Internet & Netzwerke

Das Internet ist überall, jeder von uns benutzt es täglich hundert- oder tausendfach. Aber was ist denn eigentlich das Internet? Was sind dessen Bausteine? Was passiert beim Aufruf einer Webseite? Wie hat das Internet unsere Welt verändert, und welche Veränderungen könnten noch kommen?

Das Internet heisst Netz, weil es die Welt tatsächlich wie ein Netz umspannt. Wie in einem Strassennetz gibt es leistungsfähige Hauptverbindungen, während lokal kleinere Strassen und Wege die Versorgung jedes Gebäudes sicherstellen. Weshalb aber ein Netz? Was ist eigentlich das Ziel?

Das Internet bietet uns eine geniale Illusion: nämlich, dass jedes Gerät mit jedem anderen verbunden sei, als gäbe es ein direktes Kabel zwischen den beiden. Weil die Illusion so gut gelingt, sprechen wir auch von einer Abstraktion: Das Internet abstrahiert die Verbindung zwischen zwei Geräten, auch wenn diese in Wirklichkeit gar nicht so direkt ist. Für die Geräte ist es unerheblich, ob die Daten über ein WLAN oder Ethernet, via USA, den Suezkanal, einen Satellit im Weltraum oder ein Tiefseekabel fliessen. Es ist sogar möglich, dass ein Teil der übermittelten Daten den einen Weg nehmen und andere einen weiteren.

Weshalb gibt es denn nicht zwischen allen Geräten eine eigene Verbindung? Wieviele Verbindungen bräuchte es, um die 30 Milliarden (30e9) Geräte alle miteinander zu verbinden?

Die Anzahl Verbindungen wächst mit dem Quadrat der Geräte, es wären also 9e20 (fast eine Quadrilliarde) Verbindungen nötig.

Es ist also nicht möglich, zwischen allen Geräte-Paaren je ein Kabel zu verlegen. Die Sterntopologie verbindet n Knoten mit n-1 Verbindungen - besser geht nicht. Was könnte das Problem bei dieser Variante sein?

Fällt der zentrale Knoten aus, sind alle Knoten vom Netz getrennt.

Im richtigen Internet kommen Ausfälle dauernd vor, und das Netz ist ausgelegt, dass die Benutzer davon nichts mitbekommen. Die Ausfallsicherheit des Internets ist entscheidend, um die Illusion der direkten Verbindung zu erhalten.

In der Praxis sieht das Internet eher wie ein Strassennetz aus: Das Rückgrat wird ähnlich den Autobahnen durch leistungsfähige Hauptverbindungen zwischen den Städten, Datencentern, und über Unterseekabel zwischen den Kontinenten gebildet. Das grösste Kabel zwischen den USA und Europa (MAREA) hat eine Übertragungskapazität von 160 Terabit, was ca. 70 Millionen gleichzeitigen Netflix-Filmen entspricht. Das Kabel ist in der Tiefsee nur etwa doppelt so dick wie ein Gartenschlauch. Die Hauptverbindungen sind normalerweise redundant (es gibt also Alternativen, wenn eine Verbindung ausfallen würde).

Um die Städte und Dörfer zu versorgen, legen Provider Verbindungen ähnlich der Hauptstrassen an. Die Feinverteilung auf die Gebäude erfolgt durch die Netze der Telefon- und Kabel-TV-Anbieter. Die meisten Haushalte haben nur eine einzige Verbindung.

Surfe ich mit meinem Smartphone auf eine Webseite in Taiwan, fliessen die Daten von langsameren Verbindungen (z.B. der WLAN-Verbindung an der KSR) zur nächst-schnelleren (z.B. der Swisscom) und von da durch Unterseekabel z.B. nach Asien, wo sie schliesslich beim Ziel-Server ankommen.

Bevor wir etwas genauer untersuchen, wie diese Abstraktion zustande kommt, schauen wir uns kurz an, was denn eigentlich bei einem Seitenaufruf im Internet passiert.

Verfolgen wir den Datenaustausch zwischen meinem Gerät und einem Server (zum Beispiel mit Wireshark), so fallen ein paar Dinge auf.

• Die Kommunikation erfolgt in Paketen (Frames, Packets).
• Ein Datenstrom (en. stream) wird aus einer Paketfolge zusammengesetzt.
• Jeder Stream entspricht eigentlich einem verschachtelten Gespräch auf mehreren Ebenen.
  • Für jede Ebene enthält ein Paket Metadaten, entsprechend dem Protokoll der Ebene, und als Nutzlast (payload) die Daten der nächst-höheren Ebene.
  • Auf der letzten Ebene folgen die eigentlichen Nutzdaten (z.B. das HTML einer Webseite).