Was ist Computer-Networking?

Networking oder Computer-Networking umfasst die Verbindung von zwei oder mehr Computergeräten (z. B. Desktop-Computer, Laptops, mobile Geräte, Router, Anwendungen), um die Übertragung und den Austausch von Informationen und Ressourcen zu ermöglichen.

Vernetzte Geräte stützen sich auf Kommunikationsprotokolle, Regeln, die beschreiben, wie Daten über ein Netzwerk übertragen oder ausgetauscht werden, die es ihnen ermöglichen, Informationen über physische oder drahtlose Verbindungen zu teilen.

Computernetze bilden das Rückgrat fast jeder Digital Experience, von Personal Communications und Unterhaltung bis hin zu cloudnativen Geschäftsabläufen und globaler Infrastruktur. Moderne Netzwerke sind auf Skalierbarkeit, Geschwindigkeit und IT-Sicherheit ausgelegt und unterstützen dynamische Datenflüsse sowohl in lokalen Systemen als auch in virtualisierten Cloud-Umgebungen.

Vor der Entwicklung moderner Netzwerkpraktiken mussten Informatikingenieure Computer physisch bewegen, um Daten zwischen Geräten zu teilen, was zu einer Zeit, als Computer noch groß und unhandlich waren, mühsam war.

Um den Prozess zu vereinfachen (insbesondere für Regierungsmitarbeiter), finanzierte das Verteidigungsministerium Ende der 1960er Jahre die Einrichtung des ersten funktionierenden Computernetzwerks (das später ARPANET genannt wurde). Dieser Meilenstein legte nicht nur den Grundstein für das Internet, sondern auch für die Cloud-Netzwerke, die heute global verteilte Infrastrukturen und Anwendungsdienste unterstützen.

Seitdem haben sich die Netzwerkpraktiken und die Computersysteme, die sie steuern, enorm weiterentwickelt. Die heutigen Computernetzwerke ermöglichen eine umfassende geräteübergreifende Kommunikation für jegliche Geschäfts-, Unterhaltungs- und Forschungszwecke. Internet, Online-Suche, E-Mail, Audio- und Video-Sharing, Online-Handel, Live-Streaming und soziale Medien sind nur aufgrund von Fortschritten im Bereich Computer-Networking möglich.

In Unternehmensumgebungen führte dieser Fortschritt zu flexibleren Netzwerkmodellen, die auf der Cloud-Infrastruktur basieren. Unternehmen verlassen sich zunehmend auf Hybrid-Cloud- und Multicloud-Netzwerkstrategien, bei denen Anwendungen und Daten nahtlos zwischen lokaler Infrastruktur und Cloud-Umgebungen, die von Cloud-Service-Providern bereitgestellt werden, fließen. Einige bekannte Anbieter sind AWS, Microsoft Azure, IBM Cloud® und Google Cloud-Plattform. Diese Cloud-first-Netzwerkstrategie ermöglicht es Unternehmen, Ressourcen dynamisch zu skalieren, Infrastrukturkosten zu senken und auf erweiterte Services zuzugreifen, ohne physische Hardware benötigen.

Heute verändern künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) die Vernetzung weiter, indem sie intelligentere, anpassungsfähigere Systeme ermöglichen. Diese Technologien helfen bei der Automatisierung der Netzwerkverwaltung, verbessern die Sicherheit durch Anomalie-Erkennung und optimieren die Leistung durch Vorhersage und Reaktion auf Verkehrsmuster in Echtzeit.

Am Beispiel der E-Mail erfahren Sie, wie Daten durch ein Netzwerk bewegt werden.

Wenn ein Benutzer eine E-Mail senden möchte, schreibt er zuerst die E-Mail und klickt dann auf die Schaltfläche „Senden“. Wenn der Benutzer auf „Senden“ drückt, verwendet ein SMTP- oder POP3-Protokoll das WLAN des Absenders, um die Nachricht vom Knoten über die Netzwerkschalter zu leiten. Hier wird es komprimiert und in immer kleinere Segmente zerlegt (und schließlich in Bits oder Zeichenketten aus Einsen und Nullen).

