Weltweite Drehscheibe Internet

Achim Scharf

500 Millionen Nutzer dürfte das Internet im Jahr 2003 zählen, rund 170 Millionen sind es laut den Marktforschern von Forrester Research dann allein in Westeuropa, 200 Millionen in den USA und knapp 80 Millionen in Fernost. Die EITO (European Information Technology Observatory) ist noch optimistischer und zählte im Jahr 2001 allein in Westeuropa knapp 149 Millionen Internet-Nutzer, deren Zahl bis zum Jahr 2005 auf rund 247 Millionen entsprechend einer jährlichen Wachstumsrate von 14 Prozent ansteigen soll. Wenn auch die auf die Zukunft projizierten Zahlen einer gewissen Unsicherheit unterliegen, ist der Trend jedoch klar - das Internet ist schon heute das Netz der Netze.

Vom Militär zu Multimedia

Das Internet wurde Ende der 1960er Jahre in den USA zunächst als Arpanet (ARPA - Advanced Research Project Agency) für militärische Zwecke eingerichtet. Dahinter stand der Gedanke, Computernetze auf fehlertolerante Weise zu verbinden, auch wenn Teile des Netzes zerstört sind. Wesentliche Voraussetzung dafür waren dezentrale Kommunikationsstrukturen; entsprechend gibt es im Internet keinen zentralen Kommunikationskanal und keinen zentralen Computer. Allenfalls verbinden sogenannte Backbone-Netze einzelne Subnetze, aber auch diese sind gegen Ausfall über andere Backbones gesichert.

Anfangs bestand das Internet aus nur vier Netzwerken; nach der Öffnung für zivile Anwendungen waren nach einem Vierteljahrhundert bereits die meisten Universitäten der westlichen Welt und zahlreiche Forschungsinstitute angeschlossen. Viele Unternehmen nutzten das Internet fast ausschließlich für die elektronische Post. Im Prinzip ist das Internet ein Zusammenschluss vieler autonomer Teilnetze (Subnetze), die mit unterschiedlichen Übertragungsverfahren arbeiten können. Sind diese unterschiedlichen Übertragungsverfahren miteinander kompatibel bzw. lassen sie sich aufeinander abbilden, erscheint für einen Benutzer das gesamte Internet als ein großes einheitliches Netzwerk.

In den Jahren 1989 und 1990 entwickelten Tim Berners-Lee und Robert Cailliau am Genfer Centre Européen Recherche Nucléaire (CERN) eine äußerst einfache Methode, um im Internet verstreute Dokumente elektronisch miteinander zu verknüpfen. Das war deshalb nützlich, weil wissenschaftliche Arbeiten in der Regel zahlreiche Querverweise enthalten und Benutzer durch die elektronischen Verknüpfungen in der Lage waren, die entsprechenden Querverweise sofort abzurufen. Da Dokumente ständig aufeinander verweisen, ergeben die Verbindungen ein logisches Netzgeflecht. Deshalb tauften Berners-Lee und Cailliau ihre Schöpfung "World Wide Web (WWW)", oft einfach nur "Web" genannt. "Die Welt ist die Bibliothek des Webs", so Berners-Lee damals. In diesen Jahren wurde auch der erste Browser für einen Next-Computer am CERN entwickelt, und das Web verbreitete sich wie ein Buschfeuer in der wissenschaftlichen Gemeinde. Während Berners-Lee sich in der Folgezeit stärker mit der weiteren Entwicklung des Web befasste und 1994 zum amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) wechselte und heute das World-Wide Web Consortium (W3C) leitet, konzentrierte sich Cailliau mehr auf die Entwicklung von Tools für die Physiker am CERN.

1993 entwickelten Marc Andreessen und Eric Bina am National Centre for Supercomputing Applications (NCSA) in den USA ein Grafikprogramm (Mosaic), das Webdokumente anzeigen konnte. Andreessen wurde anschließend Mitbegründer der Firma Netscape, die auf Basis von Mosaic den Netscape-Browser entwickelte. Netscape und das WWW sorgten für ein explosives Wachstum an Internet-Nutzern, da es nun für jeden Benutzer eines Unix-, MacIntosh- oder Windows-Rechners sehr einfach war, Informationen aus jedem Websystem von jedem Punkt der Welt per Mausklick auf den Bildschirm zu holen. Auch der wenig später von Microsoft entwickelte Internet Explorer basiert auf NCSA Mosaic.

