Computernetzwerk

In der Informatik , Computertechnik und Telekommunikation bezeichnet man als Netzwerk eine Gruppe von miteinander kommunizierenden Computern und Peripheriegeräten , die als Hosts bezeichnet werden und Daten über Kommunikationsprotokolle an andere Hosts austauschen , was durch Netzwerk-Hardware ermöglicht wird .

In einem Computernetzwerk werden Hosts durch Netzwerkadressen identifiziert , die es der Netzwerkhardware ermöglichen , Hosts zu lokalisieren und zu identifizieren. Hosts können auch Hostnamen besitzen – einprägsame Bezeichnungen für die Hostknoten –, die mithilfe einer Hosts-Datei oder eines Nameservers wie dem Domain Name Service (DNS ) einer Netzwerkadresse zugeordnet werden können . Die physischen Medien, die den Informationsaustausch ermöglichen, umfassen kabelgebundene Medien wie Kupferkabel, Glasfasern und drahtlose Funkfrequenzmedien . Die Anordnung von Hosts und Hardware innerhalb einer Netzwerkarchitektur wird als Netzwerktopologie bezeichnet . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Das erste Computernetzwerk entstand 1940, als George Stibitz ein Terminal in Dartmouth mit seinem Rechner für komplexe Zahlen in den Bell Labs in New York verband. Heute sind fast alle Computer mit einem Computernetzwerk verbunden, beispielsweise mit dem globalen Internet oder eingebetteten Netzwerken , wie sie in vielen modernen elektronischen Geräten zu finden sind . Viele Anwendungen sind ohne Netzwerkverbindung nur eingeschränkt nutzbar. Netzwerke unterstützen Anwendungen und Dienste wie den Zugriff auf das World Wide Web , digitale Video- und Audioübertragung , Anwendungs- und Speicherserver , Drucker sowie E-Mail- und Instant-Messaging-Anwendungen.

1940 verband George Stibitz von den Bell Labs in Dartmouth einen Fernschreiber mit einem Bell-Labs-Computer, auf dem sein Rechner für komplexe Zahlen lief, um die Nutzung von Computern über große Entfernungen zu demonstrieren. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Dies war die erste Echtzeit-Fernnutzung eines Rechners. ^{[ 3 ]}

Ende der 1950er Jahre wurde für das US-amerikanische militärische Semi-Automatic Ground Environment ( SAGE) -Radarsystem ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ein Computernetzwerk unter Verwendung des Bell 101-Modems aufgebaut . Es handelte sich um das erste kommerzielle Modem für Computer, das 1958 von der AT&T Corporation auf den Markt gebracht wurde. Das Modem ermöglichte die Übertragung digitaler Daten über herkömmliche, unkonditionierte Telefonleitungen mit einer Geschwindigkeit von 110 Bit pro Sekunde (Bit/s).

1959 reichte Christopher Strachey in Großbritannien eine Patentanmeldung für Time-Sharing ein, und John McCarthy initiierte am MIT das erste Projekt zur Implementierung von Time-Sharing für Benutzerprogramme. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} Strachey stellte das Konzept JCR Licklider auf der ersten UNESCO-Konferenz für Informationsverarbeitung in Paris im selben Jahr vor. ^{[ 13 ]} McCarthy war maßgeblich an der Entwicklung dreier der ersten Time-Sharing-Systeme beteiligt (des Compatible Time-Sharing System von 1961, des BBN Time-Sharing System von 1962 und des Dartmouth Time-Sharing System von 1963).

1959 legte Anatoli Kitow dem Zentralkomitee der Kommunistischen Partei der Sowjetunion einen detaillierten Plan zur Reorganisation der Kontrolle über die sowjetischen Streitkräfte und die sowjetische Wirtschaft auf der Grundlage eines Netzes von Rechenzentren vor. ^{[ 14 ]} Kitows Vorschlag wurde abgelehnt, ebenso wie später das 1962 gestartete OGAS -Projekt zur Verwaltung der Wirtschaft. ^{[ 15 ]}

In den 1960er Jahren entwickelten Paul Baran und Donald Davies unabhängig voneinander das Konzept der Paketvermittlung für ^die Datenkommunikation zwischen Computern über ein Netzwerk. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ][19] [ 20 ] [ 21 ] Barans} Arbeit befasste sich mit dem adaptiven Routing von Nachrichtenblöcken in einem verteilten Netzwerk , berücksichtigte jedoch weder Router mit Software-Switches noch die Annahme ^, dass die Zuverlässigkeit von den Benutzern und nicht vom Netzwerk selbst gewährleistet wird . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

Davies' hierarchisches Netzwerkdesign umfasste Hochgeschwindigkeitsrouter , Kommunikationsprotokolle und das Prinzip der End-to-End-Kommunikation . ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Das NPL-Netzwerk , ein lokales Netzwerk des National Physical Laboratory (Vereinigtes Königreich) , leistete 1968/69 Pionierarbeit bei der Implementierung dieses Konzepts mit 768-kbit/s -Verbindungen. ^{[ 30 ] [ 28 ] [ 31 ]} Sowohl Barans als auch Davies' Erfindungen waren wegweisende Beiträge, die die Entwicklung von Computernetzwerken beeinflussten. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

In den Jahren 1962 und 1963 sandte JCR Licklider eine Reihe von Memos an seine Kollegen, in denen er das Konzept des „ Intergalaktischen Computernetzwerks “ (ICN) erörterte – ein Computernetzwerk, das die allgemeine Kommunikation zwischen Computernutzern ermöglichen sollte. Dies bildete schließlich die Grundlage für das ARPANET, das 1969 seinen Anfang nahm. ^{[ 36 ]} In diesem Jahr wurden die ersten vier Knoten des ARPANET über 50-kbit/s -Leitungen zwischen der University of California, Los Angeles (UCLA), dem Stanford Research Institute, der University of California, Santa Barbara (UCSB) und der University of Utah (UU) verbunden . ^{[ 36 ] [ 37 ]} Das Netzwerk wurde hauptsächlich von Bob Kahn entworfen ; Routing, Flusssteuerung, Softwaredesign und Netzwerksteuerung wurden vom IMP- Team unter der Leitung von Bolt Beranek & Newman entwickelt . ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

Anfang der 1970er Jahre entwickelte Leonard Kleinrock mathematische Modelle zur Leistungsfähigkeit paketvermittelter Netzwerke, die die Grundlage für die Entwicklung des ARPANET bildeten. ^{[ 41 ] [ 42 ]} Seine theoretischen Arbeiten zum hierarchischen Routing Ende der 1970er Jahre, die er gemeinsam mit seinem Studenten Farouk Kamoun durchführte, sind bis heute von entscheidender Bedeutung für den Betrieb des Internets. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

1973 setzte Peter Kirstein am University College London (UCL) die Internetworking-Technologie in die Praxis um, indem er das ARPANET mit britischen akademischen Netzwerken verband – das erste internationale heterogene Computernetzwerk. ^{[ 45 ] [ 46 ]} Im selben Jahr verfasste Robert Metcalfe bei Xerox PARC ein formelles Memo, in dem er Ethernet beschrieb , ^{[ 47 ]} ein lokales Netzwerksystem, das er zusammen mit David Boggs entwickelt hatte . ^{[ 48 ]} Es war inspiriert vom Paketfunk ALOHAnet , das Norman Abramson und Franklin Kuo Ende der 1960er-Jahre an der Universität von Hawaii ins Leben gerufen hatten. ^{[ 49 ] [ 50 ]} Metcalfe und Boggs entwickelten zusammen mit John Shoch und Edward Taft auch das PARC Universal Packet für Internetworking. ^{[ 51 ]} Ebenfalls 1973 war das französische CYCLADES- Netzwerk unter der Leitung von Louis Pouzin das erste, das die zuverlässige Datenübertragung den Hosts übertrug, anstatt sie zentral dem Netzwerk selbst zu überlassen. ^{[ 52 ]}

