Heimnetzwerke (Teil 1)

Mittlerweile sammeln sich im Haushalt immer mehr netzwerkfähige Gerät an. Wo früher neben einem Router meist nur ein PC sein Dasein fristete, steht nun ein ganzer Gerätepark zur Verfügung.

Neben dem Smartphone und dem Tablet werkelt noch ein Laptop vor sich hin. Der neue Smart-TV hat einen Netzwerkanschluss, ebenso der Blue-Ray-Player und die Stereoanlage. Alles ist mit jedem vernetzt, und alle möchten gemeinsame Ressourcen wie Drucker und Speicherplatz nutzen.

Das gerade auf dem Smartphone angeschaute Video soll für die versammelte Familie auf dem Smart-TV wiedergegeben werden, die heimische Musiksammlung spielt im Zimmer der Tochter vom Laptop, während im Wohnzimmer die Stereoanlage ebenfalls auf die Sammlung zugreifen kann.

Die Fotos vom letzten Urlaub werden auf dem Laptop nachbearbeitet, damit am Abend in gemütlicher Runde die Fotos auf dem Smart-TV der Verwandtschaft präsentiert werden können – ein moderner Dia-Abend ohne Projektor und Leinwand. Vom Aufwand des Dia-Projektor- und Leinwandaufbauens können vermutlich auch nur noch die Älteren erzählen.

Wie das alles zusammenspielt und wie man selber in die Lage versetzt wird, eben diese Funktionen zu steuern und einzurichten, davon handelt dieser Kurs. Um zu verstehen, wie sich die einzelnen Systeme untereinander verständigen müssen wir zuerst die in die Tiefen des TCP/IP-Protokolls abtauchen.

Netzwerk-Hardware

Vorher sollte jedoch erst einmal die physikalische Verbindung der im Netzwerk befindlichen Komponenten geklärt werden. Denn bevor die Geräte untereinander Daten austauschen können, müssen sie miteinander verbunden werden. Diese Verbindung kann über Kupferkabel, Lichtwellenleiter und Funk erfolgen. Im Heimnetzwerkwerk spielt die Verbindung über Lichtwellenleiter (Glasfaserkabel) eine eher untergeordnete Rolle, den Schwerpunkt stellt die Verbindung über Kupferkabel und Wireless LAN (Funk) dar.

Als Verbindungstyp ist heute flächendeckend Ethernet mit Twisted-Pair Kupfer-Kabeln verbreitet. Früher wurde Ethernet auch mit Koaxialkabeln vom Typ RG58 und RG8 genutzt, diese sind allerdings nur bis zu einer Übertragungsrate bis 10MBit/s definiert.

Twisted Pair Ethernetkabel mit RJ45-Steckern
Twisted Pair Ethernetkabel mit RJ45-Steckern

 

Ab einer Übertragungsrate von 100 MBit/s kommen nur noch Twisted-Pair-Kabel mit achtpoligem RJ45-Stecker zum Einsatz. Für die Übertragung mit einer Geschwindigkeit von 10 oder 100 MBit/s werden vier Adern (zwei verdrillte Doppeladern) benötigt. Ein Adernpaar (Pin 1+2) ist für die Senderichtung, ein weiteres Adernpaar (Pin 3+6) ist für die Empfangsrichtung zuständig.

Bei den zur Verbindung genutzten Patchkabeln sind die Adern 1:1 in den Steckern belegt. Diese Belegung wird bei einer Verbindung zu einem Hub oder Switch benötigt. Werden jedoch zum Beispiel zwei Computer mit einem Patchkabel direkt verbunden, so werden jeweils die Anschlüsse zum Senden (Pin 1+2) sowie die zum Empfang (Pin 3+6) miteinander verbunden. Dadurch können die Computer nicht miteinander kommunizieren. Für diese Anwendung gibt es spezielle Cross-Over-Kabel, die die Pins über Kreuz miteinander verbinden, damit eine Rechnerkopplung möglich ist.

Mittlerweile erkennt die Netzwerkkarte oder der Switch jedoch, ob sie mit einem Kabel an einen Hub/Switch oder an einen anderen Computer angeschlossen sind und können ihre Belegung entsprechend anpassen (Auto-MDX).

Steckerbelegung RJ-45
Steckerbelegung RJ-45

 

Aktuell ist eine Übertragungsrate von 1 GBit/s über ein dann mit acht Adern voll belegtes Kabel. Dieses Kabel ist dann aufgeteilt in vier Doppeladern.

Bei einer bestehenden Netzwerkverkabelung (z.B. in einem Bürogebäude) ist diese im Normalfall komplett mit achtadrigem Verlegekabel ausgeführt, die Dosen sind auch vollständig beschaltet. Da für eine Übertragungsrate von 100 Mbit/s nur vier Adern benötigt werden, gibt es Splitter, die diese Leitung dann in zwei Anschlüsse aufteilen können. Damit kann dann zum Beispiel ein PC und ein Telefon an einer Wanddose betrieben werden.

