Was ist ein Computernetzwerk? Aufbau, Aufgaben und Beispiele einfach erklärt

Du drückst im Büro auf „Drucken“, und im Flur beginnt ein Drucker zu arbeiten, an den dein Rechner kein Kabel hat. Du speicherst ein Dokument, und es liegt auf einem Server in einem anderen Raum. Du öffnest eine Webseite, und Daten kommen aus einem Rechenzentrum hunderte Kilometer entfernt. Hinter allem steckt dasselbe: ein Computernetzwerk.

Dieser Beitrag legt die Grundlage für den ganzen Netzwerk-Block. Du erfährst, woraus ein Netzwerk besteht, was es leistet und wie Daten darin unterwegs sind. Alles Weitere, vom Subnetting bis zur WLAN-Sicherheit, baut darauf auf.

Was ist ein Computernetzwerk?

Ein Computernetzwerk ist ein Verbund von Geräten, die über Leitungen oder Funk miteinander verbunden sind und nach festen Regeln Daten austauschen. Die Geräte heißen allgemein Hosts oder Endgeräte. Das können PCs, Notebooks, Server, Drucker, Smartphones oder auch Kameras und Heizungssteuerungen sein.

Drei Dinge gehören zu jedem Netzwerk:

• Geräte, die kommunizieren wollen,
• ein Weg, auf dem die Daten laufen (Kabel, Glasfaser oder Funk),
• gemeinsame Regeln, nach denen die Kommunikation abläuft. Diese Regeln heißen Protokolle.

Wozu braucht man Netzwerke?

Netzwerke erfüllen im Alltag mehrere Aufgaben:

• Ressourcen teilen. Ein Drucker oder ein Dateiserver steht allen zur Verfügung, statt dass jeder sein eigenes Gerät braucht.
• Kommunizieren. E-Mail, Chat, Videotelefonie und Telefonie über das Internet laufen über Netzwerke.
• Dienste zentral bereitstellen. Anmeldung, Dateiablage, Datenbanken und Webseiten liegen auf Servern und werden von vielen genutzt.
• Zentral verwalten und sichern. Ein Administrator kann Updates verteilen, Rechte vergeben und Daten an einer Stelle sichern.
• Verbindung zum Internet herstellen. Das Netzwerk im Büro oder zu Hause ist das Tor zur ganzen Welt.

Aus welchen Teilen besteht ein Netzwerk?

Bestandteil	Aufgabe	Beispiele
Endgeräte	Nutzen oder bieten Dienste an	PC, Notebook, Smartphone, Server, Drucker
Netzwerkgeräte	Verbinden Geräte und leiten Daten weiter	Switch, Router, Access Point, Firewall
Übertragungsmedien	Transportieren die Signale	Twisted-Pair-Kabel (Kupfer), Glasfaser, Funk
Protokolle	Legen fest, wie kommuniziert wird	Ethernet, IP, TCP, HTTP, DNS, DHCP
Adressen	Kennzeichnen Geräte eindeutig	MAC-Adresse, IP-Adresse

Jedes dieser Teile bekommt in den folgenden Beiträgen seinen eigenen Abschnitt. Die Netzwerkgeräte lernst du im Beitrag Switch, Router, Access Point und Firewall kennen, die Adressen im Beitrag MAC-Adresse und IP-Adresse.

Client und Server: Wer fragt, wer antwortet?

In den meisten Netzwerken haben die Geräte unterschiedliche Rollen:

• Ein Server stellt einen Dienst bereit, zum Beispiel eine Webseite, eine Dateiablage oder die Anmeldung.
• Ein Client nutzt diesen Dienst. Dein Browser ist ein Client, der beim Webserver eine Seite anfragt.

Das ist eine Rollenbeschreibung, keine Gerätekategorie. Ein und derselbe Rechner kann gleichzeitig Client und Server sein, etwa wenn auf deinem PC ein Ordner freigegeben ist und du zugleich auf einen anderen Server zugreifst.

