Datenübertragung in Netzwerken

Heutzutage ist es für uns selbstverständlich, dass wir binnen kürzester Zeit Menschen auf der ganzen Welt über das Internet kontaktieren können. Inzwischen ist die Datenübertragung so schnell, dass wir ganze Filme und Serien bequem von zu Hause aus streamen können.

Aber wie funktioniert eigentlich die Datenübertragung in Netzwerken? Über welche Leitungen können Daten gesendet werden? Wie berechnet man die Datenübertragungsrate? Diese Fragen sind sehr wichtig, um zu verstehen, wie Daten in einem Netzwerk transportiert werden und beim entsprechenden Empfänger ankommen.

simpleclub erklärt dir, wie Daten in einem Netzwerk übertragen werden!

Datenübertragung in Netzwerken einfach erklärt

Um auf Daten zugreifen zu können, die nicht auf unserem Rechner gespeichert sind, sondern zum Beispiel in einer Cloud, müssen diese über mehrere Rechnernetzwerke übertragen werden. Diese Daten werden als physikalischen Signale weiterverarbeitet und von Netzwerkknoten zu Netzwerkknoten weitergeleitet, bis sie bei uns ankommen.

Um Daten zu transportieren, können verschiedene Netzwerkmedien wie zum Beispiel Kupferleitungen, Glasfaserkabel (Lichtwellenleiter) und Funkmedien zum Einsatz kommen. Hierbei sind Glasfaserkabel die teuerste Option, die aber sehr viele Vorteile mit sich bringt: größere Bandbreite, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Zusätzlich gibt es verschiedene Übertragungsarten, die von der Leitung abhängig sind, für die man sich entscheidet.

Zudem gibt es Netzwerkprotokolle, die klare Regeln für den Datenaustausch zwischen Computernetzen definieren. Ein bekanntes Protokoll der Vermittlungsschicht ist zum Beispiel das Internet Protokoll (kurz: IP), das den Transport von Datenpaketen über mehrere Netze regelt.

Datenübertragung Definition

Datenübertragung in Netzwerken Erklärung

Netzwerkmedien

Kupferkabel

Ein Kupferkabel ist ein elektrischer Leiter, der dafür zuständig ist, Elektroströme weiterzuleiten. Hierbei gibt es unter anderem sogenannte Twisted-Pair-Kabel und Koaxialkabel.

Twisted-Pair-Kabel bestehen aus verdrillten Adernpaaren, wobei jede Kupferader mit einem Plastikmantel isoliert ist. Die Adernpaare werden verdrillt, um das Aussenden von magnetischen Störstrahlungen zu verhindern. Twisted-Pair-Kabel kommen typischerweise bei der Telefontechnik zum Einsatz.

Koaxialkabel bestehen aus einem einzigen Innenleiter, der mit einem sogenannten Dielektrikum isoliert ist. Zusätzlich sorgt ein Außenleiter dafür, dass alle Störstrahlungen abgeschirmt werden. Koaxialkabel kommen häufig bei der Übertragung von Radar- und Rundfunksignalen zum Einsatz.

Glasfaserkabel

Ein Glasfaserkabel, oder auch Lichtwellenleiter genannt, besteht aus vielen dünnen Glasfasern, die zu einem Kabel gebündelt werden. Im Gegensatz zu Kupferkabeln, werden die Daten nicht mittels Elektronen übertragen, sondern mittels Photonen (Licht). Hierzu wandern die Lichtsignale annähernd in Lichtgeschwindigkeit durch die Glasfasern, bis sie beim Empfänger angekommen sind. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Singlemode-Fasern und Multimode-Fasern.

Singlemode-Fasern haben einen Kerndurchmesser von ca. 9\ \text{µm}$9\ \text{µm}$ und erlauben nur einen einzigen Lichtmodus. Dadurch, dass man keine konkurrierenden Lichtmodi hat, sind Singlemode-Fasern speziell für Datenübertragungen über längere Strecken geeignet.

Multimode-Fasern haben meistens einen Kerndurchmesser von 62,5\ \text{µm}$62,5\ \text{µm}$ oder 50\ \text{µm}$50\ \text{µm}$ und sind das genaue Gegenstück zu Singlemode-Fasern. Dadurch, dass der Faserkern viel größer ist, können mehrere Lichtmodi gleichzeitig durch das Kabel laufen. Multimode-Fasern kommen zum Einsatz, wenn Daten nur über eine kurze Strecke übertragen werden und eine hohe Bandbreite erwünscht ist.

