Was ist Computernetzwerkarchitektur?

Computernetzwerke bilden das Rückgrat der modernen Kommunikation und Datenübertragung. Sie ermöglichen die Kommunikation verschiedener Geräte in Haushalten, Unternehmen oder Städten und ermöglichen so das Surfen, die Datenanalyse und andere Aktivitäten. Die Netzwerkarchitektur definiert, wie Netzwerkgeräte strukturiert sind, wie sie Daten übertragen und wie Ressourcen gemeinsam genutzt werden. Dieser Artikel erklärt alles zur Netzwerkarchitektur.

Was ist Netzwerkarchitektur?

Die Netzwerkarchitektur definiert den Aufbau, die Struktur und die Komponenten von Computernetzwerken sowie deren Funktionsweise. Sie umfasst den physischen und logischen Aufbau des Netzwerks, die Hardware- und Softwarekomponenten, die Art und Weise, wie Netzwerkgeräte verbunden sind, sowie Kommunikationsprotokolle. Die Architektur von Computernetzwerken ist entscheidend, da sie die Leistung des gesamten Systems beeinflussen kann. Darüber hinaus trägt eine gut konzipierte Netzwerkarchitektur auch zur Netzwerksicherheit bei.

Es gibt viele Möglichkeiten, Netzwerkarchitekturen zu entwerfen, abhängig von der Größe und dem Zweck des Netzwerks. Nachfolgend finden Sie eine kurze Übersicht über gängige Netzwerktypen basierend auf verschiedenen Klassifizierungen:

• Basierend auf der Abdeckung : Globales Internet-Netzwerk, Wide Area Network (WAN), Metropolitan Area Network (MAN), Local Area Network (LAN), Campus Area Network (CAN), Personal Area Network (PAN).
• Basierend auf Benutzern und speziellen Zwecken : Öffentliches Netzwerk , privates Netzwerk, virtuelles privates Netzwerk (VPN), Storage Area Network (SAN).

Schichten der Netzwerkarchitektur: OSI-Modell

Die meisten mehrschichtigen Netzwerkarchitekturen basieren auf dem Open System Interconnection (OSI)-Modell. Das OSI-Modell ist ein Framework, das die Netzwerkkommunikation in sieben Schichten unterteilt. Das in den 1980er Jahren eingeführte OSI-Modell hat sich zum Standard für Netzwerkinfrastruktur und Kommunikationsprotokolle entwickelt. Hier finden Sie eine Übersicht über die sieben Schichten des OSI-Modells.

Schicht 1 – Physikalische Schicht

Als unterste Schicht im OSI-Modell überträgt die physikalische Schicht einzelne Bits von Quellgeräten zu Empfangsgeräten über physische Kanäle wie Kabel, Netzwerk-Hubs oder Modems. Die physikalische Schicht wird auch als Hardwareschicht bezeichnet, da sie die in der Kommunikation verwendeten elektrischen, optischen und Funksignale verarbeitet. Die physikalische Schicht definiert die Hardwareaspekte der Datenübertragung, einschließlich des Datenflusses zwischen verschiedenen Geräten und der physischen Anordnung der verschiedenen Knoten im Netzwerk.

Schicht 2 – Datenverbindungsschicht

Die Sicherungsschicht gewährleistet die zuverlässige und fehlerfreie Übertragung von Datenrahmen von Knoten zu Knoten. Sie steuert außerdem den Datenfluss, um eine Überlastung der Quell- und Zielgeräte zu vermeiden. Diese Schicht ist in zwei Unterschichten unterteilt: Media Access Control (MAC) und Logical Link Control (LLC). Logical Link Control (LLC) übernimmt die Flusskontrolle und Fehlererkennung und benachrichtigt die oberen Schichten. Media Access Control (MAC) dient der Datenverfolgung anhand der MAC-Adressen in jedem Rahmen. Typische Geräte dieser Schicht sind Switches und Bridges, die den Datenverkehr steuern und die Kommunikation verwalten.

Schicht 3 – Netzwerkschicht

Die Netzwerkschicht ist für die Auswahl des optimalen Pfads zur Datenübertragung von der Quelle zu den Zielgeräten verantwortlich. Sie teilt die Daten in kleine Pakete auf, um eine einfache Übertragung zwischen verschiedenen Geräten zu ermöglichen. Die Netzwerkschicht stellt außerdem sicher, dass das Paket über die IP-Adresse das richtige Ziel erreicht. Router sind typische Geräte, die auf dieser Schicht arbeiten.

Schicht 4 – Transportschicht

Diese Schicht koordiniert die Datenübertragung und adaptiert Mechanismen wie Flusskontrolle, Fehlerprüfung und Bestätigung erfolgreicher Datenübertragung. Sie kann lange Datenströme segmentieren und am Empfänger wieder zusammensetzen. Zu den wichtigsten Protokollen der Transportschicht gehören Transmission Control Protocol (TCP), User Datagram Protocol (UDP) usw.