Daraus ergeben sich zwei Grundmodelle:

	Client-Server-Netz	Peer-to-Peer-Netz
Aufbau	Zentrale Server bieten Dienste an, Clients nutzen sie	Alle Geräte sind gleichberechtigt und tauschen direkt untereinander aus
Verwaltung	Zentral, Rechte und Daten an einer Stelle	Dezentral, jedes Gerät verwaltet sich selbst
Vorteile	Gute Kontrolle, einfache Datensicherung, bessere Sicherheit	Einfach und günstig einzurichten
Nachteile	Server kosten Geld und müssen gepflegt werden. Fällt er aus, fehlt der Dienst	Unübersichtlich bei vielen Geräten, Sicherheit schwer durchzusetzen
Typisches Beispiel	Firmennetz mit Dateiserver und zentraler Anmeldung	Zwei Rechner, die Ordner direkt freigeben

In der Praxis findest du Mischformen. Ein Firmennetz arbeitet meist nach dem Client-Server-Prinzip, einzelne Funktionen wie die direkte Dateifreigabe zwischen zwei Notebooks folgen dem Peer-to-Peer-Prinzip.

Wie Daten im Netzwerk unterwegs sind: Pakete

Daten wandern nicht als großer Block durchs Netz, sondern werden in kleine Stücke zerlegt, die Pakete. Jedes Paket trägt vorn einen Kopf (Header) mit der Adresse des Absenders und des Empfängers und eine Nummer, damit der Empfänger sie wieder in die richtige Reihenfolge bringen kann.

Ein Vergleich: Du schickst die Seiten eines dicken Buches einzeln per Post. Jede Seite steckt in einem eigenen Umschlag mit Adresse und Seitennummer. Die Umschläge können unterschiedliche Wege nehmen und kommen vielleicht nicht in der richtigen Reihenfolge an, aber der Empfänger sortiert sie anhand der Nummern.

Der Vorteil: Viele Teilnehmer können sich dieselbe Leitung teilen, weil Pakete verschiedener Absender sich abwechseln. Geht ein Paket verloren, muss nur dieses Paket erneut gesendet werden, nicht die ganze Datei.

Wie viele Pakete entstehen? Ein gängiger Ethernet-Rahmen transportiert bei IPv4 und TCP etwa 1.460 Byte Nutzdaten pro Paket. Eine Datei mit 3 MB, also 3.000.000 Byte, ergibt damit:

3.000.000 Byte ÷ 1.460 Byte pro Paket ≈ 2.055 Pakete

Rund 2.000 Pakete für eine kleine Datei. Das kannst du dir merken, wenn du das nächste Mal fragst, was im Netzwerk eigentlich los ist: Es sind sehr viele sehr kleine Einheiten.

Protokolle: Die gemeinsame Sprache

Damit sich Geräte verschiedener Hersteller verstehen, brauchen sie vereinbarte Regeln. Ein Protokoll legt fest, wie eine Kommunikation beginnt, welche Informationen in welcher Reihenfolge gesendet werden und wie sie endet. Das ist wie die Höflichkeitsform beim Telefonieren: Man meldet sich, bestätigt, antwortet und verabschiedet sich.

Protokolle werden von Organisationen standardisiert. Für Ethernet und WLAN ist das die IEEE, für die Protokolle des Internets die IETF. Dank der Standards funktioniert dein Smartphone im WLAN eines beliebigen Herstellers.

Was passiert, wenn du eine Webseite aufrufst?

Ein Beispiel, das viele Protokolle zusammenführt, ist der Aufruf einer Webseite. Vereinfacht läuft das so ab:

1. Du gibst eine Adresse wie www.beispiel.de in den Browser ein.
2. Dein Rechner fragt per DNS, welche IP-Adresse zu diesem Namen gehört.
3. Er baut über TCP eine Verbindung zum Server auf.
4. Der Browser schickt über HTTPS die Anfrage nach der Seite, verschlüsselt.
5. Der Server antwortet. Die Daten kommen in vielen Paketen an.
6. Der Browser setzt alles zusammen und zeigt die Seite an.

Jede dieser Stationen bekommt in der Reihe einen eigenen Beitrag. Das Gesamtbild, wie diese Aufgaben in Schichten aufgeteilt sind, liefert später das OSI-Modell.

Topologien: Wie ist ein Netzwerk angeordnet?

