Netze

Dieser Teilbereich des „IT-Forums“ versucht, die Grundlagen zum Verständnis der Funktionsweise von vernetzten Systemen zu legen. Die Module sind so aufgebaut, dass jedes für sich autark ist.
Wer allerdings mit den Basics wie z.B. mit den Einheiten Mbit oder IP-Adresse besitzt, sollte vielleicht die kompletten Beiträge zumindest einmal anschauen.

Begonnen wird mit dem „Urschleim“ der Übertragungstechnik, einer Erläuterung der wichtigsten Begriffe, hin zum Topologie-Begriff, um schnell auf die Netzwerktechnik der Gegenwart zu kommen.

Auch dieses „Kompendium“ wird weiter wachsen und wird stets aktualisiert. Sollten Sie Fehler finden, wird darum gebeten, diese per Mail zu benennen, so dass zeitnah eine Korrektur erfolgen kann.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen der Signaltechnik

Informationen werden durch Signale übertragen. Unter einem Signal versteht man daher die physikalische Darstellung einer Information z.B. durch Schallwellen , Spannungsveränderungen, Lichtimpulse, Stromänderungen. Auch die Rauchzeichen der amerikanischen Ureinwohner fallen unter den Signalbegriff.

Es werden in der Nachrichtentechnik prinzipiell zwei Arten von Signalen unterschieden, analoge und digitale Signale.

Unter einem „analogen“ Signal kann ein beliebiger Wert innerhalb eines definierten Bereichs, z.B. bei Aufnahmen mit Hilfe eines Tonbandgerätes verstanden werden.

Digitale Signale hingegen sind diskrete Werte innerhalb vorgegebener Stufen, z.B. 0 oder 1.

Dummy bis richtige Datei erzeugt ist
Abbildung 1
Dummy bis richtige Datei erzeugt ist
Abbildung 2

Abbildung 1: Analoge Signale, als ein beliebiger Wert innerhalb eines definierten Bereichs, z.B. bei Aufnahmen mit Hilfe eines Tonbandgerätes.

Abbildung 2:  Grafische Darstellung digitaler Signale als diskrete Werte innerhalb vorgegebener Stufen, z.B. 0 oder 1 in einem fest vorgegebenen Spannungsbereich.

Die wichtigsten Fachbegriffe und Einheiten

An dieser Stelle werden die wichtigsten Fachbegriffe und Einheiten kurz erläutert, allerdings ohne Anspruch auf Vollständigkeit:

  • Zeichen: Signal mit eindeutigem Informationsgehalt (z.B. „Telefon klingelt“)
  • Code: Die festgelegte physikalische Darstellung eines Zeichens (so z.B. der Übergang von Low-Pegel zu High-Pegel im Manchester-Code)
  • Bit: 1 Bit ist ein zweiwertiges Zeichen, 1 bit ist die Einheit
  • 1 Byte umfasst eine Gruppe von 8 Bit
  • Übertragungsgeschwindigkeit (Bitrate): Bit pro Zeiteinheit, Einheit: bit/sec bzw. bit/s
  • Kilobit: 1 kilobit = 103 bits = 1000 bits


Die Vorsilbe Kilo wird in der Informatik und der Informationstechnologie häufig mit der Bedeutung der Multiplikation mit 1024 statt mit 1000 verwendet, im Gegensatz zu den internationalen Standards, in Verbindung mit der Basiseinheit Byte und Bit, die in diesem Fall als Ki- mit einem großen K zu schreiben ist, z.B. 1 Kibit = 1024 Bit. Die dezimale SI-Definition, 1 kbit/s = 1000 bit/s, wird nun einheitlich im Zusammenhang mit Übertragungsgeschwindigkeiten in der Telekommunikation verwendet.

  • Megabit: 1 Megabit = 10⁶bit = 1000000bit = 1000 Kilobit = 1000 kb


Nicht verwechseln Mbit/s und  MHz (Anzahl der Schwingungen, Frequenz)!