1974 veröffentlichten Vint Cerf und Bob Kahn ihre wegweisende Arbeit zum Thema Internetworking, „ A Protocol for Packet Network Intercommunication“ ^{[ 53 ]} . Noch im selben Jahr verfassten Cerf, Yogen Dalal und Carl Sunshine die erste Spezifikation des Transmission Control Protocol (TCP), RFC  675 , und prägten den Begriff „Internet“ als Kurzform für Internetworking ^{[ 54 ]} . Im Juli 1976 veröffentlichten Metcalfe und Boggs ihre Arbeit „Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks“ ^{[ 55 ]} und erhielten im Dezember 1977 zusammen mit Butler Lampson und Charles P. Thacker das US-Patent 4063220A für ihre Erfindung ^{[ 56 ] [ 57 ] .}

1976 entwickelte John Murphy von der Datapoint Corporation ARCNET , ein Token-Passing-Netzwerk, das zunächst zur gemeinsamen Nutzung von Speichermedien eingesetzt wurde. 1979 verfolgte Robert Metcalfe das Ziel, Ethernet zu einem offenen Standard zu machen. ^{[ 58 ]} 1980 wurde Ethernet vom ursprünglichen 2,94-Mbit/s -Protokoll auf das 10-Mbit/s-Protokoll aktualisiert, das von Ron Crane , Bob Garner, Roy Ogus ^{[ 59 ]} , Hal Murray, Dave Redell und Yogen Dalal ^{[ 60 ]} entwickelt wurde . 1986 startete die National Science Foundation (NSF) das National Science Foundation Network (NSFNET) als allgemeines Forschungsnetzwerk, das verschiedene NSF-geförderte Standorte untereinander sowie mit regionalen Forschungs- und Bildungsnetzwerken verband. ^{[ 36 ]}

1995 wurde die Übertragungsgeschwindigkeit von Ethernet von 10 Mbit/s auf 100 Mbit/s erhöht. Bereits 1998 unterstützte Ethernet Übertragungsgeschwindigkeiten von 1 Gbit/s. Später kamen höhere Geschwindigkeiten von bis zu 800 Gbit/s hinzu (Stand: 2025). Die Skalierbarkeit von Ethernet trug maßgeblich zu seiner anhaltenden Verbreitung bei. ^{[ 58 ]} In den 1980er- und 1990er-Jahren, als eingebettete Systeme in Fabriken, Autos und Flugzeugen immer wichtiger wurden, wurden Netzwerkprotokolle entwickelt, um die Kommunikation zwischen diesen eingebetteten Computern zu ermöglichen. Ende der 1990er- und in den 2000er-Jahren gewannen Ubiquitous Computing und das Internet der Dinge an Bedeutung. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

1960 ging das kommerzielle Flugreservierungssystem SABRE ( Semi-Automatic Business Research Environment ) mit zwei verbundenen Großrechnern online . 1965 führte Western Electric die erste weit verbreitete Telefonvermittlungsanlage ein , die Computersteuerung in die Vermittlungsarchitektur integrierte. 1972 wurden erstmals kommerzielle Dienste in experimentellen öffentlichen Datennetzen in Europa bereitgestellt. ^{[ 63 ] [ 64 ]} Öffentliche Datennetze in Europa, Nordamerika und Japan begannen Ende der 1970er-Jahre mit der Nutzung von X.25 und wurden mit X.75 verbunden . ^{[ 19 ]} Diese zugrundeliegende Infrastruktur diente in den 1980er-Jahren als Basis für den Ausbau von TCP/IP-Netzen. ^{[ 65 ]} 1977 errichtete GTE in Long Beach, Kalifornien, das erste Glasfasernetz für große Entfernungen.

Zu den Übertragungsmedien, die zur Verbindung von Geräten in einem Computernetzwerk verwendet werden, gehören elektrische Kabel , Glasfasern und der freie Raum . Im OSI-Modell ist die Software zur Mediensteuerung auf den Schichten 1 und 2 definiert – der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) und der Sicherungsschicht (Data Link Layer). Gängige Beispiele für Netzwerktechnologien sind:

• Ethernet ist eine weit verbreitete Familie von Netzwerktechnologien, die Kupfer- und Glasfaserleitungen in lokalen Netzwerken (LANs) nutzen. Die Medien- und Protokollstandards, die die Kommunikation zwischen vernetzten Geräten über Ethernet ermöglichen, sind in IEEE 802.3 definiert .
• WLAN-Standards, die Funkwellen nutzen . Einige Standards verwenden Infrarotsignale als Übertragungsmedium.
• Bei der Powerline-Kommunikation werden die Stromkabel eines Gebäudes zur Datenübertragung genutzt.

Folgende Klassen von drahtgebundenen Technologien werden in Computernetzwerken verwendet.

• Koaxialkabel werden häufig für Kabelfernsehsysteme, Bürogebäude und andere Arbeitsstätten für lokale Netzwerke eingesetzt. Die Übertragungsgeschwindigkeit reicht von 200 Millionen Bit pro Sekunde bis über 500 Millionen Bit pro Sekunde.
• Die ITU-T G.hn- Technologie nutzt die vorhandene Hausverkabelung ( Koaxialkabel , Telefonleitungen und Stromleitungen ), um ein lokales Hochgeschwindigkeitsnetzwerk zu schaffen.
• Twisted-Pair -Kabel werden für kabelgebundenes Ethernet und andere Standards verwendet. Sie bestehen typischerweise aus vier Kupferaderpaaren, die sowohl für Sprach- als auch für Datenübertragung genutzt werden können. Die Verdrillung zweier Adern reduziert Übersprechen und elektromagnetische Induktion . Die Übertragungsgeschwindigkeit reicht von 2 Mbit/s bis 10 Gbit/s. Twisted-Pair-Kabel gibt es in zwei Ausführungen: ungeschirmtes Twisted-Pair (UTP) und geschirmtes Twisted-Pair (STP). Jede Ausführung ist in verschiedenen Schutzklassen erhältlich und für unterschiedliche Anwendungsszenarien ausgelegt.

• Eine optische Faser ist eine Glasfaser, die Lichtimpulse überträgt, welche Daten mithilfe von Lasern und optischen Verstärkern repräsentieren . Zu den Vorteilen optischer Fasern gegenüber Metallleitungen zählen die sehr geringen Übertragungsverluste und die Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen Störungen. Durch die Verwendung von dichtem Wellenlängenmultiplexverfahren (DWDM) können optische Fasern gleichzeitig mehrere Datenströme auf unterschiedlichen Wellenlängen übertragen, wodurch die Datenübertragungsrate erheblich auf bis zu Billionen Bit pro Sekunde gesteigert wird. Optische Fasern eignen sich für lange Kabelstrecken mit sehr hohen Datenraten und werden beispielsweise für Unterseekabel zur Verbindung von Kontinenten eingesetzt. Es gibt zwei grundlegende Arten von Glasfasern: Singlemode-Glasfasern (SMF) und Multimode-Glasfasern (MMF). ^{[ 66 ]}

Netzwerkverbindungen können drahtlos über Funk oder andere elektromagnetische Kommunikationsmittel hergestellt werden.

• Terrestrische Mikrowellenkommunikation  – Die terrestrische Mikrowellenkommunikation nutzt erdgebundene Sender und Empfänger, die Satellitenschüsseln ähneln. Terrestrische Mikrowellen liegen im niedrigen Gigahertzbereich, wodurch die Kommunikation auf Sichtverbindung beschränkt ist. Die Relaisstationen sind etwa 64 km voneinander entfernt.
• Kommunikationssatelliten  – Satelliten kommunizieren auch über Mikrowellen. Sie befinden sich im Weltraum, typischerweise in einer geosynchronen Umlaufbahn 35.400 km über dem Äquator. Diese erdumkreisenden Systeme können Sprach-, Daten- und Fernsehsignale empfangen und weiterleiten.
• Mobilfunknetze nutzen verschiedene Funkkommunikationstechnologien. Die Systeme unterteilen das Versorgungsgebiet in mehrere geografische Bereiche. Jeder Bereich wird von einem Sender mit geringer Sendeleistung versorgt .
• Funk- und Spreizspektrumtechnologien – Drahtlose LANs  nutzen eine Hochfrequenz-Funktechnologie, ähnlich wie digitale Mobilfunknetze. Sie verwenden Spreizspektrumtechnologie, um die Kommunikation zwischen mehreren Geräten in einem begrenzten Bereich zu ermöglichen. IEEE 802.11 definiert eine gängige Variante der offenen Standards für drahtlose Funkwellentechnologie, bekannt als Wi-Fi .
• Die optische Freiraumkommunikation nutzt sichtbares oder unsichtbares Licht zur Datenübertragung. In den meisten Fällen wird die Sichtverbindung genutzt, was die räumliche Positionierung der Kommunikationsgeräte einschränkt.
• Die Erweiterung des Internets auf interplanetare Dimensionen mittels Radiowellen und optischer Mittel, das interplanetare Internet . ^{[ 67 ]}
• IP over Avian Carriers war ein humorvoller Aprilscherz- Request for Comments , veröffentlicht als RFC 1149. Es wurde im Jahr 2001 in der Realität implementiert. ^{[ 68 ]} 

Die letzten beiden Fälle weisen eine große Round-Trip-Verzögerung auf , was zwar eine langsame Zwei-Wege-Kommunikation ermöglicht , aber das Senden großer Datenmengen nicht verhindert (sie können einen hohen Durchsatz erreichen).

