Wie funktioniert das Internet? Rechnernetze und IT-Netzwerke

Ausgerüstet mit einem guten Fundament an Grundlagenwissen, können wir mit der ersten Schicht des TCP/IP-Referenzmodells oder ISO-OSI-Referenzmodells, der Bitübertragungsschicht, beginnen. Dabei starten wir mit den Aufgaben dieser.

Die Aufgabe der Bitübertragungsschicht ist es, digitale Rechtecksignale in analoge elektromagnetische Signale umzuwandeln. Das Video stellt uns die benötigten Kenngrößen für dieses physikalische Kapitel vor.

Jeder Übertragungskanal hat mit einem thermischen Rauschen zu kämpfen, welches durch Molekülbewegung entsteht. Damit wir unsere schon behandelten Kenngrößen darauf einstellen können, müssen wir uns etwas passendes ausdenken. 

Damit wir unsere Bits auch in die entsprechenden elektromagnetischen Signale umwandeln können, brauchen wir die digitale Modulation. Außerdem ist es auch hilfreich, die zu verschickenden Daten vorher zu kodieren, damit wir spezielle Features integrieren können.

Jetzt fehlen uns noch physische Übertragungskanäle, auf denen wir letztendlich auch unsere frisch generierten, analogen Signale versenden können. In diesem Video stellen wir kabelgebundene Übertragungsmedien wie Lichtwellenleiter, Koaxialkabel oder Twisted-Pair-Kabel vor, aber auch drahtlose Übertragungsmedien.

Es ist gar nicht so unwahrscheinlich, dass mehrere Geräte den selben Übertragungskanal nutzen wollen. Da wir auch für diesen Fall gewappnet sein müssen, werfen wir einen genaueren Blick auf die Mehrfachnutzung von physischen Medien und gehen dabei auch auf die Übertragungsrichtung ein.

Hier wird die PDF zum Kapitel "Bitübertragungsschicht" bereitgestellt.

Sobald mehrere Geräte auf einer Frequenz senden, kann es passieren, dass sich die Signale überlagern und die dadurch entstehende Kollision dieser, die Nachricht zerstört. Wir benötigen also ein System, welches diesen Sachverhalt entgegenwirkt.

Das im letzen Video besprochene Aloha-Verfahren scheint nicht perfekt zu sein und wirkt den Kollisionen nur unbefriedigend entgegen. Resultierend aus dieser Erkenntnis wollen wir uns eine Erweiterung der Methodik anschauen, welche durch einen kleinen Trick die Kollisionswahrscheinlichkeit halbiert.

Bisher haben wir nur die Kollisionsbehandlung bei drahtlosen Systemen betrachtet. Allerdings ist auch die kabelgebundene Übertragung von Kollisionen der Signale betroffen. Hier kommt CSMA ins Spiel.

Damit bei unserem Datentransport keine Probleme auftreten, werden die Nutzdaten vorher verpackt. Diese Verpackung wird als Rahmen oder Frame bezeichnet und wird vom Ethernet-Protokoll festgelegt.

Schon im letzten Video haben wir gemerkt, dass die unterschiedlichen Ethernet-Technologien teilweise zu Problemen führen können. Ab diesem Punkt könnte es sinnvoll sein Switches einzuführen und über deren Aufgaben zu sprechen.

Sobald Switches an den Punkt kommen Nachrichten weiterleiten zu müssen, brauchen sie einen Leitpfad, welcher ihnen sagt, was sie konkret zu tun haben. Routing-Tabellen helfen Switches die eingehenden Nachrichten richtig zu verteilen.

Switches fluten (broadcasten) das weiterzuleitende Datenpaket, sobald sie nicht wissen, wo sich der Zielhost befindet. Dabei leiten sie die Daten an alle Ausgänge weiter. Um hier Problemen präventiv aus dem Weg zu gehen, nutzen wir einen Spannbaum oder Spanning-Tree.

Nun können wir die Funktion von Switches gut einordnen und den Nutzen erkennen. Ab diesem Punkt ist es sinnvoll, auch über die unterschiedlichen Arten der Switches zu sprechen zu kommen.

Die kommenden drei Videos gewähren uns einen kleinen Einblick über die gängigen Möglichkeiten drahtlos zu kommunizieren. Dabei wollen wir mit den Übertragungsmöglichkeiten mit der geringsten Entfernung/Reichweite anfangen.