Funkübertragung

Funk bezeichnet eine Übertragungsmethode, bei der Signale mithilfe von elektromagnetischen Strahlungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen drahtlos übertragen werden. Dadurch kann man für die Datenübertragung zwischen vielen verschiedenen Trägerfrequenzen auswählen und muss keine Kabel zwischen Sender und Empfänger verlegen. Ein Nachteil von Funktechnik ist jedoch, dass die Datenübertragung sehr leicht durch Störsender unmöglich gemacht werden kann.

Anwendungen der Funktechnik sind zum Beispiel:

• Rundfunk
• Flugfunk
• Mobiler Seefunkdienst
• Telemetrie (Übertragung von Messwerten)

Übertragungswege

Mit dem Übertragungsweg bezeichnet man die Anzahl an Informationseinheiten (Bits), die gleichzeitig über ein Übertragungskanal gesendet werden können. Hierbei unterscheidet man zwischen Parallelverbindungen und Serienverbindungen.

Mit Parallelverbindungen kann man gleichzeitig eine bestimmte Anzahl an x$x$ Bits über x$x$ verschiedene Übertragungswege (physische Leitungen) verschicken.

Mit Serienverbindungen werden die Daten Bit für Bit über eine physikalische Leitung verschickt, weswegen man bei einer großen Datenmenge deutlich mehr Zeit für die Datenübertragung bräuchte, als mit einer Parallelverbindung.

Übertragungsarten

Mit der Übertragungsart bezeichnet man die Austauschrichtung der Daten zwischen Sender und Empfänger. Hierbei unterscheidet man zwischen Simplex, Halbduplex und Vollduplex.

Bei einer Simplex-Verbindung, auch Richtungsbetrieb genannt, können die Daten nur in eine Richtung fließen. Das ist vorteilhaft, wenn man die Daten nur empfangen muss, ohne eine Antwort zurückschicken zu müssen, wie zum Beispiel bei Radioempfängern.

Bei einer Halbduplex-Verbindung, auch Wechselbetrieb genannt, können die Daten abwechselnd in die eine oder andere Richtung fließen, aber nicht gleichzeitig in beide. Eine Beispielanwendung dafür wären Funkgeräte (Walkie-Talkies).

Bei einer Vollduplex-Verbindung, auch Gegenbetrieb genannt, können die Daten gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden. Eine Beispielanwendung dafür wäre zum Beispiel das Telefon.

Multiplexverfahren

Multiplexverfahren bezeichnen Methoden, bei denen Signale entweder gebündelt oder zeitlich verschachtelt werden, um gemeinsam über ein entsprechendes Übertragungsmedium verschickt zu werden. Zu den verschiedenen Multiplexverfahren gehören unter anderem das Zeitmultiplexverfahren (kurz: TDM - Time Division Multiplexing) und das Frequenzmultiplexverfahren (kurz: FDM - Frequency Division Multiplexing).

Beim Time Division Multiplexing (kurz: TDM) werden die Signale zeitlich versetzt übertragen. Man kann die Signale über bestimmte Datenkanäle verschicken, wobei jeder Kanal einem bestimmten Zeitslot zugeordnet ist, wo ihm die gesamte Bandbreite des Übertragungsmediums zur Verfügung gestellt wird.

Beim Frequency Division Multiplexing (kurz: FDM) wird jedem Datenkanal eine bestimmte Trägerfrequenz zugeordnet. Somit können alle Daten unabhängig voneinander und zur gleichen Zeit übertragen werden.

Adressierungsarten

In einem Netzwerk gibt es grundsätzlich 4 verschiedene Arten, wie man andere Teilnehmer adressieren kann: Unicast, Multicast, Broadcast und Anycast.

Bei Unicast werden die Daten direkt von einem Sender an einen anderen Empfänger übertragen.

Bei Multicast werden die Daten von einem Sender an eine bestimmte Gruppe an Empfängern weitergeleitet.

Der Broadcast ist ein Spezialfall von Multicast, wo ein Sender die Daten an alle Teilnehmer eines Netzwerks überträgt.

Bei Anycast werden die Daten von einem Sender an einen Empfänger aus einer bestimmten Gruppe übertragen. Welcher Empfänger das genau ist, ist hier egal.

Netzwerkprotokolle

Netzwerkprotokolle definieren bestimmte Regeln und Standards für den Datenaustausch zwischen Computern in einem Rechnernetz. Bekannte Netzwerkprotokolle sind zum Beispiel Ethernet, IP, TCP und UDP.

