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Die Geschichte von Netzwerk und Internet

21.03.2014 | 11:02 Uhr |

Der PC hat sich von der besseren Rechenmaschine zum Kommunikationsgerät Nr. 1 gewandelt. Ein Schlüssel dafür ist die Netzwerktechnik, die im Laufe der Jahre auch das Internet hervorgebracht hat.

Wer sich heute die allgegenwärtigen Wülste von Netzwerkkabeln unter dem Schreibtisch ansieht, die eleganten Antennen des WLAN-Routers oder auch die schlichte DSL-Anschlussdose an der Wand, blickt dabei auf mehr als 70 Jahre Entwicklungsgeschichte zurück. Am Anfang standen auch hier geniale Basteleien einiger Tüftler, die ihrer Zeit weit voraus waren.

Eine Rechenmaschine antwortet per Fernschreiber

Für einige Augenblicke übertönt das Rattern des Fernschreibers sogar das Raunen im Saal am Dartmouth College in US-Bundesstaat New Hampshire. Nach einem Blick auf den ausgedruckten Papierstreifen beugt sich der Mathematiker George Stibitz wieder über die klobige Tastatur und gibt einige einfache arithmetische Formeln ein, die ihm das Publikum zuruft. Nach einer Minute gespannten Wartens beginnt die Druckmechanik wieder zu arbeiten und druckt das Ergebnis aus. Das wirklich Besondere der Vorstellung ist, dass der Hauptdarsteller nicht anwesend ist, denn dieser steht im mehrere hundert Kilometer entfernten New York und ist eine binäre Rechenmaschine mit 450 fest verdrahteten Relais. Und diese antwortete prompt.

Fernschreiber für frühe Netzwerke: Dieses verbreitete Teletype-Modell mit Modem und einem Lochstreifenleser stammt aus den 60er-Jahren und konnte bis zu zehn Zeichen pro Sekunde verarbeiten.
Vergrößern Fernschreiber für frühe Netzwerke: Dieses verbreitete Teletype-Modell mit Modem und einem Lochstreifenleser stammt aus den 60er-Jahren und konnte bis zu zehn Zeichen pro Sekunde verarbeiten.
© Museum Bolo, ePfL Lausanne

Die Gäste des Mathematiker-Kongresses am 11. September 1940 waren Zeugen der ersten elektronischen Übermittlung von Daten, die George Stibitz über eine gewöhnliche Telefonleitung an den Complex Number Calculator in seinem Arbeitszimmer in den Bell Labs sendete. Bis ein ähnliches Experiment wiederholt wurde, sollten dann über zehn Jahre vergehen, denn die Kriegsjahre ließen keine Ressourcen für die Weiterentwicklung dieser frühen Versuche elektronischer Datenübermittlung.

30 Jahre PC-Geschichte in Zeitraffer

Netztopologie des Arpanet: Noch bevor an lokale Netzwerke zu denken war, vernetzte das US-Verteidigungsministerium in den 60er-Jahren die Rechenzentren einiger Universitäten – damals noch per Telefonleitung.
Vergrößern Netztopologie des Arpanet: Noch bevor an lokale Netzwerke zu denken war, vernetzte das US-Verteidigungsministerium in den 60er-Jahren die Rechenzentren einiger Universitäten – damals noch per Telefonleitung.

Vom Mainframe zum PC

Der nächste Konflikt gab der Technik der Datenübermittlung neuen Auftrieb: Der Kalte Krieg. Zunächst ging ebenfalls am Dartmouth College 1964 das erste lokale Netzwerk in Betrieb, das mehrere Fernschreiber mit einem Mainframe vom Typ GE-200 verband und bis zu 300 Log-ins verkraftete, meist aber schon bei der Hälfte der Anmeldungen abstürzte. Im gleichen Jahr entwickelte auch das MIT einen Mainframe-Computer, der Telefonverbindungen selbständig vermitteln konnte und damit die frühe Form eines Netzwerk-Switches darstellte. Mit Rechenkapazitäten von geografisch weit verteilten Großrechnern an verschiedenen US-Universitäten bastelte das US-Militär an einem dezentralen Netzwerk zwischen mehreren Rechenzentren.

