Was ist ein Computernetzwerk?
Ein Computernetzwerk besteht aus zwei oder mehr Geräten (Computer, Handys, Drucker), die verbunden sind, damit sie Daten und Ressourcen teilen können. Jedes Gerät im Netzwerk heißt Knoten oder Host.
Warum vernetzen? Um Dateien, Drucker und den Internetzugang zu teilen, um zu kommunizieren (E-Mail, Videoanrufe) und um Daten an einem Ort zu halten, den viele Menschen nutzen können.
Entwicklung: ARPANET, NSFNET und das Internet
- ARPANET (1969): gestartet von ARPA, einer Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums. Zuerst verband es 4 Universitätsrechner. Es war das erste Netz, das Paketvermittlung in großem Maßstab nutzte, und übernahm später das Protokoll TCP/IP (1983).
- NSFNET (1986): von der National Science Foundation gebaut, um Universitäten und Forschungszentren mit einem schnelleren Backbone (schnelle Hauptleitung) zu verbinden. Es diente Bildung und Forschung.
- Internet (ab den 1990ern): ARPANET, NSFNET und viele private Netze wurden mit TCP/IP verbunden. Das Internet ist ein Netz aus Netzen und umspannt die ganze Welt. Das World Wide Web (1991) machte es mit Webseiten leicht nutzbar.
Bestandteile der Datenübertragung
Datenübertragung heißt, Daten über ein Medium von einem Gerät zu einem anderen zu senden.
- Sender: das Gerät, das die Daten schickt (dein Handy).
- Empfänger: das Gerät, das sie bekommt (das Handy deines Freundes).
- Nachricht: die Daten selbst: Text, Bild, Audio, Video.
- Übertragungsmedium: der Weg, auf dem die Nachricht reist: ein Kabel oder Funksignale.
- Protokoll: die Regeln, an die sich beide Seiten halten, zum Beispiel das Datenformat und der Umgang mit Fehlern. Ohne gemeinsames Protokoll verstehen sie sich nicht.
Bandbreite und Datenrate
Die Bandbreite ist der Frequenzbereich, den ein Kanal übertragen kann: höchste Frequenz minus niedrigste. Sie wird in Hertz gemessen (Hz, kHz, MHz, GHz). Mehr Bandbreite bedeutet, dass der Kanal mehr Daten tragen kann.
Die Datenrate (oder Bitrate) ist die Anzahl der Bits, die pro Sekunde gesendet werden. Einheiten: bps, Kbps, Mbps, Gbps. 1 Kbps = 1000 bps; 1 Mbps = 1000 Kbps; 1 Gbps = 1000 Mbps.
Sendezeit = Datengröße (in Bit) ÷ Datenrate. Denk daran: 1 Byte = 8 Bit. Eine 10-MB-Datei auf einer 40-Mbps-Leitung: 10 × 8 = 80 Mb ÷ 40 Mbps = 2 Sekunden (Verzögerungen nicht gerechnet).
IP-Adresse
Eine IP-Adresse (Internet-Protocol-Adresse) ist eine eindeutige Nummer für jedes Gerät in einem Netz, damit die Daten wissen, wohin sie müssen, wie die Hausadresse bei einem Brief.
- IPv4: 32 Bit, geschrieben als vier Zahlen von 0 bis 255, durch Punkte getrennt, z. B.
192.168.1.10. Etwa 4,3 Milliarden Adressen. - IPv6: 128 Bit, geschrieben als acht Gruppen hexadezimaler Ziffern, durch Doppelpunkte getrennt, z. B.
2001:db8::1. Entstanden, weil die IPv4-Adressen knapp wurden.
Jede Netzwerkkarte hat außerdem eine feste MAC-Adresse (48 Bit), die der Hersteller festlegt; die IP-Adresse kann sich ändern, wenn du in ein anderes Netz gehst.
Vermittlung: Leitungsvermittlung und Paketvermittlung
Vermittlung bestimmt, wie Daten ihren Weg durch das Netz vom Sender zum Empfänger finden.
Leitungsvermittlung
Ein fester Weg (eine Leitung) wird zwischen Sender und Empfänger aufgebaut, bevor Daten fließen, und bleibt für das ganze Gespräch reserviert. Beispiel: alte Festnetztelefonate. Vorteil: gleichmäßige Daten in der richtigen Reihenfolge. Nachteil: Bei Stille wird die Leitung verschwendet; der Aufbau braucht Zeit.