  • Megabyte: Die Einheit Megabyte wird üblicherweise für 10002 (eine Million) Bytes oder 10242 Bytes verwendet. Die Verwendung der Basis 1024 hat ihren Ursprung im Fachjargon für die Byte-Vielfachen, die durch die Potenzen von 2 ausgedrückt werden mussten, für die es aber keinen geeigneten Namen gab. Da 1024 (210) annähernd 1000 (103) entspricht, was in etwa dem SI-Präfix Kilo entspricht, war dies ein geeigneter Begriff für die Bezeichnung des binären Vielfachen. Im Jahr 1998 schlug die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) Standards für binäre Präfixe vor, die die Verwendung von Megabyte für 10002 Byte und Mebibyte für 10242 Byte vorschrieben. Bis Ende 2009 wurde die IEC-Norm von IEEE, EU, ISO und NIST übernommen. Dennoch wird der Begriff Megabyte weiterhin mit unterschiedlichen Bedeutungen verwendet.
    Das hat Auswirkungen auf die Angaben bei der Speicherkapazität. Microsoft verwendet für Windows die Basis 2, der Apple-File-Manager die Basis 10. Angaben von Speicherherstellern variieren ebenfalls.
  • Schritt: Kleinste systemtechnisch realisierbare Zeiteinheit
  • Schrittgeschwindigkeit: Anzahl der Schritte pro Zeiteinheit in baud = bit/s


Nur wenn 1 baud = 1 bit/s,  sonst gilt: baud ≠ bit
Die Einheit baud wurde (und wird) für die Übertragungsgeschwindigkeit bei Faxgeräten verwendet.

Der Übertragungskanal ist der Kommunikationsweg, z.B. der Frequenzbereich innerhalb eines Kabels oder einer Funkstrecke oder
bestimmte Zeiteinheiten im selben Frequenzbereich.

Basisband (baseband): Frequenzbereich eines Signals in dem jenes entstanden ist;

Basisbandübertragung: Übertragung des Signals in eigenem Frequenzbereich;

Breitbandübertragung: Übertragung verschiedener Signale in verschiedenen Frequenzbereichen (z.B. Rundfunkübertragung).

Verbindungs- und Betriebsarten

Folgende Verbindungsarten werden unterschieden:

  • Simplexverbindung; z.B. klingelndes Telefon;
  • Halbduplexverbindung; z.B. Walkie Talkies, ein Gesprächspartner kann reden, der oder die andere nur lauschen;
  • Vollduplexverbindung; Telefongespräch;
  • Dualdupleverbindung; wie Vollduplexverbindung mit gemeinsamen Leiter.


Folgende Betriebsarten werden unterschieden:

  • Synchroner Betrieb: Sender u. Empfänger besitzen gleichen Takt;
  • Asynchroner Betrieb: kein gemeinsamer Zeittakt, einzelne Taktgeber werden durch spezielles Startbit synchronisiert;
  • Isochrone Übertragung: Übertragung ohne Unterbrechung.

Kabel- und FunkStandards

Wenn von „schnellen Verbindungen“ gesprochen wird, so lohnt sich ein kleiner Abstecher zu den Medien, über die Geräte verbunden sind. Grob unterscheidet man neben den Funklösungen (WLAN und Mobilfunknetze), auf die ananderer Stelle noch einmal eingegangen wird, Leitungen auf Kupfer- oder Glasfaserbasis.
Hier soll keine Kabelkunde betrieben werden, daher gibt es nur eine kurze Aufzählung der bekanntesten Kabeltypen auf Kupferbasis und die wichtigsten Bezeichnungen / Kenngößen:

  • Koaxialkabel oder kurz Koaxkabel wie man Sie von den immer noch gebräuchlichen Antennenkabeln kennt, wurden lange Zeit zur Verbindung von Rechnern untereinander (LAN) verwendet. ein starrer, unflexibler sog. „Thin Wire“ wird von einem Geflechtschirm umgeben. Auch heute noch können Netzwerksignale mit bis zu 100 Mbit/s über Koaxialkabel übertragen werden. wenn z.B. die alte Antennenverteilung im Haus genutzt werden kann oder muss. Dafür wird allerdings entsprechende Hardware genutzt, um das Signal zu modulieren. Einige Internetanbieter bieten einen Zugang ebenfalls über die vorhandenen Koaxialkabel an. Dennoch ist dieser Kabeltyp für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten nicht geeignet und zukunftsträchtig, da der Signalwiderstand, die Signaldämpfung sowie Reflexionen technische Grenzen setzen. Für zukünftige Anwendungen sollte man nicht auf diese Kabeltypen bauen.

