Leseprobe 12: Netzwerkverbindungen

Dass mittlerweile nicht mehr nur Drucker, Scanner oder Fax-Geräte im heimischen Netzwerk miteinander verbunden werden können, ist seit einigen Jahren kein Geheimnis mehr. Wie bereits erwähnt, können Filme nicht mehr nur per Disk (DVD, Blu-ray) oder im klassischen Fernsehprogramm angeschaut werden. Smart-TV, HbbTV, Live-TV, Web-TV, Android TV, Apple TV, Amazon Fire TV, Video-Streaming, Set-Top-Boxen, Multimedia-Player, SAT-IP, IPTV, Triple Play, All-IP … und alles via IP über die verschiedenen lokalen Netzwerkverbindungen: Ethernet (LAN), Power-LAN, WPAN oder WLAN. 

Allen gemeinsam ist, dass die Anzahl der Geräte, die in ein solches Heimnetzwerk eingebunden werden können, von Jahr zu Jahr steigt. Während zum Ende des 20. Jahrhunderts lediglich Computer und Drucker in Privathaushalten zu finden waren, die via LAN miteinander verbunden wurden, sind die Geräte heute kaum noch zählbar.

Abbildung 255: Entwicklung des Heimnetzwerkes

Für welche Verbindung man sich im heimischen Netzwerk entscheidet, hängt letztlich von der Beschaffenheit des Hauses, den Ansprüchen der Nutzer und natürlich vom Leistungsumfang des Netzes beziehungsweise der Datenübertragungsrate ab.

LAN (Ethernet)

Die älteste Möglichkeit ist die direkte Verbindung von Netzwerkkomponenten mithilfe von Kabeln. Hierbei stehen sich zwei Geräte quasi Face-to-Face gegenüber. Denn bei der Verbindung über LAN (Local Area Network) werden alle Clients einzeln mit dem Router verbunden, welche zusammen das Ethernet bilden. Klarer Vorteil ist die sichere und weitgehend störungsfreie Vernetzung. Im Rahmen der Netzwerkkonfiguration erfolgt die Zuweisung der IP-Adressen der jeweiligen Endgeräte (Clients) automatisch über den Ethernet-Anschluss vom Server (Router). In diesem Zusammenhang wird der Begriff DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) verwendet.

Ein weiterer Vorteil ist die Leistungsstärke. Keine andere Netzwerkverbindung  bietet Datenübertragungsraten wie das Ethernet. Diese reichen bei Standardverbindungen von 10 Mbit/s über 100 Mbit/s - beim sogenannten Fast Ethernet bis hin zu sagenhaften 1000 Mbit/s im Gigabit-Ethernet. Die Qualität richtet sich grundsätzlich nach der Länge der Kabel innerhalb eines Gebäudes (vgl. hierzu auch das Kapitel „Schnittstellen“). Hier beträgt bei der modernen Form der Kupfer-basierten Twisted-Pair-Verkabelung (TP) die maximale Netzausdehnung hundert Meter. Allerdings bietet das Ethernet über Glasfaser auf Multimodebasis auch Reichweiten von bis zu dreihundert Kilometern.

Der Nachteil liegt auf der Hand. Je mehr Geräte in das Netzwerk integriert werden sollen, desto mehr Kabel müssen verlegt werden. In vielen Büros dienen dazu spezielle Kabelschächte. In der Mietwohnung oder im Eigenheim wird es hingegen beschwerlich, den Fußboden aufzureißen, um den Kabelsalat zu verstauen. Eine kleine Abhilfe könnte eine Patch-Kabeltrommel (Conrad) schaffen. Doch für alle, die Mobilität zu schätzen wissen, wäre diese Lösung auch lediglich ein Tropfen auf den heißen Stein.

Abbildung 256: Patchkabel U/UTP mit RJ45-Stecker (Conrad)

Power-LAN (Powerline)

Bei diesem Begriff kann es leicht zu Verwirrungen kommen, da „Powerline“ sowohl als die Möglichkeit bezeichnet wird, das Internet direkt aus der Steckdose zu beziehen (Powerline Access) als auch über die Steckdose das heimische Netzwerk miteinander zu verbinden (Power-LAN).