Netzwerk-Gateways leiten den Bitstrom an das Netzwerk des Empfängers weiter und konvertieren Daten und Kommunikationsprotokolle nach Bedarf. Wenn der Bitstrom den Computer des Empfängers erreicht, leiten dieselben Protokolle die E-Mail-Daten durch die Netzwerk-Switches im Netzwerk des Empfängers. Dabei rekonstruiert das Netzwerk die ursprüngliche Nachricht, bis die E-Mail in lesbarer Form im Posteingang des Empfängers (dem Empfängerknoten) ankommt.

Um Computernetzwerke in vollem Umfang zu verstehen, ist es wichtig, die Netzwerkkomponenten und ihre Funktionalität zu überprüfen. Dazu gehören folgende Komponenten:

• IP-Adresse: Eine IP-Adresse ist eine eindeutige Nummer, die jedem Netzwerkgerät in einem IP-Netzwerk (Internet Protocol) zugewiesen ist. Jede IP-Adresse identifiziert das Hostnetzwerk des Geräts und seinen Standort im Netzwerk. Wenn ein Gerät Daten an ein anderes sendet, enthalten die Daten einen „Header“, der aus den IP-Adressen sowohl des sendenden als auch des empfangenden Geräts besteht.

• Knoten: Ein Knoten ist ein Netzwerkverbindungspunkt, der Daten empfangen, senden, erstellen oder speichern kann. Im Wesentlichen handelt es sich um ein beliebiges Netzwerkgerät (z. B. ein Computer, ein Drucker, ein Modem, eine Bridge oder ein Switch), das Informationen erkennen, verarbeiten und an einen anderen Netzwerkknoten übertragen kann. Jeder Knoten benötigt eine Form der Identifizierung (z. B. eine IP- oder MAC-Adresse), um Zugriff auf das Netzwerk zu erhalten.

• Router: Ein Router ist ein physisches oder virtuelles Gerät, das Datenpakete zwischen Netzwerken sendet. Router analysieren die Daten in den Paketen, um den optimalen Übertragungspfad zu ermitteln, und nutzen ausgeklügelte Routing-Algorithmen, um die Datenpakete weiterzuleiten, bis sie den vorgesehenen Zielknoten erreichen.
  

• Switches: Ein Switch ist ein Gerät, das Netzwerkgeräte verbindet und die Kommunikation zwischen Knoten in einem Netzwerk verwaltet, um sicherzustellen, dass Datenpakete ihre beabsichtigten Ziele erreichen. Im Gegensatz zu Routern, die Informationen zwischen Netzwerken senden, senden Switches Informationen zwischen Knoten innerhalb eines Netzwerks.

  Daher bezieht sich „Switching“ darauf, wie Daten zwischen Geräten in einem Netzwerk übertragen werden. Netzwerke basieren auf drei Hauptarten von Switching:

  • Circuit Switching (Leitungsvermittlung) stellt einen dedizierten Datenkommunikationspfad zwischen Knoten in einem Netzwerk her, sodass kein anderer Datenverkehr denselben Pfad durchlaufen kann. Die Leitungsvermittlung stellt sicher, dass bei jeder Übertragung die volle Bandbreite zur Verfügung steht.

  • Message Switching (Nachrichtenvermittlung) sendet ganze Nachrichten vom Quellknoten zum Zielknoten, wobei die Nachricht von Switch zu Switch weitergeleitet wird, bis sie das Ziel erreicht.

  • Beim Packet Switching (Paketvermittlung) werden Daten in unabhängige Komponenten zerlegt, um die Datenübertragung weniger ressourcenintensiv zu gestalten. Bei der Paketvermittlung werden Pakete anstelle von ganzen Datenströmen durch das Netzwerk zu ihrem Endziel geleitet.