Große amerikanische Internet Service Provider (ISP) wie AT&T, Cable & Wireless, GTE, Sprint und UUNet übernahmen in der Folge das Kernnetz und bauten breitbandige Verbindungen zu Providern auf kontinentaler Ebene auf. Die nächste Stufe in der Hierarchie ist die nationale Ebene, gefolgt von der lokalen. Verbindungen gibt es nicht nur in vertikaler, sondern auch in horizontaler Richtung, so dass ein komplexes vermaschtes Gebilde entstand.

In vielerlei Hinsicht ist das Internet mit dem alten Mainframe-Modell, bei dem der Browser wie ein dummes Terminal agiert, vergleichbar. So lagern alle erforderlichen Informationen in zentralen Datenbanken, werden nacheinander auf einer Seite aufbereitet und dem Nutzer bereit gestellt. Eine Webseite ist daher nur die visuelle Darstellung von Daten und spiegelt nicht die zugrunde liegenden Daten selbst wieder. Das heißt, Anwender können sich die Seite zwar ansehen, aber weder auf Knopfdruck bearbeiten, noch mit Anmerkungen versehen, und auch jede individuelle Aufbereitung der Informationen ist äußerst schwierig. Doch lassen sich mit den Browsern und Zusatzprogrammen (Plug-Ins) auch multimediale Informationen in Bild und Ton darstellen.

Das WWW wurde damit vom rein wissenschaftlichen Betrieb gelöst und kommerzialisiert. In dieser euphorischen Phase entstanden viele neue Unternehmen (Start-ups), die aus dem Internet mit Geschäftsmodellen wie E-Commerce Kapital schlagen wollten. Diese Euphorie ist seit Ende 2001 weitgehend verflogen, da sich das elektronische Geschäft besonders mit Privatkunden (B2C - Business to Consumer) nicht durchsetzte. Dennoch bietet das Internet viele neue Perspektiven für B2B (Business to Business - Geschäftsbeziehungen zwischen Unternehmen) oder für den Transport multimedialer Inhalte. "Die damalige Entscheidung, die Basistechnologien des Web und die dazu gehörigen Protokolle ohne Lizenzgebühren zur Verfügung zu stellen, war ein wesentlicher Faktor für die heutige Verbreitung. Ohne diese Politik hätte die enormen Investitionen einzelner Persönlichkeiten oder von Unternehmen nicht stattgefunden und wir hätten kein Web", stellt Berners-Lee fest.

Heute ist das Internet oder WWW ein Verbund aus vielen Zehntausenden von Computernetzen, die über leistungsfähige Datenleitungen (meistens Glasfasern mit hoher Bandbreite) miteinander verbunden sind. Auf Hosts oder Servern sind Informationen gespeichert, die über eine feste Internet-Adresse (vier durch Punkte getrennte Zahlengruppen, beispielsweise 123.45.678.9) oder zugeordnete symbolische Adressen, z. B. http://www.xyz.com von Clients (Rechnern mit einem Zugang zum Internet, z. B. einem Browser) abgerufen werden können. Durch die vermaschte Vernetzung der Hosts können Clients von jedem Punkt der Erde auf diese Informationen zugreifen. Die verfügbare Bandbreite in den einzelnen Netzsegmenten teilen sich jedoch alle Teilnehmer, so dass zur Sicherstellung einer bestimmten Dienstgüte besonders im Kernnetz und zu den kontinentalen Teilnetzen möglichst hohe Bandbreiten erforderlich sind, und multimediale Daten erfordern auch breitbandige Teilnehmerzugänge.