Der Übertragungsweg via Stromnetz als DSL-Ersatz verkümmert zu einer regionalen Angelegenheit, wie im Kapitel (Powerline Access) noch näher erläutert werden soll. Die Alternative zum klassischen LAN via Kabel oder WLAN über Funk ist allerdings einen Blick wert, zumal sie sich zunehmend in den privaten Haushalten etabliert. Um weitere Verwirrungen zu vermeiden, wird im Folgenden der Begriff Power-LAN verwendet, auch wenn in der Fachliteratur und -presse parallel auch diverse andere Bezeichnungen praktiziert werden.

Der erste Vorteil, der im Zusammenhang mit dem Stromnetz zu nennen ist, liegt quasi auf der Hand. Die Infrastruktur ist bereits vorhanden. Kein Kabelverlegen. Kein Bohren. Keine Kosten. Im Vergleich zum funkbasierten WLAN bietet die Verteilung über das Stromkabel weniger Störanfälligkeit, jedenfalls was das Internet anbelangt.

Wie funktioniert Power-LAN?

Ganz ohne Kabel und weiteres Equipment geht es natürlich nicht. Das Netzwerksignal muss erst einmal aufgenommen und dann über die Stromleitung (power line) befördert werden. Dazu wird ein Power-LAN-Adapter via Patchkabel mit dem Router verbunden und in eine Steckdose gesteckt. Durch Plug & Play weiß dieser erste Adapter von ganz allein, was er zu tun hat. Er bereitet das Netzwerksignal auf (Modulation), macht es also passend für den Transport über das Stromnetz. Je nachdem, wo das nächste Endgerät (z.B. Smart-TV) steht, wird ein zweiter Adapter in eine Hausstromsteckdose gesteckt und via Patchkabel mit dem Fernseher oder einem anderen Endgerät verbunden.

Abbildung 257: Power-LAN - stabile und schnelles Internet via Stromleitung (devolo)

Hier wird das IP-Signal demoduliert und das Internet quasi in den Fernseher befördert. Das stationäre Endgerät kann also sowohl Strom als auch Internet aus der Dose beziehungsweise dem Adapter ziehen. Insofern bietet Power-LAN eine stabile Verbindung und lässt sich einfach installieren: Auspacken. Einstecken. Loslegen. Sogenannte Starterkids mit einem Sender und einem Empfänger gibt es im Handel schon für unter 100 Euro. 

Zu den bekanntesten und erfolgreichsten Herstellern gehört neben AVM die Firma devolo. Nach eigenen Angaben besitzen weltweit über zehn Millionen Haushalte bereits die Power-LAN-Adapter aus diesem Hause. Die aktuellen Geräte versprechen stolze Datenraten bis zu 600 Mbit/s, und zwar aus jeder Steckdose. Mit dem Werbeslogan „Funktioniert, wo andere versagen“, macht sich devolo auf, den Markt zu erobern.

Die lokalen Steckverbindungen gewährleisten (ähnlich wie LAN) naturgemäß eine Sicherheit, die WLAN nicht bieten kann. Darüber hinaus muss man nicht bei jedem Gerät den mitunter langen Netzwerkschlüssel eingeben. Das Heimnetzwerk wird genau einmal konfiguriert. Die Hersteller bieten hierzu die passende Software, die in der Regel für alle Betriebssysteme (Windows, Mac OS X, Linux) kompatibel ist. Die automatische Verschlüsselung im Adapter bietet deshalb nicht nur mehr Freiheit, sondern vor allem einen aktiven Schutz vor unbefugtem Zugriff Dritter. Ein „Absaugen“ des Netzes durch den Nachbarn ist somit nicht mehr möglich.

Abbildung 258: Devolo dLAN 650 triple+ Starter Kit (600 Mbit/s, 3 LAN Ports)

 

Wer also viel Wert auf eine stabile, sichere und schnelle „Leitung“ legt, der könnte mit Power-LAN eine gute Alternative zum Kabelsalat finden. Multimediakonsolen, Set-Top-Boxen, Smart-TVs, Computer, Drucker etc. lassen sich als stationäre Geräte einfach anschließen. Für Vielnutzer gibt es nunmehr auch Adapter mit mehreren LAN-Anschlüssen.