Schicht 5 – Sitzungsschicht

Die Sitzungsschicht fungiert als Brücke zwischen Transport- und Präsentationsschicht. Sie hilft beim Starten und Stoppen des Datenverkehrs zwischen zwei Endpunkten und beim Sammeln von Daten für die Präsentation. Die Sitzungsschicht ermöglicht allgemeine Funktionen wie Sitzungsverwaltung, Benutzeranmeldung, Authentifizierung usw. und gewährleistet zudem die Sicherheit. Durch die effiziente Steuerung des Datenflusses trägt die Sitzungsschicht entscheidend zur Einsparung von Bandbreite und Rechenleistung bei.

Schicht 6 – Präsentationsschicht

Die Darstellungsschicht übersetzt Anwendungsdaten in ein für die Netzwerkübertragung geeignetes Format oder konvertiert Daten und Grafiken in ein Anzeigeformat für die Anwendungsschicht. Zeichenkodierung, Datenkomprimierung/-dekomprimierung sowie Ver- und Entschlüsselung finden auf dieser Schicht statt.

Schicht 7 – Anwendungsschicht

Dies ist die oberste Schicht des OSI-Modells und die Schicht, die dem Endbenutzer am nächsten ist. Die Anwendungsschicht bestimmt die Art der Kommunikation zwischen Prozessen, stellt Schnittstellen für die Interaktion zwischen Benutzern, Servern, Computern usw. bereit und ermöglicht Anwendungen die gemeinsame Nutzung von Ressourcen, die Verarbeitung von Nachrichten und den Zugriff auf Remotedateien über verschiedene übergeordnete Protokolle.

Komponenten der Netzwerkarchitektur

Die Netzwerkarchitektur definiert jeden Aspekt der Netzwerkinfrastruktur, einschließlich Hardware, Software, Protokollen, physischen Verbindungen, Übertragungsmedien und Layoutmethoden. Der folgende Abschnitt behandelt einige wesentliche Komponenten einer Netzwerkarchitektur.

• Hardware : Hardwareelemente sind für die Netzwerkarchitektur von entscheidender Bedeutung. Dazu gehören wichtige Geräte wie Router, Switches, Server, Firewalls und Gateways sowie Endbenutzergeräte wie Computer und Laptops. Diese Hardwarekomponenten erleichtern die Kommunikation innerhalb des Netzwerks.
• Übertragungsmedien : Das Übertragungsmedium bezeichnet üblicherweise die physischen oder virtuellen Verbindungen zwischen Hardwaregeräten. Diese Verbindungen können kabelgebunden oder drahtlos sein. Kabelgebundene Übertragungsmedien umfassen Twisted-Pair-Kabel, Koaxialkabel und Glasfaserkabel. Die drahtlose Übertragung nutzt Funkwellen, Mikrowellen und sogar Infrarotsignale, wobei gängige Technologien wie WLAN sowie 4G- oder 5G-Mobilfunknetze zum Einsatz kommen. Die Wahl des Übertragungsmediums hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Netzwerkgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Gesamtkosten.
• Protokolle : Protokolle sind Regeln, die den Datentransfer zwischen Geräten ermöglichen. Ohne diese Protokolle könnten Geräte nicht effektiv miteinander kommunizieren. Es gibt viele Protokolle, die sich nach dem Datentyp richten. Typische Protokolle sind IP (Internet Protocol), TCP (Transmission Control Protocol), HTTP (Hypertext Transfer Protocol) usw.
• Topologie : Topologie bezeichnet die Netzwerkstruktur, insbesondere die Anordnung der Geräte und Knoten innerhalb eines Netzwerks. Gängige Netzwerktopologien sind Peer-to-Peer, Bus, Ring, Stern, Daisy Chain, Mesh, Baum, Hybrid usw. Sie zeichnen sich durch unterschiedliche Leistung, Skalierbarkeit, Fehlertoleranz und Verwaltbarkeit aus. Moderne Netzwerke verwenden meist eine Hybridtopologie, die mehrere Topologien kombiniert, um ihre Stärken optimal zu nutzen.

Netzwerkarchitekturtypen

Netzwerkarchitekturen können auf verschiedene Arten gestaltet werden, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Peer-to-Peer-Architektur und Client-Server-Architektur sind die beiden gängigsten Arten von Netzwerkarchitekturen. Darüber hinaus gibt es auch Cloud-basierte und softwaredefinierte Architekturen.

Peer-to-Peer-Netzwerkarchitektur

In der Peer-to-Peer-Architektur (P2P) gibt es keinen zentralen Server. Stattdessen fungiert jeder Knoten oder jedes Gerät sowohl als Client als auch als Server und teilt Ressourcen und Daten direkt mit anderen Knoten. Dieser dezentrale Aufbau ist äußerst fehlertolerant und unterstützt verschiedene Anwendungen wie Dateifreigabe, Inhaltsverteilung und Zusammenarbeit. Die P2P-Netzwerkarchitektur kann strukturiert oder unstrukturiert sein. Sie ist kostengünstig, bietet aber keine ausreichende Sicherheit.