Abgesehen von physikalischen Übertragungsmedien bestehen Netzwerke aus weiteren grundlegenden Systembausteinen wie Netzwerkschnittstellencontrollern , Repeatern , Hubs , Bridges , Switches , Routern , Modems und Firewalls . Jedes einzelne Gerät enthält häufig mehrere dieser Bausteine ​​und kann daher mehrere Funktionen erfüllen.

Ein Netzwerkcontroller (NIC) ist eine Computerhardware , die den Computer mit dem Netzwerk verbindet und Netzwerkinformationen auf niedriger Ebene verarbeiten kann. Beispielsweise verfügt der NIC über einen Anschluss zum Verbinden eines Kabels oder eine Antenne für die drahtlose Übertragung und den Empfang sowie die zugehörige Schaltung.

In Ethernet-Netzwerken besitzt jede Netzwerkkarte (NIC) eine eindeutige MAC-Adresse (Media Access Control) , die üblicherweise im permanenten Speicher des Controllers gespeichert ist. Um Adresskonflikte zwischen Netzwerkgeräten zu vermeiden, sorgt das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) für die eindeutige Vergabe von MAC-Adressen. Eine Ethernet-MAC-Adresse besteht aus sechs Oktetten . Die drei höchstwertigen Oktette sind für die Identifizierung der NIC-Hersteller reserviert. Diese Hersteller vergeben mithilfe ihrer zugewiesenen Präfixe eindeutige MAC-Adressen für die drei niederwertigsten Oktette jeder von ihnen produzierten Ethernet-Schnittstelle.

Ein Repeater ist ein elektronisches Gerät, das ein Netzwerksignal empfängt , es von Störungen befreit und verstärkt. Das Signal wird mit höherer Leistung oder über ein Hindernis hinweg erneut gesendet , um größere Entfernungen ohne Qualitätsverlust zu überbrücken. In den meisten Ethernet-Konfigurationen mit verdrillten Adernpaaren sind Repeater für Kabellängen über 100 Meter erforderlich. Bei Glasfaserverbindungen können Repeater Dutzende oder sogar Hunderte von Kilometern voneinander entfernt sein.

Repeater arbeiten auf der physikalischen Schicht des OSI-Modells, benötigen aber dennoch eine kurze Zeit zur Signalregeneration. Dies kann zu einer Laufzeitverzögerung führen , die die Netzwerkleistung und die korrekte Funktion beeinträchtigt. Daher begrenzen viele Netzwerkarchitekturen die Anzahl der in einem Netzwerk verwendeten Repeater, z. B. durch die Ethernet- 5-4-3-Regel .

Ein Ethernet-Repeater mit mehreren Ports wird als Ethernet-Hub bezeichnet . Neben der Aufbereitung und Verteilung von Netzwerksignalen unterstützt ein Repeater-Hub die Kollisionserkennung und Fehlerisolierung im Netzwerk. Hubs und Repeater in LANs wurden weitgehend durch moderne Netzwerk-Switches ersetzt.

Netzwerkbrücken und Netzwerk-Switches unterscheiden sich von einem Hub dadurch, dass sie Datenpakete nur an die an der Kommunikation beteiligten Ports weiterleiten, während ein Hub Datenpakete an alle Ports weiterleitet. Brücken besitzen nur zwei Ports, ein Switch kann jedoch als Mehrportbrücke betrachtet werden. Switches verfügen üblicherweise über zahlreiche Ports, wodurch eine Sterntopologie für Geräte und die Kaskadierung weiterer Switches ermöglicht wird.

Bridges und Switches arbeiten auf der Sicherungsschicht (Schicht 2) des OSI-Modells und verbinden zwei oder mehr Netzwerksegmente zu einem einzigen lokalen Netzwerk. Beide sind Geräte, die Datenrahmen zwischen Ports anhand der Ziel-MAC-Adresse in jedem Rahmen weiterleiten. ^{[ 69 ]}

Sie ermitteln die Zuordnung von physischen Ports zu MAC-Adressen, indem sie die Quelladressen empfangener Frames untersuchen und diese nur bei Bedarf weiterleiten. Wird eine unbekannte Ziel-MAC-Adresse angepeilt, sendet das Gerät die Anfrage an alle Ports außer dem Quellport und ermittelt den Zielort anhand der Antwort.

Bridges und Switches unterteilen die Kollisionsdomäne des Netzwerks, erhalten aber eine einzige Broadcast-Domäne aufrecht. Die Netzwerksegmentierung durch Bridging und Switching trägt dazu bei, ein großes, überlastetes Netzwerk in eine Ansammlung kleinerer, effizienterer Netzwerke aufzuteilen.

Ein Router ist ein Gerät zur Netzwerkkommunikation, das Datenpakete zwischen Netzwerken weiterleitet, indem es die darin enthaltenen Adress- oder Routinginformationen verarbeitet. Die Routinginformationen werden häufig in Verbindung mit der Routingtabelle verarbeitet . Ein Router verwendet seine Routingtabelle, um zu bestimmen, wohin Pakete weitergeleitet werden sollen, und benötigt keine Broadcast-Pakete, was bei sehr großen Netzwerken ineffizient wäre.

Modems (Modulatoren und Demodulatoren) verbinden Netzwerkknoten über Kabel, die ursprünglich nicht für digitalen Netzwerkverkehr ausgelegt waren, oder für drahtlose Verbindungen. Dazu werden ein oder mehrere Trägersignale durch das digitale Signal moduliert , um ein analoges Signal zu erzeugen , dessen Eigenschaften für die Übertragung angepasst werden können. Frühe Modems modulierten Audiosignale, die über eine herkömmliche Telefonleitung übertragen wurden. Modems werden auch heute noch häufig für Telefonleitungen (mit digitaler Teilnehmeranschlussleitung ) und Kabelfernsehsysteme (mit DOCSIS- Technologie) eingesetzt.

Eine Firewall ist ein Netzwerkgerät oder eine Software zur Steuerung der Netzwerksicherheit und der Zugriffsregeln. Firewalls werden in Verbindungen zwischen sicheren internen Netzwerken und potenziell unsicheren externen Netzwerken wie dem Internet eingesetzt. Typischerweise sind Firewalls so konfiguriert, dass sie Zugriffsanfragen von unbekannten Quellen ablehnen, während sie Aktionen von bekannten Quellen zulassen. Die entscheidende Rolle von Firewalls für die Netzwerksicherheit wächst parallel zum stetigen Anstieg von Cyberangriffen .

Ein Kommunikationsprotokoll ist ein Regelwerk für den Informationsaustausch über ein Netzwerk. Kommunikationsprotokolle weisen verschiedene Merkmale auf, z. B. können sie verbindungsorientiert oder verbindungslos sein oder Leitungs- oder Paketvermittlung nutzen .

In einem Protokollstapel , der häufig nach dem OSI-Modell aufgebaut ist , werden Kommunikationsfunktionen in Protokollschichten unterteilt. Jede Schicht nutzt die Dienste der darunterliegenden Schicht, bis die unterste Schicht die Hardware steuert, die Informationen über das Medium sendet. Die Verwendung von Protokollschichten ist in der Computernetzwerktechnik weit verbreitet. Ein wichtiges Beispiel für einen Protokollstapel ist HTTP , das World Wide Web- Protokoll. HTTP basiert auf TCP über IP , den Internetprotokollen, die wiederum auf IEEE 802.11 , dem WLAN-Protokoll, basieren. Dieser Stapel wird zwischen einem WLAN-Router und einem PC beim Zugriff auf das Internet verwendet.