Natürlich ist aber auch hier ein Haken zu finden. Mobile Smartphones, iPods, Tablets und insbesondere ausgesprochene WLAN-Geräte lassen sich über Power-LAN-Adapter selbstverständlich nicht im heimischen Netzwerk integrieren. Da jeder WLAN-Router aber über entsprechende Schnittstellen verfügt, ist eine parallele Anwendung jederzeit möglich. Außerdem verfügen viele Power-LAN-Adapter bereits über integrierte WLAN-Sender.

So bietet die Firma TP-Link einen Adapter, der über eine sogenannte WiFi-Clone-Taste verfügt, mit der SSID und Passwort des WLAN-Netzwerkes automatisch eingelesen werden. Der Hersteller verspricht mit seinem Modell TL-WPA4220KIT verschiedene Datenraten – je nach Übertragungsmodus: LAN (100 Mbit/s), Powerline (500 Mbit/s), WLAN (300 Mbit). Grundsätzlich eignen sich solche hybriden Adapter selbstverständlich auch, um das WLAN-Netzwerk zu erweitern. Denn die funkbasierte mobile Variante stößt in Bezug auf die Reichweite schnell an ihre Grenzen. Ist die Entfernung zum Netzzugangspunkt (Router) zu weit, weil sich dieser beispielsweise im Keller eines Einfamilienhauses befindet, könnte man im ausgebauten Dachgeschoss immer noch WLAN-Empfang haben, wenn man dort eine solche Adapter-Lösung verwendet.

Abbildung 259: Powerline WLAN Starter Kit 500 MBit/s (TP-LINK)

 

Wer schon auf Power-LAN umgestellt hat und nun seine Internetverbindung mit neuen Adaptern aufpeppen möchte, der sollte wissen, dass die Stecker der einzelnen Serien durchaus abwärtskompatibel sind. Jedoch funktionieren sie nach dem einfachen Prinzip: Wir sind nur so schnell, wie das schwächste Glied in der Kette. Sollte also beispielsweise zwischen Adaptern der 650er-Produktreihe von devolo irgendwo im Haus noch ein 200-Stecker sein Dasein fristen, dann ist es durchaus möglich, dass die versprochene Datenrate von 600 Mbit/s nicht erreicht wird.

Ebenfalls negativ zu bewerten sind die Störungen insbesondere im Kurzwellenbereich, die durch Power-LAN-Adapter verursacht werden. Obwohl die Hersteller behaupten, dass die aktuelle Technik nicht für solche Funkstörungen verantwortlich ist, kann sich der Einsatz eines Steckdosen-Netzwerks auf den Radioempfang auswirken. Dass Funkamateure und passionierte Radiohörer sehr wohl ein Knacken in der Leitung hören, liegt insbesondere daran, dass die Stromleitungen nicht für die Datenübertragung konstruiert wurden. Die klassischen Stromkabel sind ungeschirmt und nutzen für die Übertragung Frequenzbereiche zwischen 2 und 68 MHz. Damit wirken sie – wenn auch unbeabsichtigt - wie Antennen für den gesamten Kurzwellenbereich, der zwischen 3 und 30 MHz liegt.

Verschwiegen wird in den Hochglanzprospekten der Hersteller oft auch, dass die Entfernung zwischen Netzzugang und Endgerät bei Verlängerung über das Stromnetz entscheidend bleibt. Noch dazu ist die Datenrate von 600 Mbit/s zwar schön anzusehen, doch relevant für ruckelfreies Streaming ist der Downstream. Bei einem 16.000er DSL-Anschluss sind das direkt am Router tatsächlich 16 Mbit/s, ein Stockwerk höher liegt die Downloadgeschwindigkeit vielleicht noch bei 10 bis 12 Mbit/s, Tendenz auch hier fallend. Wobei natürlich zu erwähnen ist, dass Power-LAN immer noch stabiler funktioniert als WLAN.