Paketvermittlung
Die Daten werden in kleine Pakete zerlegt. Jedes Paket trägt die Adresse von Sender und Empfänger und eine Nummer. Die Pakete reisen selbstständig, vielleicht auf verschiedenen Wegen, und werden beim Empfänger der Reihe nach zusammengesetzt. Beispiel: das Internet. Vorteil: Die Leitungen werden gut geteilt, eine defekte Verbindung lässt sich umgehen. Nachteil: Pakete können in falscher Reihenfolge ankommen oder sich verspäten.
| Leitung | Paket | |
|---|---|---|
| Weg | ein fester, reservierter Weg | jeder freie Weg pro Paket |
| Aufbau | vorher nötig | nicht nötig |
| Nutzung der Leitungen | verschwenderisch | effizient |
| Reihenfolge | immer in Ordnung | am Ende neu geordnet |
Probier es aus: Finde deine IP-Adresse und dein Tempo
Öffne auf dem Handy die WLAN-Einstellungen und tippe auf dein Netz: Du siehst eine IP-Adresse wie 192.168.x.x. Auf einem Computer gibst du im Terminal ipconfig (Windows) oder ip addr (Linux) ein. Mach dann im Browser einen Speedtest und notiere die Download-Geschwindigkeit in Mbps. Rechne aus, wie viele Sekunden ein 25-MB-Video zum Herunterladen brauchen sollte. Prüfe die Antwort mit dem Regler im freien 3D-Schritt.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Fünf Teile: Sender, Empfänger, Nachricht, Medium, Protokoll
- Zeit = Größe in Bit ÷ Datenrate; 1 Byte = 8 Bit
- 1 Kbps = 10³ bps, 1 Mbps = 10⁶ bps, 1 Gbps = 10⁹ bps
- IPv4 = 32 Bit (4 Zahlen 0–255) · IPv6 = 128 Bit
Gelöste Beispiele
1. Ordne zeitlich: Internet, ARPANET, NSFNET.
ARPANET (1969) → NSFNET (1986) → Internet (wuchs in den 1990ern durch die Verbindung von Netzen).
2. Bei einer E-Mail von Asha an Ravi über WLAN: Nenne die fünf Bestandteile.
Sender: Ashas Gerät. Empfänger: Ravis Gerät. Nachricht: die E-Mail. Medium: WLAN-Funkwellen (und Kabel dahinter). Protokoll: die Regeln von SMTP/TCP/IP.
3. Wie lange braucht eine 5-MB-Datei auf einer 10-Mbps-Leitung?
5 MB = 5 × 8 = 40 Megabit. Zeit = 40 ÷ 10 = 4 Sekunden.
4. Ein Kanal überträgt Frequenzen von 300 Hz bis 3400 Hz. Wie groß ist seine Bandbreite?
Bandbreite = 3400 − 300 = 3100 Hz.
5. Ist 192.168.1.256 eine gültige IPv4-Adresse?
Nein. Jede der vier Zahlen muss zwischen 0 und 255 liegen, und 256 ist zu groß.
6. Welche Vermittlung passt zu einem Live-Videoanruf im Internet und welche zu einem alten Festnetzanruf? Warum?
Internet-Video nutzt Paketvermittlung: Die Pakete teilen sich die Leitungen mit anderen und finden freie Wege. Ein altes Festnetztelefon nutzt Leitungsvermittlung: Eine Leitung ist für das ganze Gespräch reserviert, die Stimme kommt in der richtigen Reihenfolge an und die Leitung wird nicht geteilt.
Häufige Fehler
- Bandbreite (Hz, Frequenzbereich) mit Datenrate (Bit pro Sekunde) verwechseln.
- Vergessen, Bytes mit 8 zu multiplizieren, wenn man aus Mbps die Zeit berechnet.
- Sagen, ARPANET und Internet seien dasselbe; das ARPANET war ein frühes Netz, aus dem das Internet gewachsen ist.
- Glauben, Pakete nähmen immer denselben Weg; jedes Paket kann eine andere Route nehmen.