Die meisten modernen Computernetzwerke verwenden Protokolle, die auf paketvermittelter Übertragung basieren. Ein Netzwerkpaket ist eine formatierte Dateneinheit, die von einem paketvermittelten Netzwerk transportiert wird.

Pakete bestehen aus zwei Datentypen: Steuerinformationen und Nutzdaten (Payload). Die Steuerinformationen liefern dem Netzwerk die Daten, die es zur Zustellung der Nutzdaten benötigt, beispielsweise Quell- und Zielnetzwerkadressen , Fehlercodes und Sequenzinformationen. Typischerweise befinden sich die Steuerinformationen im Paketkopf und -trailer , die Nutzdaten dazwischen.

Bei paketbasierter Übertragung lässt sich die Bandbreite des Übertragungsmediums besser auf die Nutzer verteilen als bei leitungsvermittelter Kommunikation . Sendet ein Nutzer keine Pakete, kann die Verbindung mit Paketen anderer Nutzer belegt werden, wodurch die Kosten – bei ausreichender Auslastung – mit relativ geringen Störungen geteilt werden. Oft ist der benötigte Übertragungsweg für ein Paket nicht sofort verfügbar. In diesem Fall wird das Paket in eine Warteschlange gestellt und wartet, bis eine Verbindung frei ist.

Die physikalischen Verbindungstechnologien von Paketnetzen begrenzen typischerweise die Paketgröße auf eine bestimmte maximale Übertragungseinheit (MTU). Längere Nachrichten können vor der Übertragung fragmentiert werden; nach dem Eintreffen der Pakete werden diese wieder zur ursprünglichen Nachricht zusammengesetzt.

Die Internetprotokollfamilie , auch TCP/IP genannt, bildet die Grundlage aller modernen Netzwerke. Sie bietet verbindungslose und verbindungsorientierte Dienste über ein von Natur aus unzuverlässiges Netzwerk, das mittels Datagrammübertragung über das Internetprotokoll (IP) durchquert wird. Im Kern definiert die Protokollfamilie die Adressierungs-, Identifikations- und Routing-Spezifikationen für das Internetprotokoll Version 4 (IPv4) und für IPv6 , die nächste Generation des Protokolls mit deutlich erweiterter Adressierungsfähigkeit. Die Internetprotokollfamilie ist die definierende Protokollfamilie für das Internet. ^{[ 70 ]}

IEEE 802 ist eine Familie von IEEE-Standards für lokale Netzwerke (LANs) und Metropolnetze (MANs). Die vollständige IEEE-802-Protokollsuite bietet vielfältige Netzwerkfunktionen. Die Protokolle verwenden ein flaches Adressierungsschema und arbeiten hauptsächlich auf den Schichten 1 und 2 des OSI-Modells.

Beispielsweise befasst sich MAC-Bridging ( IEEE 802.1D ) mit dem Routing von Ethernet-Paketen mithilfe eines Spanning Tree Protocol . IEEE 802.1Q beschreibt VLANs , und IEEE 802.1X definiert ein portbasiertes Netzwerkzugriffskontrollprotokoll , das die Grundlage für die in VLANs verwendeten Authentifizierungsmechanismen bildet ^{[ 71 ]} (aber auch in WLANs zu finden ist ^{[ 72 ]} ) – es ist das, was der Heimanwender sieht, wenn er einen „drahtlosen Zugangsschlüssel“ eingeben muss.

Ethernet ist eine Familie von Technologien, die in kabelgebundenen LANs verwendet werden. Es wird durch eine Reihe von Standards beschrieben, die zusammen als IEEE 802.3 bezeichnet werden und vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veröffentlicht wurden.

Drahtlose LANs, basierend auf dem IEEE-802.11 -Standard, auch bekannt als WLAN oder WiFi, sind heute wohl das bekannteste Mitglied der IEEE-802- Protokollfamilie für Heimanwender. IEEE 802.11 weist viele Gemeinsamkeiten mit kabelgebundenem Ethernet auf.

SONET ( Synchronous Optical Networking ) und SDH (Synchronous Digital Hierarchy) sind standardisierte Multiplexprotokolle , die mehrere digitale Bitströme mittels Lasern über Glasfaser übertragen. Ursprünglich wurden sie für die Übertragung von leitungsvermittelter Kommunikation aus verschiedenen Quellen entwickelt, vorwiegend zur Unterstützung der leitungsvermittelten digitalen Telefonie . Aufgrund ihrer Protokollneutralität und ihrer transportorientierten Eigenschaften eigneten sich SONET/SDH jedoch auch hervorragend für die Übertragung von ATM-Frames ( Asynchronous Transfer Mode ).

Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist ein Vermittlungsverfahren für Telekommunikationsnetze. Es nutzt asynchrones Zeitmultiplexverfahren und kodiert Daten in kleine Zellen fester Größe . Dies unterscheidet es von anderen Protokollen wie dem Internetprotokoll (IP-Protokoll) oder Ethernet , die Pakete oder Frames variabler Größe verwenden . ATM weist Ähnlichkeiten sowohl mit leitungs- als auch mit paketvermittelten Netzen auf. Daher eignet es sich gut für Netzwerke, die sowohl herkömmlichen Datenverkehr mit hohem Durchsatz als auch Echtzeitinhalte mit geringer Latenz wie Sprach- und Videoübertragungen verarbeiten müssen. ATM verwendet ein verbindungsorientiertes Modell, bei dem vor dem eigentlichen Datenaustausch eine virtuelle Verbindung zwischen zwei Endpunkten hergestellt werden muss.

Geldautomaten spielen nach wie vor eine Rolle bei der „letzten Meile“ , also der Verbindung zwischen Internetdienstanbieter und Endnutzer. ^{[ 73 ]}

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher digitaler Mobilfunkstandards, darunter: Global System for Mobile Communications (GSM), General Packet Radio Service (GPRS), cdmaOne , CDMA2000 , Evolution-Data Optimized (EV-DO), Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT), Digital AMPS (IS-136/TDMA) und Integrated Digital Enhanced Network (iDEN). ^{[ 74 ]}

Routing ist der Prozess der Auswahl von Netzwerkpfaden für den Netzwerkverkehr. Routing wird für viele Netzwerktypen durchgeführt, darunter leitungsvermittelte und paketvermittelte Netzwerke.

In paketvermittelten Netzwerken leiten Routing-Protokolle die Paketweiterleitung über Zwischenknoten. Diese Zwischenknoten sind typischerweise Netzwerkgeräte wie Router, Bridges, Gateways, Firewalls oder Switches. Auch Allzweckrechner können Pakete weiterleiten und Routing durchführen, bieten aber aufgrund fehlender spezialisierter Hardware unter Umständen eine eingeschränkte Leistung. Der Routing-Prozess steuert die Weiterleitung anhand von Routing-Tabellen , die die Routen zu verschiedenen Netzwerkzielen speichern. Die meisten Routing-Algorithmen nutzen jeweils nur einen Netzwerkpfad. Multipath-Routing- Verfahren ermöglichen die Nutzung mehrerer alternativer Pfade.

Routing unterscheidet sich von Bridging dadurch, dass es davon ausgeht, dass Netzwerkadressen strukturiert sind und ähnliche Adressen auf räumliche Nähe innerhalb des Netzwerks hinweisen. Strukturierte Adressen ermöglichen es, den Weg zu einer Gruppe von Geräten in einem einzigen Eintrag der Routing-Tabelle abzubilden. In großen Netzwerken ist die von Routern verwendete strukturierte Adressierung der unstrukturierten Adressierung beim Bridging überlegen. Strukturierte IP-Adressen werden im Internet verwendet. Unstrukturierte MAC-Adressen kommen beim Bridging in Ethernet und ähnlichen lokalen Netzwerken zum Einsatz.