     

• Ports: Ein Port kennzeichnet eine bestimmte Verbindung zwischen Netzwerkgeräten, wobei jeder Port durch eine eindeutige Nummer identifiziert wird. Wenn eine IP-Adresse einer Hoteladresse entspricht, dann entsprechen Ports den Suite- und Zimmernummern. Computer verwenden Portnummern, um zu bestimmen, welche Anwendungen, Services oder Prozesse bestimmte Nachrichten empfangen sollen.

• Gateways: Gateways sind Hardware-Geräte, die die Kommunikation zwischen zwei verschiedenen Netzwerken ermöglichen. Router, Firewalls und andere Gateway-Geräte verwenden Rate Converter, Protokollübersetzer und andere Technologien, um die Kommunikation zwischen Netzwerken zu ermöglichen, die ansonsten nicht miteinander kompatibel wären.
  

Während herkömmliche Netzwerkkomponenten (z. B. Router, Switches, Ports, Gateways) nach wie vor eine grundlegende Rolle für den Netzwerkbetrieb spielen, hat die Cloud die Art und Weise, wie diese Komponenten bereitgestellt und verwaltet werden, verändert.

In Cloud-Umgebungen werden viele dieser herkömmlichen Komponenten virtualisiert und als verwaltete Dienste angeboten, sodass Unternehmen robuste Netzwerkinfrastrukturen aufbauen können, ohne physische Hardware warten zu müssen. Cloud-Provider abstrahieren die zugrunde liegende Komplexität und verlassen sich dabei immer noch auf dieselben grundlegenden Netzwerkprinzipien – aber mit verbesserter Skalierbarkeit, Flexibilität und globaler Reichweite.

Moderne Netzwerke verlassen sich zunehmend auf cloudnative Komponenten, die traditionelle Netzwerkfunktionen erweitern und verbessern. Zu diesen Komponenten gehören:

• Load Balancer: Load Balancer verteilen eingehenden Datenverkehr auf mehrere Server oder Services.

• Content Delivery Networks (CDNs): Content Delivery Networks speichern statische und dynamische Webinhalte nutzerorientiert im Zwischenspeicher, wodurch die Latenz reduziert und die Anwendungsleistung verbessert wird.

• Virtual Private Clouds (VPCs): Virtual Private Clouds bieten isolierte Netzwerkumgebungen innerhalb einer Public-Cloud-Infrastruktur.

• API-Gateways: API-Gateways verwalten, leiten und sichern den Datenverkehr zwischen Anwendungen und ihren Programmierschnittstellen mithilfe von APIs und gewährleisten eine sichere und zuverlässige Kommunikation.

• Middleware: Middleware fungiert als Brücke zwischen Anwendungen, Diensten und Datenbanken und erleichtert die Kommunikation, den Datenaustausch und die Integration in verteilten oder cloudnativen Umgebungen.

• Service Meshes: Service Meshes verwalten die interne Service-to-Service-Kommunikation in modernen, auf Microservices basierenden Anwendungen und übernehmen Aufgaben wie Lastausgleich, Datenverkehrsweiterleitung und Sicherheit.

Normalerweise werden Computernetzwerke durch geografische Gebiete definiert. Ein lokales Netzwerk (LAN) verbindet Computer innerhalb eines definierten physischen Raums, während ein Weitverkehrsnetz (WAN) Computer über Kontinente hinweg verbinden kann. Netzwerke werden jedoch auch durch die Protokolle definiert, die sie zur Kommunikation verwenden, die physische Anordnung ihrer Komponenten, die Art und Weise, wie sie den Netzwerkverkehr verwalten, und den Zweck, den sie in ihren jeweiligen Umgebungen erfüllen.

Die gängigsten und am weitesten verbreiteten Computernetzwerktypen lassen sich in drei große Kategorien einteilen:

• Netzwerktypen nach geografischem Gebiet

• Netztypen nach Übertragungsmedium

• Netzwerktypen nach Kommunikationstyp

Die Netzwerktypen in dieser Kategorie unterscheiden sich nach dem geografischen Gebiet, das sie abdecken.

Netzwerkknoten können Nachrichten über kabelgebundene oder drahtlose Verbindungen senden und empfangen.

