Wie funktioniert das Internet?

Wir surfen auf Websites, suchen nach Antworten, halten uns in Sozialen Netzwerken auf, lesen und schreiben E-Mails, kaufen ein, hören Musik, telefonieren oder sehen uns Filme und Serien an.

Klar, es geht um das Internet. Die Mehrheit aller Deutschen nutzt es heute zumindest von Zeit zu Zeit, manche sind scheinbar den ganzen Tag online. Und doch haben viele leider wenig Ahnung davon, was sich im Hintergrund alles abspielen muss, damit sie im Bruchteil einer Sekunde die Informationen bekommen, die sie haben wollen. Ist das schlimm? Vermutlich nicht, aber ich möchte mit diesem Artikel etwas Licht ins Dunkel bringen, denn mehr zu wissen als der Durchschnitt hat wohl noch niemandem geschadet :)

 

Glossar

Weil in diesem Artikel einige vielleicht noch unbekannte Fachbegriffe auftauchen, hier eine Liste dieser Wörter mit kurzer Erklärung.

• Client: Ein Computer oder sonstiges netzwerkfähiges Gerät, das Informationen mit einem Server austauscht.
• LAN: Local Area Network. Lokales Netzwerk in dem Computer, Smartphones, Tablets und sonstige netzwerkfähige Geräte miteinander verbunden sind.
• Modem: Ein elektronisches Gerät, das die Übertragung von Daten zu und von Computern in einem Netzwerk über eine Kommunikationsleitung ermöglicht.
• Router: Ein elektronisches Gerät, das innerhalb eines Netzwerks Datenpakete empfängt und an die richtige Stelle weiterleitet.
• Server: Ein Computer der Dienste, Daten, Dateien, Programme oder Informationen im Netzwerk bereitstellt.
• WLAN: Wireless (Kabelloses) LAN, siehe oben.

 

Überblick

Das Internet ist ein weltumspannendes Netzwerk das mittlerweile aus mehreren Milliarden (!) Geräten besteht, die ständig miteinander kommunizieren. Das sind z.B. Server, Router, Modems, Smartphones, Tablets, Notebooks und seit einigen Jahren auch intelligente Haushaltsgeräte wie Kühlschränke, Thermostate und Waschmaschinen. Jeden Tag kommen neue Geräte hinzu und das Internet wird größer und größer.

Verbunden sind diese Geräte untereinander über verschiedenste Technologien. In Ihrem Notebook befindet sich mit großer Wahrscheinlichkeit ein WLAN-Chip für die kabellose Kommunikation mit dem nächsten WLAN-Router. In Smartphones und Tablets werden UMTS-, HSDPA- oder auch LTE-Module verbaut, um eine Verbindung zum nächsten Mobilfunkmast zu ermöglichen. Server werden über Ethernet-Kabel ans Netzwerk angeschlossen und die Kommunikation zwischen Kontinenten erfolgt über Seekabel aus Glasfaser oder auch über Satelliten.
Eines haben all diese Geräte aber gemeinsam: Sie beherrschen alle die gleiche “Sprache”, mehr dazu unter “Protokolle”.

Das Internet ist dezentral. Das bedeutet, dass es keine einzelne Firma oder Organisation gibt, die darüber entscheiden könnte, bestimmte Websites oder Inhalte komplett vom Internet auszuschließen. Stattdessen ist es, etwas vereinfacht formuliert, jedem erlaubt einen Rechner/Server mit dem Internet zu verbinden und Inhalte weltweit zur Verfügung zu stellen.
Einigen Regierungen haben damit allerdings ihre Probleme. Deshalb wird in vielen Ländern das Internet überwacht und zensiert, um die Bevölkerung vor “ungeeigneten” Inhalten (oft auch bekannt als: “Ansichten der politischen Opposition”) zu “schützen”. Bekanntestes (Negativ-)Beispiel ist hier wohl China mit dem Projekt Goldener Schild.