Die Topologie beschreibt, wie die Geräte miteinander verbunden sind. Sie gibt es in der physischen Form (wie verlaufen die Kabel) und in der logischen (wie fließen die Daten). Die gängigen Formen:

Topologie	Aufbau	Vorteil	Nachteil
Stern	Alle Geräte hängen an einem zentralen Gerät (Switch)	Fällt ein Endgerät oder Kabel aus, laufen die anderen weiter. Einfach zu erweitern	Fällt der zentrale Switch aus, ist das ganze Netz betroffen
Bus	Alle Geräte hängen an einer gemeinsamen Leitung	Wenig Kabel	Ein Kabelfehler legt alles lahm. Heute kaum noch üblich
Ring	Geräte sind kreisförmig verbunden	Geregelter Zugriff	Ausfall eines Teilnehmers kann den Ring unterbrechen
Baum	Sterne sind hierarchisch miteinander verbunden	Gut für große Gebäude, übersichtlich	Ausfall eines oberen Switches trennt ganze Äste ab
Masche	Viele Verbindungen zwischen mehreren Geräten	Hohe Ausfallsicherheit durch Ausweichwege	Aufwendig und teuer

In Büros und Wohnungen setzt sich die Sternform durch, weil sie einfach und robust ist. Das Internet selbst ist stark vermascht, damit Daten bei einem Ausfall andere Wege nehmen können.

Womit werden die Daten übertragen?

• Twisted-Pair-Kabel (Kupfer). Das bekannte Netzwerkkabel mit RJ45-Stecker. In einem Ethernet-Netz darf ein solches Kabel zwischen Switch und Endgerät bis zu 100 m lang sein. Die Kategorie (zum Beispiel Cat 5e oder Cat 6) bestimmt, welche Geschwindigkeiten möglich sind.
• Glasfaser. Überträgt Daten als Lichtimpulse, hält deutlich größere Strecken durch und ist unempfindlich gegen elektrische Störungen. Typisch zwischen Gebäuden, in Rechenzentren und bei Providern.
• Funk. Ohne Kabel, zum Beispiel WLAN oder Mobilfunk. Bequem, aber abhängig von Entfernung, Hindernissen und Störungen.

Kennzahlen: Wie gut ist ein Netzwerk?

Kennzahl	Bedeutung	Einheit
Bandbreite (Datenrate)	Wie viele Daten pro Sekunde übertragen werden können	Mbit/s, Gbit/s
Latenz	Wie lange ein Paket vom Sender zum Empfänger braucht	Millisekunden (ms)
Verfügbarkeit	Wie zuverlässig das Netz erreichbar ist	Prozent über einen Zeitraum

Die Bandbreite wird in Bit pro Sekunde angegeben, nicht in Byte. Das kennst du aus dem Beitrag Bit und Byte: 1 Gbit/s sind 1.000 Mbit/s, und durch 8 geteilt sind das 125 MB/s. Eine Datei mit 1 GB, also 8.000 Mbit, braucht bei dieser Rate theoretisch 8 Sekunden. In der Praxis dauert es etwas länger, weil Kopfdaten der Pakete und Wartezeiten mitzählen.

Praxisbeispiel: Das Netzwerk einer kleinen Firma

Greifen wir die Firma aus dem Beitrag Was ist IT? wieder auf. Sie hat zehn Arbeitsplätze, einen Dateiserver, einen Netzwerkdrucker, einen Switch, einen Router und ein Gäste-WLAN. Der Switch verbindet alle Geräte in einer Sterntopologie, der Router stellt die Verbindung zum Internet her.

Gerät	Rolle	Beispieladresse
Router	Verbindung zum Internet	192.168.10.1
Dateiserver	Server für gemeinsame Ablage	192.168.10.10
Netzwerkdrucker	Gemeinsam genutzter Drucker	192.168.10.20
Arbeitsplätze	Clients	192.168.10.100 bis 192.168.10.199

Die Adressen sind ein Rechenbeispiel. Wie sie vergeben werden und was die Schreibweise bedeutet, behandeln wir in den kommenden Beiträgen.

Was geschieht, wenn eine Mitarbeiterin ein Dokument auf dem Server speichert? Ihr PC sendet die Datei in Paketen an den Switch. Der Switch leitet sie an den Server weiter. Der Router ist dabei gar nicht beteiligt, denn Absender und Ziel liegen im selben Netz. Ruft sie dagegen eine Webseite auf, laufen die Pakete über den Switch zum Router und von dort ins Internet.