Computernetzwerke können Daten mithilfe einer Reihe von Übertragungsdynamiken übertragen, darunter: 

Die Architektur von Computernetzwerken bildet den theoretischen Rahmen für ein Computernetzwerk und umfasst Designprinzipien und Kommunikationsprotokolle.

Zu den Haupttypen von Netzwerkarchitekturen gehören:

• Peer-to-Peer-Architekturen (P2P)

• Client-Server-Architekturen

• Hybridarchitekturen

In einer P2P-Architektur sind zwei oder mehr Computer als „Peers“ verbunden, d. h. sie haben im Netz die gleichen Befugnisse und Berechtigungen. Ein P2P-Netz braucht keinen zentralen Server zur Koordination. Stattdessen fungiert jeder Computer im Netzwerk sowohl als Client (ein Computer, der auf einen Service zugreifen muss) als auch als Server (ein Computer, der Services für Clients bereitstellt). 

Jeder Peer im Netzwerk stellt einen Teil seiner Ressourcen anderen Netzwerkgeräten zur Verfügung und teilt Speicher, Arbeitsspeicher, Bandbreite und Rechenleistung im gesamten Netzwerk.

In einer forschungsintensiven Organisation könnten Teammitglieder beispielsweise ein dezentrales Dateifreigabesystem verwenden, um große Datensätze direkt zwischen ihren Arbeitsstationen auszutauschen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines zentralen Servers.

In einem Client/Server-Netzwerk verwaltet ein zentraler Server (oder eine Gruppe von Servern) Ressourcen und stellt Services für Clientgeräte im Netzwerk bereit. Clients in dieser Architektur teilen ihre Ressourcen nicht und interagieren nur über den Server. Aufgrund der mehreren Ebenen werden Client-Server-Architekturen häufig als mehrschichtige Architekturen bezeichnet.

In einer Unternehmensumgebung, die eine Client-Server-Architektur verwendet, haben die Mitarbeiter (Clients) beispielsweise häufig Zugriff auf ein zentrales Personal Ressourcen System (Server). Über diesen Server können sie personenbezogene Daten verwalten, Urlaubsanträge absenden und interne Dokumente einsehen.

Hybridarchitekturen enthalten Elemente sowohl des P2P- als auch des Client-Server-Modells. Viele Unternehmen benötigen sowohl zentralisierte Dienste (z. B. Benutzerauthentifizierung) als auch Peer-to-Peer-Funktionen (z. B. lokale Dateifreigabe), um Leistung und Ressourcennutzung zu optimieren.

Während die Architektur das theoretische Framework eines Netzwerks darstellt, bezieht sich die Topologie auf die praktische Implementierung dieses Frameworks. DieNetztopologie beschreibt die physische und logische Anordnung von Knoten und Verbindungen in einem Netz. Es umfasst die gesamte Hardware (z. B. Router, Switches, Kabel), Software (z. B. Apps, Betriebssysteme) und Übertragungsmedien (z. B. drahtgebundene, drahtlose Verbindungen).

Zu den üblichen Netzwerktopologien gehören:

• Bus-Netztopologie

• Ringnetztopologie

• Sternnetztopologie

• Mesh-Netzwerktopologie

In einer Bus-Topologie ist jeder Netzwerkknoten direkt mit einem Hauptkabel verbunden.

In einer Ringtopologie sind Knoten schleifenförmig miteinander verbunden, sodass jedes Gerät genau zwei benachbarte Knoten hat. Benachbarte Paare sind direkt verbunden, und nicht benachbarte Paare sind indirekt über Zwischenknoten verbunden. 

Sternnetztopologien verfügen über einen einzigen zentralen Hub, über den alle Knoten indirekt miteinander verbunden sind.

Mesh-Topologien sind komplexer und werden durch überlappende Verbindungen zwischen Knoten definiert. Es gibt zwei Arten von Mesh-Netzwerken: Full Mesh und Partial Mesh.

