenleiter), Charakteristik (Simplex, Halbduplex, Duplex) und Datenstrom (symmetrisch oder asymmetrisch). Beim asymmetrischen Duplexverfahren über Kupfer spricht man von ADSL, der vor einigen Jahren verbreitetsten Variante. Dabei differieren die Parameter für Downstream-Datenübertragungen zum lokalen Rechner und Upstream-Übertragungen zum Service-Provider. Es wurden seinerzeit unterschiedliche Bandbreiten angeboten, die von 768 kbit/s bis zu 1000 Mbit/s reichten; aufgrund der teilweise schlechten Leitungsqualität der Kupferkabel gab es jedoch Einschränkungen in Bezug auf die theoretischen Maximalwerte.
ADSL war in diesem Zusammenhang sehr interessant, da es sich dabei primär um eine Download-Charakteristik handelte, die ein Vielfaches der in der Vergangenheit möglichen 64-kbit/s-Bandbreite zur Verfügung stellen konnte. In Verbindung mit den üblichen Flatrates stellte ADSL eine preiswerte Lösung für eine schnelle Internetkommunikation dar. Für diesen Einsatz wurde ein neuer Standard konzipiert: ADSL2 bzw. ADSL2+. Diese von der International Telecommunication Union (ITU) verabschiedeten Standards stellten Bandbreiten nahezu beliebiger Größe zur Verfügung – einschließlich einer Reihe technischer Verbesserungen hinsichtlich Reichweite und Fehlerdiagnose.
Mit einer Weiterentwicklung namens DSL-Vectoring geht eine Ausdehnung der Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu (praktisch verfügbaren) 100 Mbit/s einher. Zur Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit erfolgt dabei ein Ausgleich der elektromagnetischen Störstrahlungen (Übersprechen) zwischen den Leitungen (DSL-Kupferdoppelkabel). Durch das Vectoring werden die Störstrahlen minimiert und damit die verfügbare Kapazität erhöht.
1.2.4.4ATM
Das ATM-Verfahren verwendet für den Datentransport ATM-Zellen, die allesamt die gleiche Länge von 53 Bytes (48 Bytes Daten, 5 Bytes Header) besitzen. Die daraus zusammengesetzten Bit-Datenströme können innerhalb eines ATM-Netzwerks unterschiedlich sein. Die Parallelität von Bit-Strom A mit einer Kapazität von 2 Mbit/s und Bit-Strom B mit 64 kbit/s, aber auch Bit-Strom C mit 10 Mbit/s ist möglich. Bit-Ströme lassen sich als virtuelle Kanäle auch zu virtuellen Pfaden zusammenfassen, wobei jeder virtuelle Pfad die Verbindung zwischen zwei Endeinrichtungen vornimmt. Die eindeutige Identifizierung innerhalb der virtuellen Pfade und Kanäle erfolgt durch das VCI-VPI-Paar (Virtual Channel Identifier; Virtual Path Identifier) im 5-Byte-Header als Bestandteil der ATM-Zelle.
In einem asynchronen Zeit-Multiplexing werden die ATM-Zellen auf das Medium gebracht, d.h., sie belegen asynchron freie Zeitschlitze und werden innerhalb des Übertragungskanals nicht fest zugeordnet. Die durch kleine Zellen (kurze Verzögerungszeiten) und asynchrones Zeit-Multiplexing (Weitergabe von Zellen unabhängig von definierten Zeittakten) erreichbaren Geschwindigkeiten liegen bei über 600 Mbit/s (ATM 622).
Ein ATM-Netzwerk besteht aus einer Sammlung sog. ATM-Switches