WPAN (Bluetooth)

Obwohl Bluetooth keine klassische Netzwerkverbindung darstellt, eignet sich dieses spezielle Funkverfahren ebenfalls für die kabelfreie Datenübertragung zwischen Geräten – allerdings nur mit kurzer Distanz. Entwickelt wurde der Industriestandard gemäß IEEE 802.15.1 bereits in den 1990er-Jahren von der Bluetooth Special Interest Group (SIG). 

Abbildung 260: Bluetooth-Logo

Dabei handelt es sich – ähnlich wie die Wi-Fi-Alliance - um einen Zusammenschluss von Unternehmen, die daran interessiert sind, die entsprechende Technologie zu entwickeln sowie zu vermarkten. Über 8000 Hersteller aus der ganzen Welt gehören mittlerweile zur Bluetooth-Group, die im Jahre 1998 von den Firmen Ericsson, IBM, Intel, Nokia und Toshiba gegründet wurde. Im Laufe der Zeit kamen weitere namhafte Größen der Technikbranche hinzu. So beispielsweise Microsoft und Motorola.

Was nun blaue Zacken oder Zähne mit einer modernen Funkübertragung zu tun haben, darüber könnte man sich streiten. Eine bekannte Erklärung ist die, dass der Name „Bluetooth“ tatsächlich auf den berühmten dänisch-norwegischen König Harald Blauzahn (King Bluetooth) zurückgeht, der im 10. Jahrhundert die verfeindeten Gebiete von Dänemark und Norwegen vereinte. Obwohl die Historiker sich nicht einmal einig darüber sind, warum der einstige König überhaupt „Blauzahn“ genannt wurde, könnte die Verknüpfung seiner Initialen durchaus das heute nicht nur in Skandinavien bekannte Bluetooth-Logo erklären.

Abbildung 261: Hintergrund des Bluetooth-Logos


Im Gegensatz zu WLAN und Wi-Fi steht hinter der Bezeichnung „Bluetooth“ sowohl das Markenzeichen als auch der Name der Spezifikation für das entsprechende Funkverfahren. Dieses wurde hauptsächlich von den Wissenschaftlern Jaap Haartsen (Niederlande) und Sven Mattisson (Schweden) im Auftrag von Ericsson entwickelt. Ergänzt wurde die Technologie von Nokia und Intel. Im Wesentlichen basiert Bluetooth auf dem WPAN-Verfahren (Wireless Private Local Area Networks) und unterstützt damit die Verbindungsstandards „Punkt zu Punkt“ sowie „Ad-hoc“. Insofern eignen sich Bluetooth-Verbindungen für die Funkkommunikation von Geräten mit geringer Reichweite. In diesem Zusammenhang spricht man auch von der Short-Range-Wireless-Technologie (SRW). Dabei werden Entfernungen von bis zu zehn Metern erreicht. Mithilfe von Verstärkern kann die Distanz zwischen zwei Endgeräten sogar auf maximal einhundert Meter erhöht werden.

Die Übertragung erfolgt im lizenzfreien ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical Band) bei Frequenzen um 2,4 GHz. In diesem Zusammenhang kann es zu Störungen durch WLAN, Schnurlostelefone oder sogar Mikrowellengeräte kommen. Um dem entgegenzuwirken, wird ein sogenanntes Frequenzsprungverfahren eingesetzt. Beim „frequency hopping“ wird das verwendete Frequenzband in 79 Stufen mit einem jeweiligen Abstand von 1 MHz eingeteilt, der bis zu 1.600 Mal pro Sekunde gewechselt wird. Eine andere Möglichkeit bieten Multislot-Pakete, bei denen die Frequenz nicht so oft gewechselt wird. Hier existiert am oberen und unteren Ende des Frequenzbandes ein sogenanntes „guard band“ (Sicherheitsband), um die benachbarten Frequenzbereiche abzuschirmen.