Das Internet, umgangssprachlich auch “Netz” genannt, bezeichnet eigentlich nur die Infrastruktur, die alle weiteren, darauf aufbauenden Dienste wie z.B. das Web, E-Mail, Musik- und Videostreaming oder Internettelefonie ermöglicht. Das Internet selbst ist rein zur Übertragung von Daten - egal welcher Art - da. Sie können sich das als Schichten vorstellen. Ganz unten befindet sich das Internet, welches nur dazu dient, Informationen in Form von Datenpaketen zu übertragen. Ähnlich wie eine Autobahn, die nur den Zweck hat, den schnellen Transport von Personen, Rohstoffe, Waren, etc. in Fahrzeugen zu ermöglichen.
Als Sie diese Website mit Ihrem Browser aufgerufen haben, wurde der Text in kleine Datenpakete gepackt und über das Internet, der Datenübertragungsinfrastruktur, an Sie geschickt. Gleichzeitig haben Sie aber auch die darüberliegende Schicht, in diesem Fall das Web (oder auch “World Wide Web") genutzt. Diese strenge Unterscheidung der Begriffe verschwimmt aber im allgemeinen Sprachgebrauch und “Internet” und “Web” werden weitestgehend als Synonyme genutzt.

 

Protokolle

Nach dieser ersten, noch recht groben Einführung in das Thema, klären wir in diesem Teil die Grundlagen der digitalen Kommunikation, damit überhaupt ein Datenaustausch stattfinden kann.
Unter “Schritt für Schritt” erkläre ich dann anhand eines einfachen Beispiels den Aufbau des Internets und wie alle notwendigen Einzelteile das große Ganze ergeben.

Sollen zwei Geräte in einem Netzwerk miteinander kommunizieren, müssen sie “die gleiche Sprache sprechen”. Tun sie das nicht, findet kein Datenaustausch statt.
Aus diesem Grund wurden entsprechende Protokolle entwickelt, die alle “internetfähigen” Geräte beherrschen. Der Begriff “Protokoll” steht in diesem Zusammenhang einfach nur für einen bestimmten Satz an Regeln, die eingehalten werden müssen, um einen standardisierten Ablauf der Kommunikation zu ermöglichen.

IP

IP steht für “Internet Protocol” und es handelt sich dabei um das Adressierungssystem des Internets.
Wenn Sie eine Website aufrufen möchten, kontaktieren Sie über das Internet einen Server. Damit Ihre Anfrage erfolgreich zu diesem Server gelangt, müssen wir zuerst wissen, wo sich dieser im Internet befindet. Dort gibt es aber natürlich keine Straßen, Ortsnamen oder Postleitzahlen, sondern sogenannte IP-Adressen. Eine IP-Adresse besteht aus 4 Zahlen zwischen 0-255 und sieht z.B. so aus: 94.130.110.247 (IPv4)

Jeder Teilnehmer eines Netzwerks hat eine eigene, einzigartige IP-Adresse. Erst mithilfe dieser Adresse ist es möglich, Daten/Anfragen an andere Teilnehmer des Netzwerks zu versenden und, über die eigene IP-Adresse, eine Antwort zu erhalten.

TCP

TCP bedeutet “Transmission Control Protocol”. Dieses ist dafür verantwortlich, eine große Mengen an Daten in kleine Datenpakete zu zerlegen, welche dann über das Netzwerk verschickt werden können. So wurde auch dieser Text vom Server in kleine Stücke zerteilt und dann über das Internet zu Ihnen transportiert. Dort wurden die einzelnen Teile wieder zusammengesetzt und in Ihrem Browser als fertige Website dargestellt.

Jedes dieser Datenpakete enthält, neben dem eigentlichen Inhalt und einigen weiteren Informationen, IP-Adressen die angeben wohin es geschickt werden soll und woher es kommt. Die Angabe einer Zieladresse dient innerhalb eines Netzwerks auch dazu, die Datenpakete auf einem möglichst kurzen und somit schnellen Weg an ihr Ziel zu befördern.
Dies wird durch Router erledigt, die Datenpakete im Internet annehmen und solange an den nächstbesten Router weiterleiten, bis das Ziel erreicht ist. Im Idealfall wird also ein Aufruf von www.krewast.de von mir zuhause (ich wohne in Regensburg) nicht über Los Angeles nach Nürnberg geschickt, wo sich der Server der Seite befindet. (Auch wenn das grundsätzlich möglich wäre)

Das Tolle an TCP: Die einzelnen Datenpakete müssen nicht alle den gleichen Weg durch das Netzwerk nehmen und können auch in unterschiedlicher Reihenfolge beim Empfänger ankommen. Geht auf dem Weg zum Empfänger ein Datenpaket verloren, kann es problemlos neu vom Sender angefordert werden. Sobald alle Datenpakete eingetroffen sind, werden sie geordnet, zusammengesetzt und zack, fertig!