  • Handelsüblich und weit verbreitet sind sog. Paralleldrahtleitungen. Die einfachste Form der Paralleldrahtleitung ist das Telefonkabel. Über kurze Distanzen könnte dies tatsächlich verwendet werden, um Übertragungen bis ca. 100 Mbit/s zu realisieren, z.B. wenn eine „richtige“ Verkabelung nicht exisitiert. Mit dieser Übertragungsrate könnte man sogar 4K-TV empfangen.

  • Um Laufzeitverzögerungen zu vermeiden und den Widerstand zu reduzieren, werden die 8 Adern eines Netzwerkkabels paarweise miteinander verdrillt, um das elektrische Feld, welches sich wie beim Telefonkabel zwischen geraden Leitern aufbaut, zu neutralisieren. Heutzutage werden die paarweise verdrillten Adern mit einer Folie zusätzlich zu den anderen Aderpaaren abgeschirmt. Eine zusätzliche Folie um alle Aderpaare und die halogenfreie Außenhaut des Netzwerkkabels macht mittlerweile ein gutes sog. „Shielded Twisted Pair“ Kabel aus. Diese Kabel gibt es in den unterschiedlichen Ausführungen und werden mit dem CAT– oder Kategorie-Standard klassifiziert. Heutzutage sollte man gleich mindestens zu einem CAT 7 Standard greifen. Ältere Kabeltypen funktionieren bis CAT 5 in kleinen Netzwerken aber auch noch hinreichend.

  • Die Verwendung von Lichtwellenleitern bietet Vorteile:
    1. keine elektromagnetische Beeinflussung
    2. frei von Nebensprechen
    3. höhere Abhörsicherheit
    4. große Übertragungsbandbreiten
    5. größere Leitungslängen als bei Kupferdatenleitungen ohne Zwischenverstärker
    6. geringes Gewicht
    7. oft sogar günstige


Der Aufbau von Lichtwellenleitern (LWL) ist mitnichten immer gleich. Der Kern des Lichtleiters besteht aus Glas und wird umgeben von einem weiteren Glasmantel und einer schützenden Primärschicht aus Kunststoff. Daüber befinden sich weitere Hüllen.

Um jetzt nicht zu sehr in die Physik einzusteigen, soll als Erklärung reichen, dass der Brechungsindex des Kerns höher als der Brechungsindex des Mantels ist und dadurch schräg einfallendes Licht innerhalb des Kerns reflektiert wird. Dadurch beschreibt der Lichtstrahl einen „Zickzack-Kurs“ durch den Glaskern bzw. in sog. Stufenindexfasern.

In sog. Gradientenfasern ändert sich der Brechungsindex fließend vom Kern zum Mantel. Dadurch beschreiben die Strahlenverläufe Bögen und die Lichtstrahlen bewegen sich schneller durch die Faser, was zu niedrigen Laufzeitverzögerungen führt.

Lichtleiter sind sehr dünn. Multimodefasern haben eine Dicke von 125 μm (menschliches Kopfhaar 85 μm – 135 μm). Die Lichteinspeisung erfolgt mit Leuchtdioden, bei Gigabit Ethernet mit Laser.

DIe Übertragung auf LWL ermöglicht das gleichzeiteige Senden von Signalen auf unterschiedlichen Wellenlängen, in sog. optischen Fenstern in Bereichen von ca. λ = 850 nm bis λ = 1625 nm. Zum Vergleich: Das Licht im sichtbaren Bereich hat ein Spektrum zwischen 380 nm bis 780 nm.