Für die Kopplung von Netzsegmenten können mehrere Gründe von Bedeutung sein. Einerseits zum integrieren einzelner Rechner ins Netzwerk, zum Verbinden von Räumen, Gebäuden oder auch mit dem Internet. Zum anderen aber auch zum Verbinden unterschiedlicher Topologien oder Betriebsysteme und zum Senken von Kollisionen im Netz, die sich nur auf einen Strang beziehen.
Zu den wesentlichen Komponenten gehören:
Ein REPEATER bereitet das Signal auf, damit das Netzwerk eine größere Reichweite bekommt, wobei er Kabelsegmente für den gleichen Netzwerktyp in Schicht 1 des OSI-Referenzmodells zusammenschaltet.
Im nachfolgenden Bild sind in einem BUS-Netz an den Segmenten 1 und 3 die Arbeitsstationen PC10..PC28 bzw. PC30..PC48 angeschlossen:
Infolge der Signaldämpfung sowie einer Mindest-Bitrate ist z.B. bei Ethernet ein Segment auf 500 m begrenzt. Es gilt die sogenannte Repeaterregel:
Wird eine noch größere Länge gewünscht, müssen ROUTER eingesetzt werden, da sie die Daten puffern, während der REPEATER nur das Signal selbst aufbereitet.
Hub und Switch sind sogenannte Sternkoppler, an denen mehrere Teilnehmer angeschlossen sind. Aktive Hubs enthalten Repeater, während passive Hubs die ankommenden Signalleistungen auf die angeschlossenen Teilnhemer aufteilen. Im Gegensatz zum Hub schaltet der Switch entsprechend der Nachrichtenadresse Sender und Empfänger durch. An einem Switch können so mehrere Datenkanäle gleichzeitig geschalten sein und jedem Teilnehmer steht die volle Bandbreite zur Verfügung. Der Switch entspricht in seiner Funktion einer Multiportbrigde. Im Unterschied zur Bridge führt der Switch jedoch keine Prüfung der Datenpakete aus.
Hubs arbeiten auf Schicht 1 des OSI-Referenzmodells. Im Gegensatz dazu arbeitet der Switch zumeist in Schicht 2 (aber auch Schicht 3 ist möglich, wenn der Switch Routing-Eigenschaften beherrscht).
Bei Mehrfachverbindung zu einer Zieladresse darf beim switchen nur ein Datenpfad aktiv sein. Ein Switch und auch eine Bridge erkennen das mit dem sogenannten Spanning Tree Algorithmus und legen dann diese Mehrfachverbindung lahm.
Hub und Switch unterscheiden sich vor allem nach der Anzahl der Ports und der Bitrate die sie übertragen können. In einem historisch gewachsenen Ethernet-Netzwerk (siehe Bild) hat man als Koppler zunächst Hubs verwendet. Im Bild würde ein 10MBit Hub mit 20 Ports ausreichend sein. Zu unterscheiden gilt es noch 10/100er Hubs, die jeweils eine der Bitraten übertragen können. Verbindet sich zuerst ein 100MBit Interface, kann es passieren, dass ein nachfolgendes 10MBit Interface keine Verbindung bekommt! Sogenannte Switching-Hubs sind durch einen internen Switch in der Lage, beide Bitraten zu übertragen. In modernen Netzwerken werden kaum noch Hubs eingesetzt.
Switch und Hub können unter- oder miteinander an jedem Port verbunden werden. Es muss jedoch dabei darauf geachtet werden, dass ein Cross-Link-Kabel zum Einsatz kommt. Im allgemeinen haben diese Geräte einen Uplink-Port, wodurch dieser Cross-Link per Knopfdruck erfolgen kann.
Eine Bridge kann zwei oder mehrere Netzwerke gleichen Typs bis Schicht 2 des OSI-Referenzmodells verbinden. Sie sind so in der Lage, Netzwerke zu entkoppeln. Der Vorteil besteht darin, dass Störungen auf der einen Seite der Bridge sich nicht auf der anderen Seite auswirken. Weiterhin kann so eine Lasttrennung im Netzwerk vorgenommen werden.