Ethernet Splitter
Ethernet Splitter

 

Die Übertragung kann im Half- oder Full-Duplex-Mode erfolgen. Im Half-Duplex-Mode wird über das Netzwerkkabel entweder ein Datenpaket gesendet oder empfangen. Im Full-Duplex-Modus kann dagegen gleichzeitig gesendet und empfangen werden, die Übertragungsrate verdoppelt sich dadurch.

In aktuellen Geräten wird heutzutage meist eine Netzwerkschnittstelle mit 1 GBit/s Full-Duplex eingebaut, Geräte mit geringerer Geschwindigkeit sollten nicht mehr verwendet werden. Die Gründe dafür werde ich in einem späteren Kapitel erläutern.

Die Netzwerkkarte erkennt selbständig, mit welcher Geschwindigkeit sie mit dem anderen System kommunizieren kann (Auto-Neogation).  Diese Erkennung erfolgt im Allgemeinen sehr zuverlässig, in einzelnen Fällen kann es aber zu Problemen bei der Aushandlung kommen. In diesen Fällen schalten die beteiligten Geräte in den Half-Duplex-Modus um, was zu einer spürbaren Reduktion der Übertragungsgeschwindigkeit führt.

Die Verbindung der Geräte erfolgt dann sternförmig über einen zentralen Hub oder Switch. Diese unterscheiden sich auf der einen Seite durch die maximal unterstützte Geschwindigkeit (10 MBit/s, 100 MBit/s oder 1GBit/s) und durch ihren internen Aufbau.

Ein Hub ist im Prinzip nichts anderes als eine Mehrfachsteckdose. Dort sind alle Ports parallel miteinander verschaltet. Alle Ports eines Hubs können nur mit einer Geschwindigkeit arbeiten, entweder 10 MBit/s oder 100 MBit/s. Das Gerät mit der geringsten Geschwindigkeit bestimmt dabei die Geschwindigkeit, mit der der Hub arbeitet.

Da der Hub alle Gerät direkt miteinander verbindet (Steckdosenleiste), sind die Datenpakete, die im Netzwerk übertragen werden, an allen Anschlüssen vorhanden. Die Geräte müssen selber entscheiden, ob sie das empfangene Paket benötigen oder verwerfen können. Dadurch ist die an die einzelnen Geräte übertragene Datenmenge sehr hoch und das Netz wird stark belastet.

Außerdem kommt es zu Kollisionen im Netzwerk, wenn zum Beispiel zwei Geräte gleichzeitig Daten in das Netzwerk schicken (CSMA/CD). Wird so ein Zustand erkannt, so hören beide Sender auf, Pakete in Netz zu schicken und warten eine zufällige Zeitspanne ab, bevor sie erneut versuchen die Daten zu senden. Dies führt auch zu einer geringeren Übertragungsrate, da es immer wieder zu erneuten Übertragungen kommt.

 

Netzwerkswitch
Netzwerkswitch

 

Der Switch hingegen kennt die an seine Ports angeschlossenen Geräte anhand der MAC-Adresse der Netzwerkkarte. Dadurch kann der Switch die Datenpakte nur an die Geräte weiterreichen, die diese auch Empfangen sollen. Dies minimiert den Netzwerkverkehr auf den Leitungen zu den einzelnen Geräten und das Netzwerk arbeitet performanter. Die Schnittstellen der angeschlossenen Geräte können im Gegensatz zum Hub im Voll-Duplex-Modus betrieben werden (gleichzeitiges Senden und Empfangen), da der Switch eine Punkt- zu Punkt-Verbindung zweier Geräte herstellen kann. Dadurch werden die Kollisionen, die bei einem Hub vorkommen, verhindert und das Netzwerk arbeitet schneller.

Switche können zusätzliche Funktionen beinhalten wie zum Beispiel:
– Ports mit Fernspeisung (POE, Power-Over-Ethernet)
– VLAN-Tagging (virtuelle LAN-Segmente)
– Trunking (Zusammenfassung von Ports)
– Managementfunktionen

Der Einsatz eines Hubs kann heutzutage nicht mehr empfohlen werden, auch alle Geschwindigkeiten unterhalb von 1 GBit/s sollten auch im Heimnetzwerk bei Nutzung einer Kabelverbindung nicht mehr verwendet werden.

Neben Hubs und Switchen werden oft noch Bridges im Netzwerk eingesetzt. Eine Bridge verbindet zwei verschiedene Netzwerksegmente, zum Beispiel ein WLAN mit dem kabelgebundenen Netzwerk. Dabei handelt es sich nicht um verschiedene Netzwerke (diese verbindet ein Router), sondern um das gleiche Netzwerk, nur wird ein anderes Übertragungsmedium genutzt. Ein weiteres Beispiel für eine Bridge sind Power-LAN Adapter, die das Heimnetz über das Stromnetz erweitern.

Die Informationen zur Verbindung über WLAN werden in einem eigenen Kapitel behandelt.

 

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