Im Jahr 1969 ging das Arpanet online und verband zunächst die Mainframes von vier Universitäten. Neu war bei Arpanet das System der Paketvermittlung (Packet Switching), bei der alle Daten im Netzwerk paketweise von Knoten zu Knoten über Telefonleitungen weitergegeben werden. Die Expansion dieses Netzwerks markiert die Anfänge des X.25-Netzwerks, aus denen schließlich das Internet werden sollte. X.25 war eine Abspaltung und Weiterentwicklung von Arpanet und die Basis für das erste permanente internationale Netzwerk, das auch öffentliche Zugänge über Universitäten und kommerzielle Anbieter bot. Ab 1979 konnten privilegierte Privatanwender über Compuserve und Tymnet am X.25-Netz teilnehmen. In den 80er-Jahren brachte der Siegeszug des IBM-PCs die Notwendigkeit, nicht nur Mainframes, sondern auch Arbeitsplätze in gewöhnlichen Büros untereinander zu vernetzen. Die unterschiedlichen Netzwerkschnittstellen der Hersteller machten eine einheitliche lokale Vernetzung im LAN (Local Area Network) aber unmöglich und zu teuer. Anfangs dominierten Novell Netware und dessen Konkurrent Banyan, die umfassende Netzwerkstandards sowie Clients für DOS und Unix einführten. Ausgerechnet der spätere Marktführer in Sachen Betriebssystemen legte beim Thema Netzwerk einen späten Start hin: Microsoft ließ die Entwicklung zunächst links liegen und überließ seinen Partnern das Feld. Es zog sich noch bis in die frühen 90er-Jahre hin, bis Microsoft seinen Systemen Windows 3.11 und Windows NT eigene Netzwerkfähigkeiten spendierte. Erst dann konnte die LAN-Revolution in Büros und Studenten-WGs beginnen.

Vom Koaxial-Kabel zur Glasfaser: Ethernet wandelte sich von Koaxial-Kabel hin zu den bekannten Twisted-Pair-Kabeln und mittlerweile zu Glasfaserverbindungen für Gigabit-Ethernet.
Vergrößern Vom Koaxial-Kabel zur Glasfaser: Ethernet wandelte sich von Koaxial-Kabel hin zu den bekannten Twisted-Pair-Kabeln und mittlerweile zu Glasfaserverbindungen für Gigabit-Ethernet.

Ethernet: Der Standard für lokale Netze

Wer heute von PC-Netzwerken spricht, meint damit meist Ethernet. Entwickelt wurde Ethernet 1979 im Labor von Xerox von Robert Metcalfe, der zuvor schon bei Arpanet Erfahrung mit paketbasierter Datenübertragung gesammelt hatte.

Was Ethernet als verbreitete Technik für lokale Netzwerke schnell in den Sattel half, war die rasche Verabschiedung als Standard durch das IEEE-Gremium. Ethernet ist eine Datenleitung mit Bus-Charakter, in der immer nur ein Datenpaket unterwegs sein darf. Ein Netzwerkadapter muss darauf warten, ob eine Pause im Datenstrom eintritt, die er dann dazu nutzt, die eigenen Pakete ins Netzwerk zu schicken. Wenn mehrere Teilnehmer gleichzeitig senden, kommt es bei Ethernet zwangsläufig zu Kollisionen. Nach einer Kollision kehren die Teilnehmer in die Warteschleife zurück und beginnen jeweils nach einer Pause mit zufälliger Länge erneut mit der Übertragung. Im Ur-Ethernet, das mit 10 MBit/s Bandbreite arbeitete (10 BASE-2), war die Bus-Topologie bei den verwendeten, schlauchähnlichen Koaxialkabeln mit T-Stücken und Abschlusswiderständen noch gut erkennbar. Fast-Ethernet (100 BASE-X) brachte die Bandbreite auf 100 MBit/s und dazu billigere, einfach zu verlegende Twisted- Pair-Kabel mit dem typischen, zerbrechlichen 8P8C-Telefonstecker aus Plastik. Anderen Technologien wie Token-Ring und Token-Bus hatte Ethernet nun die günstige Verkabelung voraus und verdrängte die Konkurrenz schließlich komplett.