Die physischen oder geografischen Standorte von Netzwerkknoten und -verbindungen haben im Allgemeinen relativ geringen Einfluss auf ein Netzwerk. Die Topologie der Verbindungen hingegen kann Durchsatz und Zuverlässigkeit erheblich beeinflussen. Bei vielen Technologien, wie beispielsweise Bus- oder Sternnetzwerken, kann ein einzelner Fehler zum vollständigen Ausfall des Netzwerks führen. Generell gilt: Je mehr Verbindungen vorhanden sind, desto robuster ist das Netzwerk; allerdings steigen dadurch auch die Installationskosten. Daher basieren die meisten Netzwerkdiagramme auf der Netzwerktopologie , also der Darstellung der logischen Verbindungen zwischen den Netzwerkkomponenten.

Gängige Topologien sind:

• Busnetzwerk : Alle Knoten sind über dieses Medium mit einem gemeinsamen Medium verbunden. Dies war das Layout des ursprünglichen Ethernet , genannt 10BASE5 und 10BASE2 . Es ist immer noch eine gängige Topologie auf der Sicherungsschicht , obwohl moderne Varianten der physikalischen Schicht stattdessen Punkt-zu-Punkt -Verbindungen verwenden , die eine Stern- oder Baumstruktur bilden.
• Sternnetzwerk : Alle Knoten sind mit einem zentralen Knoten verbunden. Dies ist der typische Aufbau in einem kleinen, verkabelten Ethernet- LAN, wo jeder Client mit einem zentralen Netzwerk-Switch verbunden ist, und logischerweise auch in einem drahtlosen LAN , wo sich jeder drahtlose Client mit dem zentralen drahtlosen Zugangspunkt verbindet .
• Ringnetzwerk : Jeder Knoten ist mit seinem linken und rechten Nachbarknoten verbunden, sodass alle Knoten miteinander verbunden sind und jeder Knoten jeden anderen Knoten erreichen kann, indem er die Knoten links oder rechts durchläuft. Token-Ring- Netzwerke und die Fiber Distributed Data Interface (FDDI) nutzen eine solche Topologie.
• Mesh-Netzwerk : Jeder Knoten ist mit einer beliebigen Anzahl von Nachbarn so verbunden, dass es von jedem Knoten mindestens eine Verbindung zu jedem anderen gibt.
• Vollständig vernetztes Netzwerk : Jeder Knoten ist mit jedem anderen Knoten im Netzwerk verbunden.
• Baumnetzwerk : Die Knoten sind hierarchisch angeordnet. Dies ist die natürliche Topologie für ein größeres Ethernet-Netzwerk mit mehreren Switches und ohne redundante Vermaschung.

Die physische Anordnung der Knoten in einem Netzwerk spiegelt nicht unbedingt die Netzwerktopologie wider. Beispielsweise ist bei FDDI die Netzwerktopologie ringförmig, die physische Topologie jedoch häufig sternförmig, da alle benachbarten Verbindungen über einen zentralen physischen Punkt geroutet werden können. Die physische Anordnung ist jedoch nicht völlig irrelevant, da gemeinsame Leitungs- und Gerätestandorte aufgrund von Ereignissen wie Bränden, Stromausfällen und Überschwemmungen potenzielle Schwachstellen darstellen können.

Ein Overlay-Netzwerk ist ein virtuelles Netzwerk, das auf einem anderen Netzwerk aufbaut. Die Knoten im Overlay-Netzwerk sind durch virtuelle oder logische Verbindungen miteinander verbunden. Jede Verbindung entspricht einem Pfad im zugrunde liegenden Netzwerk, der unter Umständen über viele physische Verbindungen verläuft. Die Topologie des Overlay-Netzwerks kann (und tut es oft) von der des zugrunde liegenden Netzwerks abweichen. Beispielsweise sind viele Peer-to-Peer -Netzwerke Overlay-Netzwerke. Sie sind als Knoten eines virtuellen Systems von Verbindungen organisiert, das auf dem Internet aufsetzt . ^{[ 75 ]}

Overlay-Netzwerke werden seit den Anfängen der Netzwerktechnik eingesetzt, als Computer noch über Telefonleitungen mit Modems verbunden wurden, noch bevor Datennetze entwickelt wurden.

Das wohl eindrucksvollste Beispiel für ein Overlay-Netzwerk ist das Internet selbst. Es wurde ursprünglich als Overlay auf dem Telefonnetz aufgebaut . ^{[ 75 ]} Auch heute noch kann jeder Internetknoten über ein zugrundeliegendes Netz von Subnetzen mit sehr unterschiedlichen Topologien und Technologien mit praktisch jedem anderen kommunizieren. Adressauflösung und Routing ermöglichen die Zuordnung eines vollständig vernetzten IP-Overlay-Netzwerks zu seinem zugrundeliegenden Netzwerk.

Ein weiteres Beispiel für ein Overlay-Netzwerk ist eine verteilte Hashtabelle , die Schlüssel Knoten im Netzwerk zuordnet. In diesem Fall handelt es sich beim zugrunde liegenden Netzwerk um ein IP-Netzwerk, und das Overlay-Netzwerk ist eine Tabelle (genauer gesagt eine Map ), die über Schlüssel indiziert wird.

Overlay-Netzwerke wurden auch als Möglichkeit zur Verbesserung des Internet-Routings vorgeschlagen, beispielsweise durch QoS-Garantien (Quality of Service) für qualitativ hochwertigere Streaming-Medien . Frühere Ansätze wie IntServ , DiffServ und IP-Multicast konnten sich jedoch nicht durchsetzen, da sie die Modifizierung aller Router im Netzwerk erfordern. Ein Overlay-Netzwerk hingegen lässt sich schrittweise auf Endgeräten mit der entsprechenden Overlay-Protokollsoftware implementieren, ohne dass die Mitwirkung von Internetdienstanbietern erforderlich ist. Das Overlay-Netzwerk hat zwar keinen Einfluss darauf, wie Pakete im zugrundeliegenden Netzwerk zwischen zwei Overlay-Knoten geroutet werden, kann aber beispielsweise die Reihenfolge der Overlay-Knoten steuern, die eine Nachricht durchläuft, bevor sie ihr Ziel erreicht.

Akamai Technologies betreibt beispielsweise ein Overlay-Netzwerk, das eine zuverlässige und effiziente Inhaltsbereitstellung (eine Art Multicast ) ermöglicht. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören unter anderem Multicast auf Endsystemen, ausfallsicheres Routing und Untersuchungen zur Dienstgüte.

Netzwerke lassen sich durch zahlreiche Eigenschaften und Merkmale charakterisieren, beispielsweise durch ihre physische Kapazität, ihren organisatorischen Zweck, Benutzerberechtigungen, Zugriffsrechte und weitere. Eine andere Klassifizierungsmethode ist die nach ihrer physischen Ausdehnung oder ihrem geografischen Maßstab.

Ein Netzwerk im Nanomaßstab verfügt über Schlüsselkomponenten, die im Nanomaßstab implementiert sind, darunter Nachrichtenträger, und nutzt physikalische Prinzipien, die sich von Kommunikationsmechanismen im Makromaßstab unterscheiden. Die Kommunikation im Nanomaßstab erweitert die Kommunikation auf sehr kleine Sensoren und Aktoren, wie sie beispielsweise in biologischen Systemen vorkommen, und funktioniert tendenziell auch in Umgebungen, die für andere Kommunikationstechniken zu rau wären. ^{[ 76 ]}

Ein Personal Area Network (PAN) ist ein Computernetzwerk zur Kommunikation zwischen Computern und verschiedenen IT-Geräten in der Nähe einer Person. Beispiele für Geräte in einem PAN sind PCs, Drucker, Faxgeräte, Telefone, PDAs, Scanner und Videospielkonsolen. Ein PAN kann kabelgebundene und drahtlose Geräte umfassen. Die Reichweite eines PAN beträgt typischerweise bis zu 10 Meter. ^{[ 77 ]} Ein kabelgebundenes PAN wird üblicherweise mit USB- und FireWire -Anschlüssen realisiert, während drahtlose PANs typischerweise Technologien wie Bluetooth und Infrarot nutzen.