Während das letzte Video Techniken wie Bluetooth, RFID und NFC mit einer geringen Entfernung/Reichweite behandelt hat, wird es Zeit für uns, auch mal die bekannteste drahtlose Übertragungstechnologie anzureißen, WLAN.

In diesem Video wollen wir einen Blick über den Tellerrand werfen und uns eine drahtlose Übertragungstechnik angucken, welche sogar eine ganze Stadt erreichen kann. WiiMAX erschließt drahtlos Gebiete, welche mit einem Kabel schwer anzubinden sind.

Hier wird die PDF zum Kapitel "Netztechnologien" bereitgestellt.

Nachdem wir alle wichtigen Grundlagen für die Sicherungsschicht gesammelt haben, können wir nun mit der zweiten Schicht des TCP/IP-Referenzmodells starten. Hier klären wir als Erstes ein Problem, welches auftritt, wenn der Rahmenbegrenzer (zeigt den Beginn und das Ende eines Rahmens/Frames an)  in den Nutzdaten auftaucht.

Eine der großen Aufgaben der Sicherungsschicht ist es, auftretende Fehler in den übertragenen Daten zu erkennen und gegebenenfalls zu beheben. Das Thema der Fehlerbehandlung wird mit diesem Video eingeleitet.

Das erste Verfahren, welches wir zur Fehlerbehandlung kennenlernen wollen, ist die Hamming-Distanz. Diese einfache Technik vereinfacht uns den Einstieg in das komplexe Thema.

Die Paritätssicherung ist ein deutlich komplizierterer Weg, um Fehler in den Daten zu erkennen. Allerdings ist sie nicht so aufwendig zu realisieren, wie die Hamming-Distanz.

Heutzutage greifen wir eigentlich nur noch zum CRC-Verfahren, um unsere übertragenen Daten auf Fehler zu prüfen. Das Video zeigt Schritt für Schritt, wie die Methodik angewendet werden muss, damit wir mögliche Fehler bei unseren Daten erkennen können.

Die Sicherungsschicht nutzt ein Protokoll (Sicherungsprotokoll) um mit der gegenüberliegenden (beim Empfänger) Sicherungsschicht zu kommunizieren. Dieses Video bietet eine kleine Einführung in das Thema Protokolle, auf welches wir in den nächsten Videos eingehen werden.

Das erste Sicherungsprotokoll, welches wir kennenlernen wollen, heißt Stop-and-Wait-Protokoll. Dieses ist eher einfach aufgebaut und ermöglicht dem Sender eine fehlerfreie Kommunikation mit dem Empfänger.

Das schon kennengelernte Stop-and-Wait-Protokoll garantiert uns zwar eine fehlerfreie Datenübertragung, aber allerdings keine effiziente. Genau deswegen führen wir mit diesem Video das Schiebefensterprotokoll ein, welches wir in verschiedenen Ausführungen betrachten wollen.

Jedes internetfähige Gerät besitzt eine Ethernet-Adresse, welche dieses eindeutig beschreibt. Da es bei der Datenübertragung auf der Sicherungsschicht wichtig ist, dass wir die jeweiligen Endpunkte auch korrekt adressieren können, führen wir mit diesem Video die sogenannte MAC-Adresse ein.

Hier wird die PDF zum Kapitel "Sicherungsschicht" bereitgestellt.

Wir sind auf der dritten Schicht des TCP/IP-Referenzmodells angekommen, der Vermittlungsschicht. Mit diesem Video wollen wir uns einen kleinen Überblick über den Sachverhalt verschaffen.

Bevor wir richtig mit der Vermittlungsschicht beginnen, lohnt es sich einen kleinen Abstecher in die Unterteilung der Dienste zu wagen. Wir unterscheiden hier in Verbindungsorientierte und Verbindungslose Dienste.

Dienstgüte soll zwar kein elementares Thema des Kurses darstellen, aber trotzdem ist es ganz interessant mal etwas davon gehört zu haben und es damit richtig einordnen zu können.

In diesem Video lernen wir, dass es viele verschiedene Netze gibt, welche meist inkompatibel sind. Um es trotzdem zu schaffen, dass sich diese unterschiedlichen Netze verbinden können, nutzen wir Router.

Bisher haben wir angenommen, dass die Pakete den Weg von der Quelle zum Ziel immer automatisch finden. Allerdings ist das nicht so einfach. Das große Thema "Wegewahlverfahren" soll mit diesem Video eröffnet werden.

Das Open-Shortest-Path-First oder abgekürzt OSPF ist ein Protokoll, welches den kürzesten Weg von A nach B findet. Um den kürzesten Weg zu berechnen, tauschen die Router des Netzes regelmäßig Informationen miteinander aus.