Microsoft Hearts: Dines der ersten netzwerkfähigen Windows-Programme, das Microsoft erstmals zusammen mit Windows 3.11 (Windows for Workgroups) auslieferte, war ein absoluter Klassiker.
Vergrößern Microsoft Hearts: Dines der ersten netzwerkfähigen Windows-Programme, das Microsoft erstmals zusammen mit Windows 3.11 (Windows for Workgroups) auslieferte, war ein absoluter Klassiker.

Gigabit-Ethernet, das 1999 als Standard verabschiedet wurde, kann sowohl Kupferkabel als auch Lichtleiter nutzen, wobei mit Glasfaser Entfernungen von mehr als 500 Metern zu überbrücken sind. Auch beim 2002 eingeführten 10-Gigabit-Ethernet steht die einfache Verkabelung über günstige Lichtleiter oder Kupfer im Vordergrund.

Die spektakulärsten Fehlprognosen der IT-Geschichte

Protokolle: TCP/IP setzt sich durch

Die Kommunikationsbasis für Netzwerkgeräte ist heute fast ausnahmslos TCP/IP. TCP/IP (Transmission Control Protocol, Internet Protocol) ist das Netzwerkprotokoll der Transportschicht, das sich heute in aller gängigen Netzwerk-Hardware und in aktuellen Betriebssystemen findet. Ein Protokoll legt die Regeln für den Datenaustausch in einem Netzwerk fest. Es umfasst Datentransport, Adressierung, Routing und Fehlerprüfung. Die Daten werden dabei in Blöcke zerlegt, um eine Prüfsumme ergänzt, übertragen und beim Empfänger in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt. Fehlerhafte Blöcke werden automatisch neu übertragen. Entwickelt wurde TCP/IP bereits 1977 im Rahmen von Arpanet und hielt sich seitdem als Standard-Transportprotokoll von Unix-Rechnern. Während in frühen LANs noch herstellerspezifische Protokolle wie Netware IPX und Microsoft NetBEUI tonangebend waren, verhalf die Ausdehnung des Internets TCP/IP bald zur großen Verbreitung.

Protokolle der Applikationsschicht: für die Regeln in der Kommunikation sorgen Protokolle, nach denen die Verbindung und Datenübertragung abläuft.
Vergrößern Protokolle der Applikationsschicht: für die Regeln in der Kommunikation sorgen Protokolle, nach denen die Verbindung und Datenübertragung abläuft.

Bei TCP/IP handelt es sich um eine ganze Protokollfamilie. Der Großteil der Kommunikation läuft über das TCP- und das UDP-Protokoll. Jeder Anwendung, die mit dem Internet in Verbindung steht, weisen die Protokolle TCP und UDP eine Portnummer zu. So weiß jedes Datenpaket, zu welcher Anwendung es gehört. Der Port markiert im übertragenen Sinn die Nummer einer Tür in einem Mehrfamilienhaus. Auf dieses Transportprotokoll setzen die Protokolle der Applikationsschicht auf, beispielsweise HTTP für die Kommunikation im Web, FTP zur Dateiübertragung oder SMB/CIFS für Windows-Netze. Eine Sonderform der TCP/IP-Familie ist UDP, das als verbindungsloses Protokoll keine Client-Server-Beziehung braucht und damit wenig Overhead hat, aber auch keine Fehlerkorrektur. Es eignet sich für Voice-over-IP, wo es um zeitnahe Datenübertragung geht und einige verlorene Pakete nicht groß stören.

Die Anwendungsprotokolle arbeiten auf Seiten des Servers mit bekannten Portnummern, die zwar nicht fix sein müssen, aber typischerweise für einen bestimmten Dienst stehen. So ist beispielsweise der Port 80 für einen Webserver mit unverschlüsseltem HTTP üblich, 443 für HTTPS, Port 21 für FTP und Port 22 für SSH. Windows-Netzwerke nutzen für ihre Zwecke mehrere Ports: 137, 138, 139 und 445.