Ethernet

Ethernet ist ein Protokoll, um verschiedene Geräte in einem geschlossenen Netzwerk miteinander zu verbinden. Hierbei werden zum Beispiel Kabeltypen oder andere Eigenschaften festgelegt. Man spricht auch von einem Ethernet-Kabel bzw. LAN-Kabel als Abkürzung für (Local Area Network)-Kabel.

IP

Das Internet Protokoll (kurz: IP) regelt die Vermittlung von Datenpaketen über mehrere Netzwerke. Hierbei basiert die Weiterleitung der Pakete auf IP-Adressen.

TCP

Das Transmission Control Protocol (kurz: TCP) ist ein verbindungsorientiertes Protokoll, das für eine gesicherte Ende-zu-Ende Verbindung zwischen den Geräten sorgt. Hierbei wird durch ein „Three-Way-Handshake“ sichergestellt, dass die Daten wirklich beim Empfänger ankommen, um Datenverluste zu verhindern. Zunächst schickt der Sender den Verbindungswunsch (SYN). Der Empfänger schickt eine Bestätigung (ACK) und äußert ebenfalls einen Verbindungswunsch (SYN). Danach bestätigt der Sender ebenfalls den Erhalt des Verbindungswunsches (ACK). Das führt aber dazu, dass die Datenübertragung bei TCP etwas langsamer ist.

UDP

Das User Datagram Protocol (kurz: UDP) ist ein verbindungsloses und ungesichertes Protokoll. Im Gegensatz zu TCP wird hier auf Senderseite nicht auf eine Empfangsbestätigung der Daten gewartet. Somit wird UDP hauptsächlich verwendet, wenn Datenverluste nicht sehr schlimm sind (zum Beispiel beim Videostreaming) und die Datenübertragung um einiges schneller sein soll.

Datenübertragungsrate

Die Datenübertragungsrate C$C$ (Capacity), auch Datendurchsatz genannt, bezeichnet in der Computertechnik die Datenmenge D$D$, die in einer bestimmten Zeit t$t$ über ein entsprechendes Medium übertragen werden kann.

Datenübertragung in Netzwerken Beispiele

Datenübertragungsrate berechnen

Kyra hat sich für ihre nächste Zugreise eine Serie mit 2\ \text{Gbit}$2\ \text{Gbit}$ Größe heruntergeladen. Nach 400\ \text{Sekunden}$400\ \text{Sekunden}$ wurde der Download abgeschlossen. Wie hoch ist die Datenübertragungsrate C$C$?

Lösung:

Gegeben sind D = 2\ \text{Gbit} = 2 \cdot 10^{9} \ \text{bit}$D = 2\ \text{Gbit} = 2 \cdot 10^{9} \ \text{bit}$ und t = 400 \ \text{s}$t = 400 \ \text{s}$.

Somit lässt sich die Datenübertragungsrate C$C$ wie folgt berechnen:

TCP und UDP in der Praxis

TCP wird dann gebraucht, wenn man unbedingt sicherstellen will, dass die Daten beim Empfänger angekommen sind. Das ist zum Beispiel häufig der Fall, wenn man E-Mails verschicken will.

UDP hingegen wird gebraucht, wenn ein kurzer Datenverlust nicht so schlimm ist und eine schnelle Datenübertragung wichtiger ist. Das ist zum Beispiel beim Streaming von Videos der Fall.

Datenübertragung in Netzwerken Zusammenfassung

Fassen wir nochmal das Wichtigste zusammen:

• Die Datenübertragung bezeichnet alle Techniken, mit denen Daten von einem Sender zu einem Empfänger übermitteln können.

• Um Daten zu transportieren, können verschiedene Netzwerkmedien, wie zum Beispiel Kupferleitungen, Glasfaserkabel (Lichtwellenleiter) und Funkmedien zum Einsatz kommen.

• Beim Übertragungsweg unterscheidet man zwischen Parallelverbindungen und Serienverbindungen.

• Die 3 Übertragungsarten sind: Simplex, Halbduplex und Vollduplex.

• Bei den Multiplexverfahren gibt es unter anderem: Time Division Multiplexing (kurz: TDM) und Frequency Division Multiplexing (kurz: FDM).

• Es gibt grundsätzlich 4 Adressierungsarten in einem Netzwerk: Unicast, Multicast, Broadcast und Anycast.

• Bekannte Netzwerkprotokolle sind zum Beispiel Ethernet, IP, TCP und UDP.

• Die Formel für die Datenübertragungsrate lautet: C = \frac{\textsf{Datenmenge} }{\textsf{Zeit} }$C = \frac{\textsf{Datenmenge} }{\textsf{Zeit} }$