Ein lokales Netzwerk (LAN) verbindet Computer und Geräte in einem begrenzten geografischen Bereich, beispielsweise in einem Privathaushalt, einer Schule, einem Bürogebäude oder einer Gruppe eng beieinander liegender Gebäude. Kabelgebundene LANs basieren meist auf der Ethernet-Technologie. Andere Netzwerktechnologien wie ITU-T G.hn ermöglichen ebenfalls die Einrichtung eines kabelgebundenen LANs unter Verwendung vorhandener Leitungen, wie Koaxialkabel, Telefonleitungen und Stromleitungen. ^{[ 78 ]}

Ein LAN kann über einen Router mit einem Weitverkehrsnetz (WAN) verbunden werden. Zu den charakteristischen Merkmalen eines LANs im Vergleich zu einem WAN gehören höhere Datenübertragungsraten , eine begrenzte geografische Reichweite ^{[ 79 ]} und die Unabhängigkeit von Mietleitungen . Aktuelle Ethernet- oder andere IEEE-802.3-LAN-Technologien erreichen Datenübertragungsraten von bis zu 800 Gbit/s ^{[ 80 ]} , die vom IEEE im Jahr 2024 standardisiert wurden.

• Ein Heimnetzwerk (HAN) ist ein lokales Netzwerk (LAN) in Privathaushalten, das der Kommunikation zwischen digitalen Geräten dient, die typischerweise im Haushalt eingesetzt werden. Dazu gehören in der Regel einige wenige PCs und Zubehör wie Drucker und mobile Endgeräte. Eine wichtige Funktion ist die gemeinsame Nutzung des Internetzugangs, häufig eines Breitbandanschlusses über einen Kabel- oder DSL -Anbieter.
• Ein Storage Area Network (SAN) ist ein dediziertes Netzwerk, das Zugriff auf konsolidierten Datenspeicher auf Blockebene ermöglicht. SANs werden primär eingesetzt, um Speichergeräte wie Festplatten-Arrays, Bandbibliotheken und optische Jukeboxen für Server zugänglich zu machen, sodass diese dem Betriebssystem als lokal angeschlossene Geräte erscheinen. Ein SAN verfügt typischerweise über ein eigenes Netzwerk von Speichergeräten, die im Allgemeinen nicht über das lokale Netzwerk (LAN) von anderen Geräten aus erreichbar sind. Die Kosten und Komplexität von SANs sanken Anfang der 2000er-Jahre so stark, dass sie sich sowohl in Großunternehmen als auch in kleinen und mittelständischen Betrieben breiter durchsetzen konnten.

Ein Campusnetzwerk (CAN) besteht aus einem Verbund von lokalen Netzwerken (LANs) innerhalb eines begrenzten geografischen Gebiets. Die Netzwerkgeräte (Switches, Router) und Übertragungsmedien (Glasfaser, Cat5 -Kabel usw.) befinden sich fast ausschließlich im Besitz des Campusnutzers oder -eigentümers (z. B. eines Unternehmens, einer Universität, einer Behörde usw.). Beispielsweise verbindet ein Universitäts-Campusnetzwerk typischerweise verschiedene Campusgebäude, um Fakultäten oder Institute, die Bibliothek und Studentenwohnheime miteinander zu vernetzen.

Ein Backbone-Netzwerk ist Teil der Computernetzwerkinfrastruktur und dient dem Informationsaustausch zwischen verschiedenen LANs oder Subnetzen. Es kann diverse Netzwerke innerhalb desselben Gebäudes, über verschiedene Gebäude hinweg oder über ein weites Gebiet hinweg verbinden. Bei der Planung eines Backbone-Netzwerks sind Netzwerkleistung und Netzwerkauslastung entscheidende Faktoren. Normalerweise ist die Kapazität des Backbone-Netzwerks höher als die der einzelnen angeschlossenen Netzwerke.

Ein großes Unternehmen könnte beispielsweise ein Backbone-Netzwerk einsetzen, um Abteilungen weltweit zu verbinden. Die Geräte, die die Abteilungsnetzwerke miteinander verbinden, bilden das Netzwerk-Backbone. Ein weiteres Beispiel für ein Backbone-Netzwerk ist das Internet-Backbone , ein massives, globales System aus Glasfaserkabeln und optischen Netzwerken, das den Großteil der Daten zwischen Weitverkehrsnetzen (WANs), Metro-, Regional-, National- und transozeanischen Netzen transportiert.

• Ein unternehmensinternes privates Netzwerk oder Intranet ist ein Netzwerk, das eine einzelne Organisation aufbaut, um ihre Standorte (z. B. Produktionsstätten, Hauptsitze, Außenstellen, Geschäfte) miteinander zu verbinden, damit diese Computerressourcen gemeinsam nutzen können.

Ein Metropolitan Area Network (MAN) ist ein großes Computernetzwerk, das Benutzer mit Computerressourcen in einer geografischen Region von der Größe einer Metropolregion verbindet .

Ein Weitverkehrsnetz (WAN) ist ein Computernetzwerk, das ein großes geografisches Gebiet wie eine Stadt oder ein Land abdeckt oder sogar interkontinentale Entfernungen überbrückt. Ein WAN nutzt einen Kommunikationskanal, der verschiedene Medien wie Telefonleitungen, Kabel und Funkwellen kombiniert. Häufig greift ein WAN auf die Übertragungseinrichtungen von Telekommunikationsunternehmen zurück . WAN-Technologien arbeiten im Allgemeinen auf den unteren drei Schichten des OSI-Modells: der Bitübertragungsschicht, der Sicherungsschicht und der Vermittlungsschicht .

Ein globales Netzwerk (GAN) dient der Unterstützung mobiler Nutzer über eine beliebige Anzahl von drahtlosen LANs, Satellitenabdeckungsbereichen usw. Die zentrale Herausforderung in der Mobilkommunikation besteht in der Übergabe der Kommunikation von einem lokalen Abdeckungsbereich zum nächsten. Im IEEE-Projekt 802 erfolgt dies durch eine Abfolge terrestrischer drahtloser LANs . ^{[ 81 ]}

Ein Intranet ist ein privates Interessennetzwerk, das in der Regel von einem Unternehmen verwaltet wird und nur autorisierten Benutzern (z. B. Mitarbeitern) zugänglich ist. ^{[ 82 ]} Intranets müssen nicht mit dem Internet verbunden sein, verfügen aber üblicherweise über eine eingeschränkte Verbindung. Ein Extranet ist eine Erweiterung des Intranets, die eine sichere Kommunikation mit Benutzern außerhalb des Intranets (z. B. Geschäftspartnern, Kunden) ermöglicht. ^{[ 82 ]}

Netzwerke werden üblicherweise von den Organisationen verwaltet, denen sie gehören. Private Unternehmensnetzwerke können eine Kombination aus Intranets und Extranets nutzen. Sie können auch Netzwerkzugang zum Internet bieten, das keinem einzelnen Eigentümer gehört und praktisch unbegrenzte globale Vernetzung ermöglicht.

Ein Intranet ist ein Verbund von Netzwerken, die von einer einzigen administrativen Einheit kontrolliert werden. Typischerweise nutzt ein Intranet das Internetprotokoll (IP) und IP-basierte Tools wie Webbrowser und Dateitransferanwendungen. Die administrative Einheit beschränkt die Nutzung des Intranets auf autorisierte Benutzer. In den meisten Fällen handelt es sich bei einem Intranet um das interne LAN einer Organisation. Ein großes Intranet verfügt in der Regel über mindestens einen Webserver, um Benutzern Organisationsinformationen bereitzustellen.

Ein Extranet ist ein Netzwerk, das unter der administrativen Kontrolle einer einzelnen Organisation steht, aber eine eingeschränkte Verbindung zu einem bestimmten externen Netzwerk ermöglicht. Beispielsweise kann eine Organisation ihren Geschäftspartnern oder Kunden Zugriff auf bestimmte Bereiche ihres Intranets gewähren, um Daten mit ihnen auszutauschen. Diese externen Partner genießen aus Sicherheitsgründen nicht unbedingt das Vertrauen anderer. Die Netzwerkverbindung zu einem Extranet wird häufig, aber nicht immer, über WAN-Technologie realisiert.

Ein Internetwork ist die Verbindung mehrerer verschiedener Arten von Computernetzwerken zu einem einzigen Computernetzwerk unter Verwendung von Netzwerkprotokollen höherer Schichten und deren Verbindung mittels Routern.