Mehr Bandbreite durch Lichtwellenleiter

Das Volumen das Internet-Verkehrs nimmt jedes Jahr um mindestens 50 Prozent zu, einige Internet-Service-Provider verzeichnen sogar eine Verdoppelung des Verkehrsaufkommens alle sechs Monate. Diese Tendenz dürfte sich in den kommenden Jahren beschleunigt fortsetzen. Derzeit summiert sich der weltweite Datenverkehr im Internet auf rund ein TeraBit pro Sekunde (TBit/s) und wenn sich diese Entwicklung so fortsetzt, wird das Internet allein in den USA im Jahr 2005 eine Bandbreite von mehr als 280 TBit/s erfordern. Ein TeraBit entspricht einer Billion Bit oder dem Inhalt von knapp 300.000 dicken Lexika. Die Übertragungskapazität der Transportnetze nimmt jedoch mit fortschreitender Entwicklung auf dem Gebiet der Glasfaser- und der optischen Systemtechnologien zu.

Bei der Weiterentwicklung hin zu rein optischen Netzen spielen die unterschiedlichen Geschwindigkeitszunahmen der elektronischen und der optischen Technologien eine wichtige Rolle. Steigt sie in der Optik pro Jahr um den Faktor 2, so beträgt der Faktor in der Elektronik nur knapp 1,5. Das bedeutet, dass die Engstellen bei elektronischen Übertragungssystemen zunehmen, denn es gibt keine elektronischen Baugruppen, mit denen sich Datenraten im TBit/s-Bereich übertragen lassen. Das bedeutet unter anderem, dass die Wellenlängen-Multiplexer-Technik in den nächsten Jahren noch mehr an Bedeutung gewinnen wird. Damit stehen bei dieser Entwicklung bis zum Jahr 2010 so große Kapazitäten zur Verfügung, dass für jeden Menschen auf der Erde 100 MBit/s an Übertragungsbandbreite vorhanden sind.

So wie sich jährlich die Übertragungskapazität pro Glasfaser verdoppelt, wird auch die Menge an installierten Glasfasersystemen jedes Jahr um 15 bis 20 Prozent zunehmen. Allein zwischen 1999 und 2000 wurden Glasfaserkabel von einer Länge hergestellt, um die Erde 1000mal am Äquator zu umrunden.

Mit WDM (Wavelength Division Multiplexing) lassen sich die Transportkapazitäten bestehender Glasfasernetze auf wirtschaftliche Weise erhöhen. Durch die Nutzung optischer Multiplexer und Verstärker werden beim WDM mehrere optische Signale miteinander kombiniert, als Gruppe verstärkt und zum Zwecke der Kapazitätssteigerung gemeinsam über eine einzige Glasfaser übertragen.

Die verfügbare Übertragungskapazität ergibt sich aus der Zahl der Wellenlängen und der Datenrate pro Wellenlänge. Eine Erweiterung des WDM ist Dense WDM (DWDM). DWDM multiplext noch mehr optische Signale über die selbe Glasfaser. Hier sind derzeit 80 Wellenlängen über eine Glasfaser übertragbar, die siebenmal dünner als ein menschliches Haar ist. Derzeit gibt es noch keine verbindlichen Standards und daher sind Produkte verschiedener Hersteller untereinander nicht interoperabel. Die ITU-T hat kürzlich Arbeiten zur DWDM-Standardisierung in Angriff genommen.

Mit Hilfe von optischen Verstärkern können laut Siemens Strecken von über 1000 km allein mit optischen Komponenten überwunden werden, bevor die einzelnen Signale wieder aufgespaltet und elektrisch regeneriert werden müssen. Wegen dieser technischen Möglichkeiten wird WDM heute in den Weitverkehrsnetzen eingesetzt. Auch die Deutsche Telekom AG investiert in diese Technik und stellt bereits heute ein DWDM-Transportnetz mit einer Übertragungskapazität von 40 GBit/s je Wellenlänge zur Verfügung. DWDM dürfte die Breitband-Transporttechnik der Zukunft sein. Auch in City-Netzen wird (D)WDM verstärkt eingesetzt, allerdings nicht aus denselben Gründen wie auf der Langstrecke, denn im Stadtnetz gelten andere ökonomische Randbedingungen. Es geht nicht darum, möglichst viel Daten möglichst weit zu transportieren, sondern die Netze sollen vielmehr flexibel und kostengünstig betrieben werden. Flexibel heißt in diesem Zusammenhang, es sollte möglich sein, verschiedene Protokolle und Formate übertragen zu können.