Damit das OSPF-Protokoll den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten auch ordnungsgemäß ermitteln kann, wird es von Dijkstra unterstützt. Dijkstra ist dabei ein Algorithmus, welcher den kürzesten Weg zwischen zwei Knoten eines Graphen (mathematische Struktur) berechnen kann. In diesem Video lernen wir die korrekte Ausführung des Dijkstra-Algorithmus.

Welche Rolle spielt die Vermittlungsschicht im Kontext des TCP/IP-Referenzmodells und wie transformiert (kapselt) sie die erhaltenen Daten der Transportschicht? Mit diesem Video verschaffen wir uns einen Überblick über die aktuelle Lage.

Die Vermittlungsschicht hängt einen IP-Header an das Segment der Transportschicht und bildet damit ein Paket, welches an die Sicherungsschicht übergeben wird. Das Video zeigt uns den konkreten Aufbau eines IPv4-Headers (ein IP-Header der 4. Version).

Im IPv4-Header haben wir die sogenannte IP-Adresse das erste Mal gesehen. Wie wir mit dieser IP-Adresse Adressieren können und wie diese Adresse aufgebaut ist, lernen wir in diesem Video.

IP-Adressen sind eine sehr rare Ressource und genau aus diesem Grund müssen wir Verfahren entwickeln, die die Knappheit der IP-Adressen umgehen kann. Mit NAT wollen wir eine Möglichkeit vorstellen, welche IP-Adressen besser ausnutzt.

Bisher haben wir nur von IPv4, also von der 4. Version von IP, gesprochen. Der Vollständigkeit halber, werden wir uns in kurzer Fassung die 6. Version, also IPv6, von IP in diesem Video angucken.

Der Kurs versucht den Teilnehmern so präzise wie möglich zu erklären, wie das Internet (aber auch alle anderen Netze) aufgebaut ist und wie es funktioniert. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es nicht zwingend notwendig IPv6 in allen Formen zu verstehen. Ich weiß das Thema ist sehr aktuell und es gehört irgendwie dazu. Allerdings habe ich mich bewusst dagegen entschieden IPv6 ausführlich einzubringen, um keine weitere Verwirrung zu stiften und die Einfachheit des Kurses weiterhin gewährleisten zu können.

Ausgerüstet mit dem Wissen über IP-Adressen und Wegewahlverfahren, können wir uns nun mit dem IP-Routing beschäftigen. Wir wollen uns also konkret angucken, wie sich die einzelnen Pakete ihren Weg durch das Netz bahnen.

Das im letzten Video besprochene IP-Routing, soll in diesem Video mit einem abschließenden Beispiel nochmal wiederholt und gefestigt werden.

MPLS oder Multiprotocol Label Switching ist ein Transportmechanismus, welcher das Weiterleiten von Datenpaketen beschleunigt. Wie MPLS im Detail funktioniert, klärt dieses Video.

Im Internet sind wir nie alleine unterwegs und so kann es auch mal vorkommen, dass viele Teilnehmer gleichzeitig senden. Die dadurch entstehende Datenflut kann mitunter so groß werden, dass die weiterleitenden Router unter der Last zusammenbrechen oder Staus entstehen. Hier müssen wir eingreifen.

Unterstützend zu IP, nutzen wir das ein oder andere Hilfsprotokoll, welches uns das Leben erleichtert.  Zuerst wollen wir uns dabei ICMP angucken, das für den schnellen Informationsaustausch von Router zu Sender benötigt wird.

Das zweite Steuerprotokoll, welches wir betrachten wollen, heißt ARP. Verschicken wir ein Datenpaket, so erhält es zur Adressierung die IP-Adresse des Ziels, damit die einzelnen Router es gemäß dieser weiterleiten können. Starten wir allerdings mit der Kommunikation, so stellen wir fest, dass wir auf ein Problem stoßen.

Das letzte Steuerprotokoll, welches wir uns angucken wollen, wird als DHCP bezeichnet. Dieses nutzen wir, um unseren einzelnen Rechnern eine gültige IP-Adresse zuweisen zu können.

Hier wird die PDF zum Kapitel "Vermittlungsschicht" bereitgestellt.

Angekommen auf der Transportschicht, müssen wir uns erst einmal die Frage stellen, warum wir diese überhaupt benötigen. Im gleichen Atemzug gehen wir auch genauer auf die einzelnen Aufgaben der Transportschicht ein.