Adressierung und Domain Name System

Die eindeutige Hausnummer eines Rechners in einem Netzwerk ist die logische IP-Adresse. Sie ist die Voraussetzung dafür, dass Netzwerkpakete korrekt gesendet und empfangen werden. Nicht nur im LAN, auch im globalen Internet muss jeder Host eine einmalige Adresse haben. Da sich Zahlenkolonnen als individuelle Adresse nur schwer merken lassen, wurde ab 1983 das Domain Name System (DNS) entwickelt. Es setzt Nutzer-freundliche Domain-Namen wie „www.pcwelt.de“ ähnlich einem globalen Telefonbuch in die zugehörigen IP-Adressen um. Kennt ein DNS-Server die IP-Adresse eines Namens nicht, so gibt er die Anfrage im hierarchisch aufgebauten DNS an den nächsten übergeordneten Server weiter. Insgesamt arbeiten im Internet nur 13 DNS-Root-Server, auf die letztendlich alle Anfragen zurückgehen.

Dreizehn Server sollt ihr sein: Das Bild zeigt die globale Verteilung der vergleichsweise wenigen Root-DNS-Server, die heute allerdings per Lastverteilung über hunderte von Adressen erreichbar sind.
Vergrößern Dreizehn Server sollt ihr sein: Das Bild zeigt die globale Verteilung der vergleichsweise wenigen Root-DNS-Server, die heute allerdings per Lastverteilung über hunderte von Adressen erreichbar sind.

Während Domain-Namen über ein länderspezifisches Network Information Center (NIC) registriert werden, was mit der Kommerzialisierung des Internets heute mit wenig Kosten und Bürokratie vonstattengeht, gibt es bei der Vergabe von IP-Adressblöcken keinen Spielraum. IP-Adressen im Internet wurden von der Organisation Arin aus einem Pool von 4.294.967.296 möglichen Adressen zugeteilt, abzüglich reservierter Adressbereiche. In der Anfangszeit des Internets, als hauptsächlich Bildungseinrichtungen und eine Handvoll privilegierte Nutzer teilnahmen, erschien das mehr als genug. Die verfügbaren Adressen wurden deshalb nicht sehr effizient vergeben. Weite Blöcke, rund 15 Prozent, sind als reserviert markiert und stehen nicht zur Verfügung. Einzelne Universitäten erhielten Millionen von Adressen, werden diese aber nie ganz ausnutzen können.

Eine Reorganisation und Neuvergabe des Adresspools wäre aber zu aufwendig und brächte das bisherige Netz zum Erliegen. Einfacher ist da der Sprung auf ein neues IPProtokoll – IPv6. Bei IPv6 umfasst der Pool 2 hoch 128 Adressen (rund 340 Sextillionen). Für IPv6 werden die verwendeten 128-Bit- Adressen hexadezimal geschrieben und einzelne Blöcke durch Doppelpunkte getrennt. Seit rund einem Jahr wird es im großen Stil eingesetzt und hat den größten Umbau in der Geschichte des Internets eingeläutet.

Die unglaublichten Sicherheitslücken der letzten Jahrzehnte

Schema einer IPv6-Adresse: Die 128 Bit sind in acht Felder zu je 16 Bit unterteilt. Das Site-Präfix enthält die Angabe der vorgegebenen Netz-Topologie – hier das private Netz fe80.
Vergrößern Schema einer IPv6-Adresse: Die 128 Bit sind in acht Felder zu je 16 Bit unterteilt. Das Site-Präfix enthält die Angabe der vorgegebenen Netz-Topologie – hier das private Netz fe80.

IPv6 Genug Adressen für alles

Mittlerweile ist IPv6 den Kinderschuhen entwachsen und fit für den praktischen Einsatz. Alle aktuellen Betriebssysteme, egal ob Windows Vista/7/8/8.1, Mac-OS X, Linux oder BSD, unterstützen IPv6, und die Protokollfamilie wird standardmäßig mitinstalliert. Zudem sind professionelle Netzwerk-Hardware und vereinzelt auch schon der Heimbereich fit für IPv6. Wer einen Server mietet oder auf geteilten Webspace setzt (Managed Hosting), bekommt seit den letzten drei Jahren eine oder mehrere IPv6-Adressen bei allen namhaften Hostern dazu.