Breitbandige Wege in das Internet

Eine Homepage im Internet ist gerade für kleinere Unternehmen wertvoll, um ihr Leistungsspektrum weltweit mit geringen Kosten präsentieren zu können. Doch viele Wege führen nach Rom, so auch in das Netz der Netze. Das gilt für den Zugang in das Internet für Informationsanbieter als auch für Informationsabrufer.

Die Nachfrage an Bandbreite speziell für den schnellen Zugang zum Internet, für Videokonferenzen, interaktives Fernsehen, oder die Verbindung von lokalen Netzwerken über sogenannte virtuelle private Netze (VPN) steigt rapide. Bevorzugtes Medium ist immer noch die zweiadrige Telefonleitung, die vom Hausanschluss bis zur nächsten Vermittlungsstelle führt, die sogenannte letzte Meile. Hier ist der Löwenanteil an Investitionen der Telekommunikationsinfrastruktur vergraben, und deswegen tun sich die Telekoms schwer, technische Alternativen anzubieten. ISDN mit 64 kBit/s ist auf dieser Strecke keine Schwierigkeit, doch die technischen Möglichkeiten reichen mit bis zu 26 Megabit pro Sekunde viel weiter, sofern die Distanz zwischen Teilnehmer und Vermittlungsstelle einige Kilometer nicht überschreitet.

Unter dem Kürzel DSL (Digital Subscriber Line) wurden verschiedene Techniken entwickelt, um auf den vorhandenen Kupferkabeln auf kurze Distanzen hohe Bandbreiten fahren zu können. Nach bislang eher zögerlicher Entwicklung steht der europäische Breitband-Markt jetzt kurz vor der Explosion. High-Speed-Internetdienste und das zunehmende Datenvolumen sorgen für eine immense Nachfrage nach Breitband-Zugang. Die Marktforscher von Frost & Sullivan rechnen mit einer Steigerung der europäischen Abonnentenzahl von derzeit rund 13 Millionen auf 28 Millionen im Jahr 2006. 2001 waren es gerade mal drei Millionen.

Entwicklung des Internet-Protokolls

Die Übertragungsprotokolle, also die festen Regeln für die zeitliche Reihenfolge des Datenaustausches im Internet, wie das Internet-Protokoll (IP), die Transportschicht (UDP, TCP) aber auch die Anwendungsprotokolle File Transfer (FTP), E-Mail (SMTP) oder WWW (HTTP) wurden von der IETF (Internet Engineering Task Force) sukzessive standardisiert.

Das Internet Protocol (IP) ist das weltweit verbreitetste Protokoll überhaupt. Es arbeitet verbindungslos entsprechend der Vermittlungsschicht (3) des OSI-Modells, d.h. es gibt keine aufgebaute Ende-zu-Ende-Verbindung. Es transportiert die Datenpakete von einem Sender zu einem Empfänger über mehrere Teilnetze (Router) hinweg. Eine kurzfristige logische Verbindung wird dabei immer nur zwischen zwei Routern bei der Übergabe eines Datenpakets aufgebaut. Routing zählt daher zu der wesentlichen Aufgabe des IP-Protokolls. Typischerweise durchläuft ein IP-Paket Teilstrecken von vier bis sieben Providern und bis zu 14 Hops. Entsprechend hoch sind die Verzögerungen. Von Echtzeitübertragung kann deshalb kaum die Rede sein. Zudem ist nicht garantiert, dass ein Datenpaket in der richtigen Reihenfolge oder überhaupt ankommt, und eine Empfangsbestätigung wird auch nicht geliefert.