In einer vollständigen Mesh-Topologie ist jeder Netzwerkknoten mit jedem anderen Netzwerkknoten verbunden, wodurch die höchste Netzwerkstabilität gewährleistet wird. In einer partiellen Mesh-Topologie sind nur einige Netzwerkknoten verbunden, typischerweise diejenigen Knoten, die am häufigsten Daten austauschen.

Vollständige Mesh-Topologien können teuer und zeitaufwändig sein, weshalb sie oft Netzwerken vorbehalten sind, die eine hohe Redundanz erfordern. Eine teilweise Vermaschung bietet jedoch weniger Redundanz, ist aber kostengünstiger und einfacher auszuführen.

Unabhängig vom Subtyp verfügen Mesh-Netzwerke über Selbstkonfigurations- und Selbstorganisationsfunktionen, und sie automatisieren den Routing-Prozess, sodass das Netzwerk den schnellsten und zuverlässigsten Datenpfad findet.

Ganz gleich, ob es sich um die IP-Suite (Internet Protocol), Ethernet, Wireless LAN (WLAN) oder Mobilfunkstandards handelt, alle Computernetze halten sich an Kommunikationsprotokolle. Diese Protokolle bestehen aus Regeln, die jeder Knoten im Netzwerk befolgen muss, um Daten zu teilen und zu empfangen.

Das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), das globale Standards für Technologie festlegt, entwickelt und verwaltet viele dieser Protokolle, darunter Ethernet (IEEE 802.3) und WLAN (IEEE 802.11). Netzwerkprotokolle stützen sich auch auf Gateways, um die Kommunikation zwischen inkompatiblen Geräten zu ermöglichen (z. B. wenn ein Windows-Computer versucht, auf Linux -Server zuzugreifen).

Viele moderne Netzwerke laufen auf TCP/IP-Modellen, die vier Netzwerkschichten umfassen:

• Netzzugangsschicht: Die Netzzugangsschicht eines TCP/IP-Netzwerks, auch als Datenverbindungsschicht oder physische Schicht bezeichnet, umfasst die Netzwerkinfrastruktur, die für die Verbindung mit dem Netzwerkmedium erforderlich ist. Diese Schicht übernimmt die physische Datenübertragung, unter Verwendung von Ethernet und Protokollen wie dem Address Resolution Protocol (ARP), zwischen Geräten im selben Netzwerk.

• Internetschicht: Die Internetschicht ist für die logische Adressierung, das Routing und die Paketweiterleitung zuständig. Sie basiert hauptsächlich auf dem IP-Protokoll und dem Internet Control Message Protocol (ICMP), das die Adressierung und Weiterleitung von Paketen über verschiedene Netzwerke hinweg verwaltet.

• Transportschicht: Die TCP/IP-Transportschicht ermöglicht die Datenübertragung zwischen der oberen und unteren Schicht des Netzwerks. Durch die Verwendung der TCP- und UDP-Protokolle bietet sie zudem Mechanismen zur Fehlerüberprüfung und Flusskontrolle. TCP (Transmission Control Protocol) ist ein verbindungsbasiertes Protokoll, das langsamer, aber zuverlässiger als UDP ist. UDP (User Data Protocol) ist ein verbindungsloses Protokoll, das schneller als TCP ist, aber keine garantierte Übertragung bietet. UDP-Protokolle ermöglichen die Paketübertragung für zeitkritische Anwendungen (wie Video Streaming und Spieleplattformen) und DNS-Suchen (Domain Name System).

• Anwendungsschicht: Die Anwendungsschicht von TCP/IP verwendet Protokolle wie HTTP (Hypertext Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), POP3 (Post Office Protocol 3), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), DNS und SSH (Secure Shell). Diese Protokolle werden verwendet, um Netzwerkdienste direkt für Anwendungen bereitzustellen. Sie verwaltet auch alle Protokolle, die Benutzeranwendungen unterstützen.

Während TCP/IP die Protokollsuite ist, die heute in den meisten Netzwerken verwendet wird, ist das Open Systems Interconnection (OSI)-Modell ein standardisiertes Framework, das definiert, wie Daten durch ein Netzwerk in sieben Schichten verschoben werden.