IPv6 soll viele Unzulänglichkeiten des Vorgängers beseitigen und wurde Anfang der 90er-Jahre von der Internet Engineering Task Force (IETF) empfohlen. Die IETF ist die zentrale Organisation zur technischen Entwicklung und Standardisierung des Internets. Das dringendste Problem, das IPv6 löst, ist die Vergrößerung des IP-Adressraumes. Durch die Erweiterung der Adressenlänge von 32 auf 128 Bit ergibt sich eine astronomische Adressenvielfalt – genauer: 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 mögliche Adressen. Da diese Zahl von Normalsterblichen kaum zu fassen ist, haben sich Rechenkünstler auf www.ipv6.com einen beeindruckenden Vergleich einfallen lassen: Die Menge reicht aus, um jeden Quadratmillimeter der Erdoberfläche mit 600 Billiarden IP-Adressen zu versorgen. Diese astronomische Zahl vereinfacht sogar die Organisation: Ein Gerät kann im Internet seine IPv6-Adresse ad hoc wählen, da Adresskollisionen auch bei zufällig ausgewählten Adressen sehr unwahrscheinlich sind.

Eine große Umstellung ist neue Notation von Netzwerkadressen. Damit keine überlangen Zahlenkolonnen entstehen, bedient man sich der hexadezimalen Schreibweise (0 bis F statt 0 bis 9). Diese ist in acht Blöcke zu je vier Stellen unterteilt, die jeweils durch Doppelpunkte getrennt sind. Neue Adressen sehen beispielsweise so aus: fe80:0000:0000:0 000:0000:1000:1000:1a41.

Auch dies ist noch recht lang. Die 0000-Werte dürften deshalb weggelassen werden, und nur die Doppelpunkte-Paare bleiben stehen. So erhält man die IP-Adresse fe80::1000:1000:1a41.

Netzwerkklassen Privat und öffentlich

Der IP-Adressraum ist kein homogenes Adressregister mit gleichberechtigten IP-Nummern. Stattdessen ist der Adressraum in Subnetze unterteilt, die organisatorische Einheiten darstellen. Dazu ist eine IPv4-Adresse in mehrere Blöcke eingeteilt, die durch Punkte getrennt sind. Der erste Block ist die Klasse des Netzwerks, die zweite gibt den Host-Knoten an, gefolgt vom Subnetz, schließlich mit der Nummer des einzelnen Hosts. Diese Einteilung erlaubt über die Netzmaske die Definition einer unterschiedlichen Anzahl von Hosts in einem Netzwerk.

Neben den global verfügbaren Klassen, die weltweit eindeutige IP-Adressen enthalten, gibt es für private Netzwerke reservierte Bereiche für Netzwerkteilnehmer, die in einer kleineren, abgeschotteten Organisationseinheit zusammengefasst sind. Man spricht hier auch von privaten IP-Adressen, die es zu jeder Klasse gibt. Diese Bereiche dürfen Hosts im Internet nicht verwenden, sie kommen nur im LAN zum Einsatz:

10.0.0.0 - 10.255.255.255  172.16.0.0 - 172.31.255.255  192.168.0.0 - 192.168.255.255  

Welcher dieser privaten Adressbereiche im LAN zum Einsatz kommt, bleibt Ihnen überlassen. Die typische Klasse ist ein privates Klasse-C-Subnetz (192.168.XXX.XXX), da dies der Voreinstellung der meisten Router entspricht. Weniger häufig ist ein privates Klasse- A-Subnetz (10.0.XXX.XXX). Für ein VPN (Virtual Private Network) hat es sich eingebürgert, ein B-Subnetz zu verwenden (172.16. XXX.XXX).

Mit IPv6 wird diese Einteilung hinfällig. Stattdessen bezeichnen bei IPv6 die ersten vier Stellen in einer Adresse als Präfix die Art des Netzwerks. Eine typische lokale Adresse im LAN wäre etwa fe80:0 000:0000:0000:0000:1000:1000:1a41. Der Teil „fe80“ stellt eine „Link Local“-Adresse dar, die im Internet nicht geroutet wird – eine Entsprechung zu den privaten Adressen in IPv4-Netzen.

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