Anhand von Adresstabellen prüft eine Bridge, wo sich der Teilnehmer befindet und kann so Unterscheiden, ob es sich um einen lokalen Datenaustausch oder um einen Austausch von einem zu einem anderen Netz handelt.
Bridges können keine Lastenaufteilung im Netz vornehmen und haben nicht die Intelligenz von Routern. Sie werten den Teil des Datenpaketes aus, der als MAC-Level-Header bezeichnet wird.
Bei Ethernet-Bridges wird zwischen statischen und selbstlernenden Bridges unterschieden. Statische Bridges sind nicht in der Lage dynamische Netzänderungen durch geeignete Wegwahlentscheidungen zu kompensieren. Selbstlernende Bridges sind dynamisch. Sie erschließen sich mit dem sogenannten Spanning Tree Algorithmus selbst den Weg im Netz.
Der Spanning Tree Algorithmus ist ein Bestimmungsverfahren, das durch eigene Anordnung von Baumstrukturen im Netz den günstigsten Weg der Daten bestimmt. Mit Hilfe von Parametern wird zunächst die Wurzel-Brücke bestimmt, danach wird für jedes LAN-Segment der optimale Weg zu dieser Wurzel-Brücke ermittelt. Es ergibt sich dadurch für das gesamte Netzwerk eine Baumstruktur.
Router verbinden mehrere auch unterschiedliche Netzwerke bis Schicht 3 des OSI-Referenzmodells. Der Router nutzt die Netzwerkadressen der einzelnen Datensendungen, um die Daten exakt dem Ziel zuzuweisen. Es spielt dabei keine Rolle, in welchen Teilnetzen oder Segmenten sich die Datenpakete befinden. Routern ist es möglich, den optimalen Weg der Daten im Netz zu bestimmen. Dieser Weg kann sich z.B. an der Laufzeit oder an der Weglänge orientieren.
Unter "Routing" versteht man die Verfahren, die zur Wegwahl und Wegoptimierung in verteilten Netzen oder Subnetzen notwendig sind. Der Router ist in der Lage, eine Netzauslastungsverteilung vorzunehmen.
Wenn die Wegvorgabe fest zwischen zwei Endsystemen definiert ist, wird dieses Routing als statisch bezeichnet. Die beiden Endgeräte sind dann jeweils einem Router zugeordnet und müssen mit allen Parametern (für Netz, Konfiguration, Leitung, Kapazität ...) definiert werden. Diese Router sind bei absolut stabiler Netzwerkkonfiguration oder bei extrem hohen Sicherheitsauflagen von Bedeutung.
Wenn keine feste Vorgabe existiert, bzw. der Router selbst (z.B. lastenabhängig) entscheiden muss, dann wird ein dynamisches Routing angewendet. Dabei ist es möglich, im laufenden Betrieb neue Routen hinzuzufügen, bzw. das Netz reagiert selbstständig bei Ausfall eines Knotens. Nachteilig ist die zusätzliche Netzbelastung, welche durch den Austausch der Kontrollinformationen (Overhead) notwendig wird.
Hinweise:
Ein Gateway verbindet mehrere Kommunikations- bzw. Subnetze mit unterschiedlichen Protokollen bis Schicht 7 des OSI-Referenzmodells. Er übersetzt die verschiedenen Netzwerkprotokolle und führt wie ein Router Wegvermittlungsaufgaben durch. Da der Gateway alle sieben Schichten des OSI-Referenzmodells umfasst, führt er auch die Funktionen eines Repeaters und einer Brigde aus.
Typische Funktion in einem Netz ist die bidirektionale Protokollumsetzung und Gewährleistung der Unabhängigkeit der Einzelnetze. Ein Gateway auf Schicht 3 des OSI-Referenzmodells würde z.B. das Protokoll IP in das Protokoll IPX umwandeln.
Beispielsweise kann ein Gateway ein fremdes Datenbanksystem so auf dem Arbeitsplatzrechner erscheinen lassen, als handle es sich um eine Datenbank auf dem eigenen Rechner. Weiterhin kann z.B. ein TCP/IP-Gateway die bidirektionale Kommunikation zwischen der reinen UNIX-Welt und der DOS-Welt ermöglichen.