Jede Schicht hat eine bestimmte Aufgabe – vom Senden von Rohdaten über Kabel auf der physikalischen Schicht bis hin zur Verwaltung von Benutzeranwendungen auf der obersten Schicht. Dieser mehrschichtige Ansatz hilft Netzwerkingenieuren, die Kommunikation über verschiedene Systeme hinweg zu entwickeln, Fehler zu beheben und zu standardisieren. Obwohl OSI selbst keine in der Praxis verwendeten Protokolle ist, bleibt sein Modell grundlegend für das Verständnis, wie verschiedene Technologien zusammenwirken.

Von globalen Unternehmen bis hin zu alltäglichen Benutzern bilden Computernetzwerke die Grundlage für praktisch jede Digital Experience und verbinden Geräte, Anwendungen und Benutzer auf der ganzen Welt. In Unternehmen unterstützen sie den Betrieb und ermöglichen Cloud-Service, Zusammenarbeit in Echtzeit und sicheren Datenaustausch. Hier sind einige der häufigsten Anwendungsfälle für Computernetzwerke:

• Effiziente Datenübertragung

• Mehr Datenspeicher

• Rationalisierter Wissensaustausch

• Automatisiertes Netzwerkmanagement und Erkennung von Bedrohungen

• Starke Netzwerksicherheit

Netzwerke ermöglichen jede Form der digitalen Kommunikation, einschließlich E-Mail, Messaging, Dateifreigabe, Videoanrufe und Streaming. Das Netzwerk verbindet alle Server, Schnittstellen und Übertragungsmedien, die die Geschäftskommunikation ermöglichen.

Ohne Vernetzung müssten Unternehmen Daten in einzelnen Datenspeichern aufbewahren, was im Zeitalter von Big Data nicht mehr tragbar ist.Computernetzwerke helfen Teams dabei, zentralisierte Datenspeicher zu führen, die dem gesamten Netzwerk dienen, und schaffen so wertvolle Speicherkapazität für andere Aufgaben.

Zu den gängigen netzwerkbasierten Speicherlösungen gehören Storage Area Networks (SAN) und Network-attached Storage. SAN bietet Hochgeschwindigkeits-Block-Storage, der in der Regel für geschäftskritische Anwendungen wie Datenbanken und Virtualisierung verwendet wird, während NAS Dateispeicher bietet, der über ein Standardnetzwerk zugänglich ist.

Erfahren Sie mehr über SAN im Vergleich zu NAS.

Benutzer, Netzwerkadministratoren und Entwickler haben gleichermaßen einen Vorteil davon, dass die Vernetzung den Austausch von Ressourcen und Wissen vereinfacht. Vernetzte Daten lassen sich einfacher anfordern und abrufen, sodass Benutzer und Kunden schnellere Antworten von Netzwerkgeräten erhalten. Auf der Geschäftsseite sind vernetzte Daten nützlich, da sie die Zusammenarbeit und den Austausch von Informationen zwischen Teams erleichtern, während sich Technologien und Unternehmen weiterentwickeln.

KI und Algorithmen helfen bei der Automatisierung komplexer Aufgaben wie Netzwerküberwachung, Verkehrsanalyse, Erkennung von Anomalien und Reaktion auf Vorfälle, Reduzierung manueller Eingriffe und Stärkung der allgemeinen Netzwerksicherheit.

Viele Unternehmen in Branchen wie Telekommunikation, Finanzdienstleistungen und Fertigung verlassen sich beispielsweise auf ein Network Operations Center (NOC), um die Leistung, Verfügbarkeit und Sicherheit ihres Netzwerks ständig zu überwachen und zu verwalten.

Gut durchdachte Netzwerklösungen sind nicht nur belastbarer, sondern bieten Unternehmen auch mehr Optionen für Cybersicherheit und Netzwerksicherheit. Die meisten Netzwerkanbieter bieten integrierte Verschlüsselungsprotokolle und Zugriffskontrollen (wie z. B. Multi-Faktor-Authentifizierung) an, um sensible Daten zu schützen und Kriminelle vom Netzwerk fernzuhalten.