Das Internet ist das größte Beispiel für ein vernetztes System. Es ist ein globales Netzwerk aus miteinander verbundenen staatlichen, akademischen, unternehmerischen, öffentlichen und privaten Computernetzwerken. Es basiert auf den Netzwerktechnologien der Internetprotokollfamilie. Es ist der Nachfolger des Advanced Research Projects Agency Network (ARPANET), das von der DARPA des US-Verteidigungsministeriums entwickelt wurde . Das Internet nutzt Kupferleitungen und ein optisches Netzwerk- Backbone, um das World Wide Web (WWW), das Internet der Dinge , Videoübertragung und eine breite Palette von Informationsdiensten zu ermöglichen .

Teilnehmer im Internet verwenden eine Vielzahl von Methoden, darunter mehrere hundert dokumentierte und oft standardisierte Protokolle, die mit der Internetprotokollfamilie und dem von der Internet Assigned Numbers Authority (ISA) und Adressregistern verwalteten IP-Adressierungssystem kompatibel sind. Dienstanbieter und große Unternehmen tauschen über das Border Gateway Protocol (BGP) Informationen über die Erreichbarkeit ihrer Adressräume aus und bilden so ein redundantes, weltweites Netz von Übertragungspfaden.

Ein Darknet ist ein Overlay-Netzwerk, das typischerweise im Internet läuft und nur über spezielle Software zugänglich ist. Es handelt sich um ein Anonymisierungsnetzwerk, in dem Verbindungen nur zwischen vertrauenswürdigen Nutzern – manchmal auch Freunde ( F2F ) genannt ^{[ 84 ]}  – über nicht standardisierte Protokolle und Ports hergestellt werden .

Darknets unterscheiden sich von anderen verteilten Peer-to-Peer -Netzwerken dadurch, dass der Datenaustausch anonym erfolgt (d. h. IP-Adressen werden nicht öffentlich geteilt), und die Nutzer daher weitgehend ohne Angst vor staatlichen oder unternehmerischen Eingriffen kommunizieren können. ^{[ 85 ]}

Ein virtuelles privates Netzwerk (VPN) ist ein Overlay-Netzwerk, in dem einige Verbindungen zwischen Knoten über offene Verbindungen oder virtuelle Leitungen in einem größeren Netzwerk (z. B. dem Internet) anstatt über physische Kabel hergestellt werden. Die Protokolle der Sicherungsschicht des virtuellen Netzwerks werden dabei durch das größere Netzwerk getunnelt. Eine gängige Anwendung ist die sichere Kommunikation über das öffentliche Internet. Ein VPN muss jedoch keine expliziten Sicherheitsfunktionen wie Authentifizierung oder Inhaltsverschlüsselung aufweisen. VPNs können beispielsweise verwendet werden, um den Datenverkehr verschiedener Benutzergruppen in einem zugrunde liegenden Netzwerk mit starken Sicherheitsfunktionen zu trennen.

Netzwerkdienste sind Anwendungen, die von Servern in einem Computernetzwerk gehostet werden, um Mitgliedern oder Benutzern des Netzwerks bestimmte Funktionen bereitzustellen oder um den Betrieb des Netzwerks selbst zu unterstützen.

Das World Wide Web , E-Mail , ^{[ 86 ]} Drucken und Netzwerkdateiaustausch sind Beispiele für bekannte Netzwerkdienste. Netzwerkdienste wie das Domain Name System (DNS) vergeben Namen für IP- und MAC-Adressen (Namen wie nm.lan sind einprägsamer als Zahlen wie 210.121.67.18 ) ^{[ 87 ]} und das Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) stellen sicher, dass die Geräte im Netzwerk eine gültige IP-Adresse erhalten. ^{[ 88 ]}

Dienste basieren üblicherweise auf einem Dienstprotokoll , das Format und Reihenfolge der Nachrichten zwischen Clients und Servern dieses Netzwerkdienstes definiert.

Die Bandbreite in Bit/s kann sich auf die verbrauchte Bandbreite beziehen, die dem erreichten Durchsatz oder Nutzdatendurchsatz entspricht , d. h. der durchschnittlichen Rate erfolgreicher Datenübertragung über einen Kommunikationspfad. Der Durchsatz wird durch Prozesse wie Bandbreitensteuerung , Bandbreitenmanagement , Bandbreitenbegrenzung , Bandbreitenobergrenze und Bandbreitenzuweisung (z. B. mittels Bandbreitenzuweisungsprotokoll und dynamischer Bandbreitenzuweisung ) beeinflusst.

Die Netzwerkverzögerung ist eine Design- und Leistungskennzahl eines Telekommunikationsnetzes . Sie gibt die Latenzzeit an , die ein Datenbit benötigt, um das Netzwerk von einem Kommunikationsendpunkt zu einem anderen zu durchlaufen. Die Verzögerung kann je nach Standort der beiden Kommunikationsendpunkte leicht variieren. Ingenieure geben üblicherweise sowohl die maximale als auch die durchschnittliche Verzögerung an und unterteilen diese in mehrere Komponenten, deren Summe die Gesamtverzögerung ergibt.

• Verarbeitungsverzögerung  – Zeit, die ein Router benötigt, um den Paketheader zu verarbeiten
• Warteschlangenverzögerung  – Zeit, die das Paket in den Routing-Warteschlangen verbringt
• Übertragungsverzögerung  – die Zeit, die benötigt wird, um die Bits des Datenpakets auf die Verbindung zu übertragen.
• Laufzeitverzögerung  – Zeit, die ein Signal benötigt, um sich durch das Medium auszubreiten.

Aufgrund der Zeit, die für die serielle Übertragung eines Datenpakets über eine Verbindung benötigt wird, erfahren Signale eine gewisse minimale Verzögerung. Diese Verzögerung wird durch variable Verzögerungen aufgrund von Netzwerküberlastung zusätzlich erhöht . Die Verzögerungen in IP-Netzwerken können von weniger als einer Mikrosekunde bis zu mehreren hundert Millisekunden reichen.

Zu den Parametern, die die Leistung beeinflussen, gehören typischerweise Durchsatz , Jitter , Bitfehlerrate und Latenz.

In leitungsvermittelten Netzen entspricht die Netzleistung der Dienstgüte . Die Anzahl abgewiesener Anrufe ist ein Maß für die Leistungsfähigkeit des Netzes unter hoher Auslastung. ^{[ 89 ]} Weitere Leistungsmerkmale sind beispielsweise Rauschen und Echo.

In einem ATM-Netzwerk ( Asynchronous Transfer Mode ) kann die Leistung anhand der Leitungsrate, der Dienstgüte (QoS), des Datendurchsatzes, der Verbindungszeit, der Stabilität, der Technologie, des Modulationsverfahrens und der Modemverbesserungen gemessen werden.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit eines Netzwerks zu messen, da sich jedes Netzwerk in seiner Beschaffenheit und seinem Aufbau unterscheidet. Die Leistungsfähigkeit kann auch modelliert statt gemessen werden. Beispielsweise werden Zustandsübergangsdiagramme häufig verwendet, um die Warteschlangenleistung in einem leitungsvermittelten Netzwerk zu modellieren. Der Netzwerkplaner nutzt diese Diagramme, um zu analysieren, wie sich das Netzwerk in jedem Zustand verhält und so sicherzustellen, dass das Netzwerk optimal ausgelegt ist. ^{[ 90 ]}

Netzwerküberlastung tritt auf, wenn eine Verbindung oder ein Knotenpunkt einer höheren Datenlast ausgesetzt ist, als für ihn ausgelegt ist. Dies führt zu einer Verschlechterung der Dienstqualität. Bei überlasteten Netzwerken und überfüllten Warteschlangen müssen Pakete verworfen werden, und die Teilnehmer sind auf erneute Übertragung angewiesen, um eine zuverlässige Kommunikation aufrechtzuerhalten . Typische Folgen von Überlastung sind Verzögerungen durch Warteschlangen , Paketverluste und die Blockierung neuer Verbindungen. Eine Konsequenz dieser beiden letztgenannten Punkte ist, dass schrittweise Erhöhungen der angebotenen Last entweder nur zu einer geringen Steigerung des Netzwerkdurchsatzes oder sogar zu dessen Reduzierung führen.