Abbildung 262: Sony-Bluetooth-Kopfhörer MDR-XB950BT

 

Seit Dezember 2014 ist der neue 4.2-Standard auf dem Markt. Der Schwerpunkt liegt hier auf verbesserten Sicherheitsmerkmalen und einer höheren Übertragungsgeschwindigkeit. Hierzu bietet Bluetooth 4.2 erstmals die Verwendung des IPv6-Standards im Rahmen des Internet Protocol Support Profile (IPSP). Damit wird eine IP-IP-Konnektivität gewährleistet, die es bisher noch nicht bei Bluetooth gab. Denn die Sicherheit der Verbindung war seit der Markteinführung ein Manko, dem nur schwer begegnet werden konnte. Vor allem dann, wenn die Nutzer sich nicht freiwillig durch Passwort vor unbefugtem Eindringen Dritter geschützt haben. Auch zu kurz gewählte Pin-Codes können im Übrigen viel zu schnell gehackt werden. Deshalb sollte die bisher optionale Authentifizierung während des Verbindungsaufbaus in jedem Fall in Anspruch genommen werden.

Mit Bluetooth 4.2 werden zusätzliche Datenschutztechniken verwendet, die nicht mehr nur optional sind. So wird das Senden von Informationen über eine Bluetooth-Verbindung erschwert, wenn keine explizite Zustimmung des offiziellen Nutzers erfolgt, das heißt, bestimmte Dienste bedürfen zukünftig generell der ausdrücklichen Genehmigung des Anwenders. Darüber hinaus ist die beste Sicherheit selbstverständlich dann gegeben, wenn man die Bluetooth-Funktion an seinem Smartphone, Laptop etc. generell ausschaltet und nur während einer gewünschten Übertragung aktiviert.

Da moderne Bluetooth-Geräte ab Version 2.0 mit der DER-Technologie (Enhanced Data Rate) eine Übertragungsgeschwindigkeit von über 2 Mbit/s zulassen, wird Bluetooth nicht mehr nur für den Austausch geringer Daten (z.B. Fotos) genutzt.

Abbildung 263: Bluetooth® Musik-Empfänger LogiLink BT0020 (Version: 2.1 + EDR)


Mithilfe entsprechender Klinkenanschlüsse können heute kabellos Kopfhörer oder kleine Soundanlagen mit dem Fernseher oder aber die Hi-Fi-Anlage mit Bluetooth-fähigen Laptops oder Smartphones verbunden werden. So kann die Musik aus der virtuellen Cloud vom mobilen Endgerät auf die alte Stereoanlage im Wohnzimmer oder aber das Autoradio gebracht werden. Der LogiLink Bluetooth Audio Receiver (2.1) erlaubt beispielsweise eine Abspieldauer von bis zu zwölf Stunden (Standby: über 200 Stunden) dank integriertem Akku – bei einer Reichweite von bis zu zehn Metern.

Für die kabelfreie Verbindung kleiner Geräte auf kurzen Distanzen ist Bluetooth insofern eine geeignete Alternative, zumal die Übertragung als solche kostenlos ist. Allerdings bleibt die Bandbreite im 2,45-GHz-ISM-Frequenzband begrenzt. Bei synchronen Übertragungen können nur wenige Geräte miteinander verbunden werden. Auch wenn die Bluetooth-SIG spezielle Erweiterungen im Rahmen der PHY- und MAC-Schicht der IEEE-802.11-Spezifikationen plant, bleibt der WLAN-Standard die derzeit einzig praktikable Lösung im Rahmen einer komplett kabellosen Netzwerkverbindung.

WLAN (WiFi)

Und Fakt ist: modernes Entertainment funktioniert heute weitgehend kabellos – vom Keller bis zum Dach. So weit, so gut. Aber wie? In vielen Restaurants, Bahnhöfen, Hotels, öffentlichen Einrichtungen und sogar mobil über Hotspots ist heute die drahtlose Funkverbindung WLAN nahezu Standard.