Dein eigenes Netzwerk ansehen

Du musst nichts bauen, um ein Netzwerk zu untersuchen. Auf deinem Rechner siehst du mit zwei Befehlen, wie er angebunden ist. Unter Windows öffnest du die Eingabeaufforderung und gibst ein:

ipconfig

Der Befehl zeigt dir die Netzwerkadapter deines Rechners mit IP-Adresse, Subnetzmaske und Standardgateway. Das Gateway ist in der Regel der Router, über den dein Rechner das Netz verlässt. Unter Linux erledigt das dieser Befehl:

ip addr

Er zeigt ebenfalls die Adressen aller Netzwerkschnittstellen an. Welche Werte du siehst, hängt von deinem Netz ab. Mit der Adresse deines Routers kannst du dann testen, ob die Verbindung steht:

ping 192.168.10.1

Setze statt der Beispieladresse die Adresse deines Gateways ein. Antwortet das Gerät, siehst du pro Paket die Zeit in Millisekunden, also die Latenz. Kommt keine Antwort, liegt das Problem zwischen deinem Rechner und dem Ziel oder das Ziel antwortet nicht auf Ping.

Typische Missverständnisse

• „Internet und Netzwerk sind dasselbe.“ Das Internet ist ein riesiger Verbund vieler einzelner Netzwerke. Dein Heim- oder Firmennetz ist ein Netzwerk, das mit dem Internet verbunden sein kann.
• „WLAN ist das Internet.“ WLAN ist eine Art, Geräte kabellos mit einem Netzwerk zu verbinden. Ob dieses Netzwerk Internetzugang hat, ist eine andere Frage. Ein WLAN kann funktionieren, ohne dass eine Verbindung ins Internet besteht.
• „Router und Modem sind dasselbe.“ Ein Modem oder ein Glasfaser-Abschluss stellt die Verbindung zum Provider her, der Router verteilt die Daten im eigenen Netz. In Heimgeräten steckt oft beides in einem Gehäuse, die Aufgaben bleiben aber verschieden.
• „Server ist ein besonderes Gerät.“ Server ist zuerst eine Rolle. Auch ein normaler PC kann Server sein, wenn er einen Dienst anbietet.
• „Mehr Mbit/s heißt immer schneller.“ Die Bandbreite sagt nur, wie viel gleichzeitig durchpasst. Wie schnell eine einzelne Antwort ankommt, bestimmt die Latenz.

Zum Üben

1. Nenne vier Aufgaben, die ein Computernetzwerk erfüllt.
2. Was ist der Unterschied zwischen einem Client-Server-Netz und einem Peer-to-Peer-Netz? Nenne je ein Beispiel.
3. Welche Topologie ist in Büronetzen am verbreitetsten, und welche Schwachstelle hat sie?
4. Eine Datei mit 6 MB wird in Paketen mit je 1.460 Byte Nutzdaten verschickt. Wie viele Pakete sind das ungefähr?
5. Wie viele MB/s entsprechen 1 Gbit/s?
6. Wie lang darf ein Twisted-Pair-Kabel zwischen Switch und Endgerät bei Ethernet höchstens sein?

Lösungen: (1) Zum Beispiel Ressourcen teilen, kommunizieren, Dienste zentral bereitstellen, zentral verwalten und sichern, Internetzugang bieten. (2) Beim Client-Server-Netz bieten zentrale Server Dienste an und Clients nutzen sie, zum Beispiel ein Firmennetz mit Dateiserver. Beim Peer-to-Peer-Netz sind alle Geräte gleichberechtigt, zum Beispiel zwei Rechner mit freigegebenen Ordnern. (3) Der Stern. Fällt der zentrale Switch aus, ist das ganze Netz betroffen. (4) 6.000.000 ÷ 1.460 ≈ 4.110 Pakete. (5) 1.000 Mbit/s ÷ 8 = 125 MB/s. (6) 100 m.

Das solltest du dir merken

• Ein Computernetzwerk verbindet Geräte, damit sie nach gemeinsamen Regeln Daten austauschen. Die Regeln heißen Protokolle.
• Zu einem Netzwerk gehören Endgeräte, Netzwerkgeräte, Übertragungsmedien, Protokolle und Adressen.
• Server und Client sind Rollen. Der Server bietet einen Dienst an, der Client nutzt ihn.
• Daten werden in Pakete zerlegt, die jeweils Absender, Empfänger und Nummer tragen.
• Die Sterntopologie ist heute Standard. Ihr Schwachpunkt ist der zentrale Switch.
• Bandbreite wird in Bit pro Sekunde angegeben, die Latenz in Millisekunden.

Damit hast du das Grundgerüst. Im nächsten Beitrag unterscheiden wir Netzwerke nach ihrer Reichweite und ihrer Art, also nach lokal, kabellos und weltweit: LAN, WLAN und WAN.