Zur eindeutigen Adressierung von Sender und Empfänger verfügt das heutige Internet-Protokoll über jeweils 32-Bit-Adressen, organisiert in vier Byte. Diese vier Byte sind abhängig vom ersten Byte in die Klassen A bis D eingeteilt. Die Adressen der Klasse A beziehen sich auf große Netze mit beispielsweise sieben Bit für die Netzwerknummer 0 bis 127 und 24 Bit für die Hostadressen. Der Adressraum reicht von 1.0.0.0 bis 127.255.255.255. Adressen der Klasse B beginnen mit einer Zahl zwischen 128 und 191 und umfassen den Adressbereich von 128.0.0.0 bis 191.255.255.255, 14 Bit sind der Netz-ID und 16 Bit der Host-ID zugeordnet.

Damit sind theoretisch 16384 Netzwerke und je Netzwerk 65536 Hosts adressierbar. Die Adressen der Klasse C liegen zwischen 192 und 223 (Adressraum 192.0.0.0 bis 223.255.255.255), die 21-Bit-Netz-ID adressiert 2097152 Subnetze mit je 8-Bit-Host-IDs (256). Die Adressen der Klasse D liegen zwischen 224 und 239 (Adressbereich 224.0.0.0 bis 239.255.255.255). Der 28-Bit-Identifikator erlaubt 2684435456 Gruppen.

Da die im Internet (nicht in lokalen Netzen) verwendeten IP-Adressen weltweit eindeutig sein müssen, gibt es im gesamten Internet nur 128 Klasse-A-Netze mit jeweils maximal 16 Millionen Teilnehmern. Andererseits gibt es mehr Klasse-A/B-Netze mit entsprechend weniger Teilnehmern. Klasse D ist nicht für den Datenaustausch zwischen Sender und Empfänger, sondern für Multicast (ein Sender, mehrere Empfänger) vorgesehen.

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist innerhalb der Internet-Protokolle das verbindungsorientierte Transportprotokoll oberhalb von IP und wird meist zusammen mit diesem eingesetzt (TCP/IP). Seine Funktionalität entspricht der eines ISO-Transportprotokolls der Klasse 4 der Transportschicht und es wird angewendet, wenn der Dienst der darunter liegenden Schicht entweder nicht ausreichend ist oder explizit verbindungsorientiert gearbeitet werden muss. TCP bietet Auf- und Abbau von Ende-zu-Ende-Verbindungen zwischen adressierten Anwendungen, Ende-zu-Ende-Fehlererkennung und Behebung von Fehlern durch Prüfsummen, Ende-zu-Ende-Flusskontrolle sowie Sequenzierung. Es leistet damit eine zuverlässige und Reihenfolge erhaltende Übertragung von Nutzinformationen.

Ein neues Internet-Protokoll, IP Version 6 (IPv6), soll die Begrenzungen des heutigen IPv4 aufheben. Dazu gehört besonders der limitierte Adressraum, der sich heute schon negativ bemerkbar macht, denn der Bedarf an Adressen explodiert geradezu. Bereits 1996 waren alle Klasse-A-Netze sowie die Mehrzahl der Klasse-B-Netze vergeben. Aus diesem Grunde müssen große Firmen und Organisationen ihre privaten Netze mit einer Adressumsetzung (Network Address Translation - NAT) oder Proxy-Servern an das Internet anbinden und benötigen daher nur eine weltweit gültige IP-Adresse.

IPv6 bietet eine Adressierung von 128 Bit (16 Byte) jeweils für Sender und Empfänger, ausreichend für Abermilliarden von Nutzern und Trillionen an unterschiedlichsten Geräten. IPv6 beinhaltet zudem eine Reihe von Funktionen, mit denen sich neue Dienstgütemerkmale (QoS) realisieren lassen. Dazu gehören mehrere Serviceklassen, Priorisierungen oder Bandbreitenreservierung.

IPv6 wird vor allem die Begrenzungen in der Adressvergabe aufheben. Die Vergrößerung des Adressteils von vier auf 16 Byte gewährleistet, dass IP-Adressen für alle Anwendungen und Nutzer bereitgestellt werden können. Die von Anfang an strukturierte Vergabe von Adressen wird zu einer Vereinfachung beim Routen des Internet-Verkehrs führen. Durch den großen Adressraum können neue Geräteklassen vom Handy bis zu Home-Geräten das Internet als Verbindung nutzen - sie werden somit internetfähig. Plug&Play-Möglichkeiten erhöhen die Anwendungsbreite des Internets, neue Dienstqualitäten und integrierte Sicherheitsmaßnahmen tragen ebenso zu weiterer Verbreitung und zu verbesserten Nutzungseigenschaften bei. Doch noch scheinen die großen internationalen Internet-Service-Provider gegenüber IPv6 zurückhaltend zu sein, offensichtlich wegen des riesigen Investments in die bestehende Infrastruktur und hier besonders bei Routern.