Netzwerkprotokolle , die aggressive Neuübertragungen zur Kompensation von Paketverlusten nutzen, neigen dazu, Systeme in einem Zustand der Netzwerküberlastung zu halten, selbst nachdem die anfängliche Last auf ein Niveau gesunken ist, das normalerweise keine Netzwerküberlastung verursachen würde. Daher können Netzwerke, die diese Protokolle verwenden, unter derselben Last zwei stabile Zustände aufweisen. Der stabile Zustand mit geringem Durchsatz wird als Staukollaps bezeichnet .

Moderne Netzwerke nutzen Verfahren zur Staukontrolle , Stauvermeidung und Verkehrssteuerung. Dabei drosseln Endgeräte typischerweise die Übertragungsgeschwindigkeit oder stellen sie sogar vollständig ein, wenn das Netzwerk überlastet ist, um einen Zusammenbruch zu verhindern. Zu den spezifischen Verfahren gehören: exponentielles Backoff in Protokollen wie 802.11 CSMA /CA und dem ursprünglichen Ethernet, Fensterreduktion in TCP und faires Queuing in Geräten wie Routern.

Eine weitere Methode zur Vermeidung der negativen Auswirkungen von Netzwerküberlastung ist die Implementierung von QoS -Priorisierungsverfahren, die es ausgewähltem Datenverkehr ermöglichen, die Überlastung zu umgehen. Priorisierungsverfahren lösen Netzwerküberlastung nicht von selbst, tragen aber dazu bei, deren Auswirkungen auf kritische Dienste zu verringern. Eine dritte Methode zur Vermeidung von Netzwerküberlastung ist die explizite Zuweisung von Netzwerkressourcen zu bestimmten Datenströmen. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von konfliktfreien Übertragungsmöglichkeiten (CFTXOPs) im ITU-T- Standard G.hn für Heimnetzwerke.

Für das Internet befasst sich RFC 2914 ausführlich mit dem Thema Staukontrolle.  

Netzwerkresilienz ist „die Fähigkeit, trotz Störungen und Beeinträchtigungen des normalen Betriebs ein akzeptables Serviceniveau zu gewährleisten und aufrechtzuerhalten.“ ^{[ 91 ]}

Computernetzwerke werden auch von Sicherheitshackern genutzt, um Computerviren oder Computerwürmer auf mit dem Netzwerk verbundenen Geräten zu verteilen oder um diese Geräte über einen Denial-of-Service-Angriff am Zugriff auf das Netzwerk zu hindern .

Netzwerksicherheit umfasst die vom Netzwerkadministrator festgelegten Maßnahmen und Richtlinien, um unbefugten Zugriff, Missbrauch, Veränderung oder die Verweigerung des Zugriffs auf das Computernetzwerk und seine netzwerkzugänglichen Ressourcen zu verhindern und zu überwachen . ^{[ 92 ]} Netzwerksicherheit wird in einer Vielzahl von Computernetzwerken, sowohl öffentlichen als auch privaten, eingesetzt, um den täglichen Geschäftsverkehr und die Kommunikation zwischen Unternehmen, Behörden und Privatpersonen zu sichern.

Netzwerküberwachung bezeichnet die Überwachung von Daten, die über Computernetzwerke wie das Internet übertragen werden. Diese Überwachung erfolgt häufig heimlich und kann von Regierungen, Unternehmen, kriminellen Organisationen oder Einzelpersonen oder in deren Auftrag durchgeführt werden. Sie kann legal oder illegal sein und die Genehmigung eines Gerichts oder einer anderen unabhängigen Behörde erfordern.

Computer- und Netzwerküberwachungsprogramme sind heutzutage weit verbreitet, und fast der gesamte Internetverkehr wird oder könnte potenziell auf Hinweise auf illegale Aktivitäten überwacht werden.

Überwachung ist für Regierungen und Strafverfolgungsbehörden äußerst nützlich, um die öffentliche Ordnung aufrechtzuerhalten , Bedrohungen zu erkennen und zu überwachen sowie Straftaten zu verhindern oder zu untersuchen . Mit dem Aufkommen von Programmen wie dem „Total Information Awareness “-Programm, Technologien wie Hochleistungs-Überwachungscomputern und biometrischer Software sowie Gesetzen wie dem „Communications Assistance for Law Enforcement Act“ verfügen Regierungen heute über beispiellose Möglichkeiten, die Aktivitäten ihrer Bürger zu überwachen. ^{[ 93 ]}

Viele Bürgerrechts- und Datenschutzorganisationen – wie Reporter ohne Grenzen , die Electronic Frontier Foundation und die American Civil Liberties Union – äußerten jedoch Bedenken, dass eine zunehmende Überwachung der Bürger zu einer Massenüberwachungsgesellschaft mit eingeschränkten politischen und persönlichen Freiheiten führen könnte. Solche Befürchtungen führten zu Klagen wie Hepting gegen AT&T . ^{[ 93 ] [ 94 ]} Die Hacktivistengruppe Anonymous hackte Regierungswebseiten, um gegen die ihrer Ansicht nach „drakonische Überwachung“ zu protestieren . ^{[ 95 ] [ 96 ]}

Ende-zu-Ende-Verschlüsselung (E2EE) ist ein Paradigma der digitalen Kommunikation , das den lückenlosen Schutz von Daten während der Übertragung zwischen zwei Kommunikationspartnern gewährleistet. Dabei verschlüsselt der Absender die Daten, sodass nur der beabsichtigte Empfänger sie entschlüsseln kann – ohne Abhängigkeit von Dritten. Ende-zu-Ende-Verschlüsselung verhindert, dass Vermittler wie Internetdienstanbieter oder Anwendungsdienstanbieter die Kommunikation lesen oder manipulieren können. Sie schützt im Allgemeinen sowohl die Vertraulichkeit als auch die Integrität der Daten .

Beispiele für Ende-zu-Ende-Verschlüsselung sind HTTPS für Webverkehr, PGP für E-Mails , OTR für Instant Messaging , ZRTP für Telefonie und TETRA für Funk.

Typische serverbasierte Kommunikationssysteme bieten keine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung. Diese Systeme können lediglich die Kommunikation zwischen Clients und Servern schützen , nicht aber die Kommunikation zwischen den Kommunikationspartnern selbst. Beispiele für Systeme ohne Ende-zu-Ende-Verschlüsselung sind Google Talk , Yahoo Messenger , Facebook und Dropbox .

Das Paradigma der Ende-zu-Ende-Verschlüsselung (E2EE) geht nicht direkt auf Risiken an den Endpunkten der Kommunikation selbst ein, wie etwa die technische Ausnutzung von Clients , minderwertige Zufallszahlengeneratoren oder die Hinterlegung von Schlüsseln . E2EE befasst sich auch nicht mit der Verkehrsanalyse , die Aspekte wie die Identität der Endpunkte sowie Zeitpunkt und Menge der gesendeten Nachrichten umfasst.

Die Einführung und das rasante Wachstum des E-Commerce im World Wide Web Mitte der 1990er-Jahre machten deutlich, dass eine Form der Authentifizierung und Verschlüsselung notwendig war. Netscape wagte den ersten Versuch, einen neuen Standard zu entwickeln. Damals war Netscape Navigator der dominierende Webbrowser . Netscape schuf einen Standard namens Secure Socket Layer (SSL). SSL erfordert einen Server mit einem Zertifikat. Wenn ein Client Zugriff auf einen SSL-gesicherten Server anfordert, sendet der Server eine Kopie des Zertifikats an den Client. Der SSL-Client überprüft dieses Zertifikat (alle Webbrowser enthalten eine umfassende Liste von Root-Zertifikaten ). Ist das Zertifikat gültig, wird der Server authentifiziert und der Client handelt einen symmetrischen Verschlüsselungsschlüssel für die Sitzung aus. Die Sitzung befindet sich nun in einem hochsicheren, verschlüsselten Tunnel zwischen dem SSL-Server und dem SSL-Client. ^{[ 66 ]}

 Dieser Artikel enthält gemeinfreies Material aus dem Federal Standard 1037C der General Services Administration . Archiviert vom Original am 22.01.2022.

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