Abbildung 264: Wi-Fi-Logo in einer Bar in Italien (www.kokomilano.it)


Auch aus den meisten Privathaushalten ist Wireless Local Area Network (WLAN) - also die drahtlose örtliche Vernetzung - kaum noch wegzudenken. Smart-TVs, Set-Top-Boxen und die mobilen Endgeräte sowieso verfügen über entsprechende Schnittstellen (integriertes WLAN) oder zumindest Optionen für externe Adapter per USB (adaptiertes WLAN).

Obwohl der Begriff „Wireless Local Area Network“ aus dem Englischen stammt, sucht man insbesondere im englischsprachigen Raum, wie in den USA, Großbritannien, Kanada aber auch in Spanien, Frankreich, Italien oder der Niederlande die Bezeichnung WLAN zumeist vergeblich. Auch in Deutschland setzt sich immer mehr der Kunstbegriff WiFi durch, der oft auch synonym für WLAN-Hotspots oder eben die kabelfreien Netzwerkverbindung genutzt wird.

Dabei ist „Wireless Fidelity“ lediglich ein Markenbegriff und zudem eine Analogie zu „High Fidelity“ (Hi-Fi) – dem Qualitätsstandard aus der Audiotechnik. Der Kunstbegriff Wi-Fi ist im Grunde also nichts anderes als ebenfalls ein Qualitätsstandard aus der IP-Technik, der von einem Firmenkonsortium erfunden wurde, das entsprechende Zertifikate für Geräte mit Funkschnittstellen vergibt.

Aber auch wenn Wi-Fi, dem IEEE-Zertifizierungsstandard der WiFi-Alliance, streng genommen nicht identisch ist mit WLAN als Netzwerkverbindung über Funk, ist dieser Begriff heute auf der ganzen Welt bekannt. Ursprünglich bildete sich die Wi-Fi-Alliance unter dem Namen Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) Ende der 1990er Jahre und umfasste mehr als 300 Unternehmen. Zu ihnen gehörten unter anderem Apple, Asus, Canon, Dell, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Lexmark, Microsoft, Nintendo, Nokia, Philips, Samsung, Sony, Toshiba. Das Konsortium prüfte und entwickelte diverse Komponenten und vergab auf Basis des IEEE-802.11-Standards das Wi-Fi-Zertifikat. Der Zusammenschluss aller namhaften Hersteller zur Wi-Fi-Alliance gewährleistet damit eine Kompatibilität verschiedener Wireless-Geräte und nicht zuletzt eine herstellerunabhängige Interoperabilität.

Abbildung 265: Logo der Wi-Fi-Alliance


Bis heute (Stand: 2015) setzt das Konsortium den weltweit allgemeingültigen Wi-Fi-Standard durch. Ende 2002 etwa wurde durch die Wi-Fi-Alliance der neue IEEE-Standard 802.11i etabliert, der auch als WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2) bekannt ist. Dabei handelt es sich um eine seinerzeit neue Verschlüsselungstechnik, die Sicherheitsstandards in Funknetzwerke implementiert. WPA2 basiert auf verschiedenen Standards. Unter anderem auf dem WPA-Vorgänger Wired Equivalent Privacy (WEP), der mittlerweile als unsicher gilt. Im Gegensatz dazu wird WPA2 als relativ sicher eingestuft, weshalb auch der Begriff RSN (Robust Security Network) synonym verwendet wird.

WLAN findet sich auf der ersten und zweiten Schicht des OSI-Referenzmodells wieder. Als Modulationsverfahren wird in der Regel das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) verwendet. Je nach Hardwareausstattung und Anforderungsprofil kommen für WLAN verschiedenen Modi in Frage. Zum einen zählt hierzu der bereits erwähnte Ad-hoc-Modus, welcher grundsätzlich für die spontane Vernetzung einzelner Endgeräte genutzt wird. Allerdings sind in diesem Zusammenhang sowohl Infrarot als auch vor allem Bluetooth die bekanntere Methode. Das favorisierte und in Privathaushalten am meisten verbreitete Verfahren für WLAN ist der Infrastruktur-Modus mit einer Basisstation (Router) und mehreren Clients (z.B. Laptop, PC, Tablet, Smartphone, Smart-TV, Receiver, Streaming-Box).