Cisco unterstützt ab der IOS Software-Version 12.2(1)T IPv6, die auf den Routern der Serien 800, 1400, 1600, 1700, 2500, 2600, 3600, 4500 und 4700; AS5300 und AS5400 Universal Access Server; 7100, 7200 und 7500 sowie 7600 und 12000 läuft. Auch von Hitachi, Nortel, Juniper und 6Wind gibt es bereits IPv6-fähige Router.

IPv6 befindet sich derzeit in der Beta-Testphase. Über das internationale Testnetz "6BONE" wird weltweit das neue Protokoll getestet. Der Übergang von IPv4 zu IPv6 wird in unterschiedlichen Stufen geschehen. Das große Interesse aus allen Bereichen von Industrie und Wissenschaft lässt vermuten, dass sich dieser Prozess des Übergangs zunehmend beschleunigen wird. Dennoch wird es viele Jahre eine Koexistenz der beiden Protokolle geben.

Selbststeuerndes Internet in Sicht

Siemens will in dem 2002 aufgesetzten Forschungsprojekt KING (Komponenten für das Internet der Nächsten Generation) eine umfassende Lösung entwickeln: Bei gleichbleibender Servicequalität soll ein breitbandiges Netz mit hoher Verfügbarkeit entstehen, das zudem effizient gesteuert und damit auch wirtschaftlich betrieben werden kann. Neben der Netzwerksparte von Siemens sind sieben Forschungsinstitute und Universitäten eingebunden. Damit die Lösungsansätze direkt auf ihre Tauglichkeit getestet werden können, modellieren in einem Testlabor fünf Router 20 Netzknoten im Internet.

Bereits wenige hundert Millisekunden Verzögerung führen bei der Sprachkommunikation zu deutlich wahrnehmbaren Qualitätseinbußen. Im ersten Schritt erhalten deshalb Pakete für Echtzeitkommunikation virtuelle Aufkleber (Label), die den Netzknoten (Routern) hohe Priorität beim Versenden anzeigen. Das Gesamtvolumen des priorisierten Verkehrs darf jedoch nicht über alle Maßen anwachsen. KING setzt daher auf eine autonome Netzsteuerung mit einer Zugangskontrolle am Rand des Kernnetzes.

Vorteil dieses Ansatzes: Wenn ein Datenpaket hoher Priorität einmal im Netz ist, gelangt es verzögerungsfrei ans Ziel. Außerdem unterstützt ein Steuerrechner, der mit den Netzknoten und der Zugangskontrolle in Kontakt steht, die autonome Steuerung. Dieser Rechner holt sich periodisch Informationen aus dem Netz und überprüft, ob der Datenverkehr reibungslos läuft. Wenn sich die Randbedingungen ändern, gibt er neue Regeln zur Übertragung vor. So wird das Netzmanagement vereinfacht und damit verbilligt. Am Ende des Projekts KING soll nach Theorie, Realisierung und Erprobung ein praxisnaher Prototyp stehen.

Daneben arbeiten Theoretiker an Algorithmen und Software. Ein wichtiger Schritt ist bereits geschafft: Um die Verfügbarkeit des Netzes bei Fehlern zu erhalten, werden neuartige Mechanismen zur Wegelenkung (Routing) erprobt, die auch Routen abseits des kürzesten Weges erlauben. Mit diesem Ansatz konnte gezeigt werden, dass die Verfügbarkeit des Netzes bei gleichzeitig hoher Kommunikationsgüte signifikant verbessert werden kann, ohne in die Gefahr zu geraten, dass Pakete in Schleifen laufen und damit verzögert oder gar nicht ankommen.