Client-Server-Netzwerkarchitektur

In der Client-Server-Architektur übernimmt der zentrale Server die Datenspeicherung, die Verarbeitung von Client-Anfragen, die Netzwerksicherheit und die Zugriffskontrolle, während andere Client-Geräte über den Server auf Ressourcen zugreifen und miteinander kommunizieren. Die meisten großen Netzwerke nutzen das Client-Server-Modell aufgrund seiner Stabilität, Sicherheit und Skalierbarkeit. Dedizierte Server steigern Leistung und Effizienz durch zentrale Verwaltung und Sicherung. Das World Wide Web ist ein typisches Beispiel für eine Client-Server-Netzwerkarchitektur oder eine mehrstufige Architektur.

Hybride Netzwerkarchitektur

Die Hybridarchitektur kombiniert Peer-to-Peer- und Client-Server-Architekturen, um Ressourcenzuweisung, Fehlertoleranz und Kosteneffizienz zu verbessern. Neben einem zentralen Server verfügt sie auch über Edge-Geräte, die sowohl als Server als auch als Clients fungieren. Diese Netzwerkarchitektur wird typischerweise im Internet der Dinge (IoT) eingesetzt, wo die Kombination zentraler und dezentraler Elemente unterschiedliche Netzwerkanforderungen effektiv bewältigen kann.

Cloudbasierte Netzwerkarchitektur

Cloudbasierte Architektur ist ein modernes Konzept, das Cloud-Computing-Ressourcen und -Dienste zur Verwaltung der Netzwerkinfrastruktur nutzt. Sie basiert auf einer Cloud-Plattform und bietet Flexibilität und Skalierbarkeit. Die Cloud-basierte Netzwerkarchitektur lässt sich in Private Cloud, Public Cloud und Hybrid Cloud unterteilen.

Softwaredefinierte Netzwerkarchitektur

Softwaredefinierte Architektur nutzt softwarebasierte Controller oder Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) zur Steuerung physischer Netzwerke und des Datenverkehrs. Sie ermöglicht Anpassungen und Modifikationen in Echtzeit. Softwaredefinierte WAN-Architektur bietet eine einfache Lösung für den Aufbau von WANs.

Bedeutung des Netzwerkarchitekturdesigns

Durch die richtige Architekturgestaltung können IT-Abteilungen in großem Maße von schnellen und zuverlässigen Netzwerken profitieren.

1. Resilienz : Resilienz bedeutet, dass das Netzwerk eine hohe Belastbarkeit und Fehlertoleranz aufweisen sollte. Eine gute Netzwerkarchitektur sollte Redundanz und Vielfalt der Verbindungsquellen berücksichtigen, um den Betrieb auch bei Problemen und Ausfällen aufrechtzuerhalten.
2. Zukunftssicherheit : Legen Sie Wert auf die Anpassungsfähigkeit, Flexibilität und Skalierbarkeit der Netzwerkarchitektur, beispielsweise durch die Wahl eines modularen Designs, damit diese schrittweise mit dem technologischen Fortschritt aktualisiert werden und auf sich ändernde Geschäftsanforderungen reagieren kann.
3. Sicherheit : Die Netzwerkarchitektur sollte Sicherheitsstrategien wie Firewalls, Sicherheitsprotokolle, Verschlüsselung, VPNs und Intrusion Detection-Systeme vollständig implementieren, um Netzwerkressourcen und -informationen vor unbefugtem Zugriff, Cyberangriffen und Lecks zu schützen.
4. Effizienz : Die Netzwerkarchitektur sollte mit dem Ziel entworfen und organisiert werden, die Dienstqualität (QoS) zu verbessern und eine effiziente Datenübertragung zu ermöglichen.
5. Einfachheit : Die Netzwerkarchitektur sollte so weit wie möglich vereinfacht werden, beispielsweise durch die Übernahme eines hierarchischen Designs, um die Komplexität sowie das Fehlerpotenzial zu reduzieren und die Verwaltung, Wartung und Fehlerbehebung zu erleichtern.
6. Kosteneffizienz : Das Design der Netzwerkarchitektur sollte auf Kosteneffizienz ausgerichtet sein, die Ressourcennutzung optimieren und versuchen, die Betriebs-, Wartungs- und Systemaktualisierungskosten zu senken.

Zusammenfassung

Die Netzwerkarchitektur definiert den strukturellen Rahmen und die Funktionsweise des Netzwerks und beeinflusst dessen Leistung. Der Entwurf einer effektiven Netzwerkarchitektur erfordert Fachwissen und sorgfältige Planung, um ein sicheres, zuverlässiges und skalierbares Netzwerk zu gewährleisten.

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