Im Wesentlichen unterscheiden wir zwischen zwei großen Transportprotokollen, UDP und TCP. Wir wollen es uns leicht machen und starten mit dem simplen UDP.

Wie wir im letzten Video schon gesehen haben, leistet UDP nicht sonderlich viel. Allerdings bietet es uns die Möglichkeit, weitere Protokolle auf UDP, als Erweiterung, aufzusetzen. Das Echtzeittransportprotokoll RTP ist so eine Erweiterung, welche wir in diesem Video genauer vorstellen wollen.

Fordern wir Funktionen, welche das einfache UDP nicht bietet, so greifen wir zu dem deutlich komplexeren TCP. Dieses Video stellt TCP mit seinen Aufgaben kurz vor und führt damit in das Thema ein.

Ein wichtiger Unterschied zwischen UDP und TCP ist es, dass TCP vorher eine Verbindung zum Kommunikationspartner aufbauen muss. Erst nachdem die Verbindung aufgebaut wurde, kann der Datenaustausch beginnen. Wie wir eine Verbindung aufbauen, sehen wir in diesem Video.

Im letzten Video haben wir den Verbindungsaufbau mittels des Dreiwege-Handshakes begutachtet. Sobald wir unsere Daten mit unserem Partner ausgetauscht haben, geben wir die Verbindung frei und bauen sie damit ab. Wie dies konkret geschieht, stellen wir in diesem Video vor.

Das Thema Dienstgüte wurde in der Vermittlungsschicht schon kurz angerissen. Jetzt wollen wir uns angucken, wie wir die Dienstgüte mittels TCP realisieren können.

Da wir uns immer noch über TCP unterhalten, ist es auch notwendig einen genaueren Blick auf den TCP-Header zu werfen. In diesem Video wollen wir den TCP-Header auf seine einzelnen Bestandteile herunterbrechen und erklären.

Auch die Überlastüberwachung wurde schon auf der Vermittlungsschicht besprochen. Allerdings wollen wir uns nun eine konkrete Implementierung dieser anschauen.

Um abschließend einen Überblick über das Gelernte zu erhalten, wollen wir mal Revue passieren lassen, was wir zu TCP bisher alles behandelt haben. Die verschiedenen Themen sollen mit diesem Beispiel nochmal verinnerlicht werden.

Hier wird die PDF zum Kapitel "Transportschicht" bereitgestellt.

Nun sind wir auf der Anwendungsschicht angekommen, welche für uns nützliche Dienste bereitstellt. Schließlich haben wir uns bisher noch nie gefragt, wie wir die passenden IP-Adressen zu den einzelnen Webseitennamen erhalten. Mit DNS wollen wir in diesem Video diese Frage ein für alle Mal klären.

Nachdem wir im letzen Video das Prinzip verstanden haben, was DNS zu erledigen hat, können wir nun auf die konkrete Implementierung dieses Internetdienstes eingehen. Dabei wollen wir uns eine Beispiel-DNS-Anfrage genauer angucken und behandeln dabei, welche Schritte diese einzeln durchlaufen muss.

Ein weiterer Internetdienst, welcher oft falsch verwendet wird, ist WWW. Damit endgültig die Falschverwendung dieses Begriffs beseitigt wird, klären wir in diesem Video, was sich hinter WWW versteckt.

Nachdem wir WWW nun richtig einordnen können, ist es an der Zeit die einhergehende URL genauer zu durchleuchten.

Ein Bestandteil der eben behandelten URL, ist das Übertragungs-Protokoll. Damit wir darunter etwas verstehen können, erklären wir den Begriff genauer, indem wir ein konkretes Übertragungs-Protokoll, HTTP, vorstellen.

Von dem Begriff Cookie wird wohl jeder schonmal etwas gehört haben. Wie ein Cookie aufgebaut ist, wo er gespeichert wird, und wie man mit ihm personalisierte Werbung angezeigt bekommt, erfahren wir in diesem Video.

Nun sind wir am Ende unseres Kurses angelangt. In dem letzten Video blicken wir nochmal auf das Gelernte zurück und fassen es kurz zusammen.

Ich bedanke mich bei allen Teilnehmern dieses Kurses. Bitte hinterlasst doch gerne Feedback. Dabei ist es egal ob positives oder negatives Feedback. Es würde mich freuen, wenn ihr diesen Kurs bewertet, aber seid ehrlich!

Hier wird die PDF zum Kapitel "Anwendungsschicht" bereitgestellt.