Wer mehr darüber erfahren möchte, hier ein endlos langer Wikipedia Artikel.

Übrigens: Oft liest man “TPC/IP”. Bei TCP und IP handelt es sich um zwei separate Protokolle, allerdings kommen sie im Internet sehr häufig gemeinsam zum Einsatz, weshalb sie meist zusammen genannt werden.

 

Schritt für Schritt

Die notwendigen technischen Grundlagen sind geklärt, nun möchte ich anhand eines einfachen Beispiels zeigen, wie das Internet aufgebaut ist und die Übertragung von Daten darüber funktioniert.

Wir nehmen an, dass wir eine beliebige Website aufrufen möchten, z.B. www.krewast.de.

1. Der Browser

Startpunkt für den Aufruf der Website ist Ihr Browser. Sie geben die URL (www.krewast.de) in die Adresszeile des Browsers ein und drücken die Entertaste.

Es geht los!

Ihr Computer, Smartphone oder Tablet hat nun vom Browser den Auftrag erhalten, Kontakt mit dem Server aufzunehmen, auf dem die gewünschte Website zu finden ist. Welcher Server das im riesigen Internet genau ist, wo er sich befindet und wie eine Verbindung dazu aufgebaut werden kann, muss aber erst in den nächsten Schritten herausgefunden werden.

In diesem Schritt verbindet sich Ihr Computer, Smartphone oder Tablet mithilfe der im Gerät verbauten Netzwerkschnittstelle erstmal mit dem Router Ihres lokalen Netzwerks.

2. Das lokale Netzwerk

Weiter oben habe ich geschrieben “Das Internet ist ein weltumspannendes Netzwerk”. Das ist richtig, allerdings noch etwas ungenau. Denn eigentlich handelt es sich beim Internet nicht um ein Netzwerk, sondern um einen Zusammenschluss von vielen Netzwerken.

Wenn Sie sich gerade zuhause befinden und diesen Text auf Ihrem Rechner lesen, den Sie per Kabel oder WLAN mit Ihrem Router verbunden haben, befinden Sie sich in Ihrem lokalen Heimnetzwerk. In diesem Netzwerk können sich noch viele andere Ihrer Geräte befinden, die somit auch untereinander kommunizieren können. Dieses lokale Netzwerk ist privat und geschützt, allerdings über ein (DSL-)Modem, welches in den meisten Fällen direkt im Router verbaut ist, mit dem öffentlich erreichbaren Netzwerk Ihres Internet Services Providers verbunden.

3. Der Internet Service Provider

Ein Internet Service Provider (ISP, deutsch: Internetdienstanbieter) ist eine Organisation/Firma, die Ihnen den Zugang zum Internet ermöglicht. Das ist in Deutschland meist die Telekom, Vodafone, 1&1, o2 oder auch ein lokaler Anbieter.

Die ISPs sind unter anderem dafür verantwortlich, Ihr Haus an die nächste Vermittlungsstelle anzuschließen. Ist dies geschehen, könnten theoretisch alle Kunden eines ISPs (z.B. der Telekom) miteinander über dessen (oft schon ziemlich großes) Netzwerk miteinander kommunizieren. Schwierig wird es aber spätestens dann, wenn ein Telekom-Kunde eine E-Mail an einen Vodafone-Kunden schicken möchte.

4. Die Internet-Knoten

Es muss also eine Möglichkeit des Datenaustauschs zwischen den Netzwerken der einzelnen ISPs geben. Zu diesem Zweck gibt es die sogenannten Internet-Knoten. In Deutschland ist das z.B. der “Deutsche Commercial Internet Exchange” (DE-CIX) in Frankfurt, welcher gleichzeitig auch der weltgrößte Internet-Knoten ist.

An solche Knoten sind übrigens nicht nur ISPs angeschlossen, um Ihre Netzwerke miteinander zu verbinden. Oft werden Rechenzentren in direkter Nähe solcher Knoten gebaut, um durch kurze Leitungen höhere Zugriffsgeschwindigkeiten zu ermöglichen.

Zu guter Letzt werden noch die weltweit verteilten Internet-Knoten untereinander verbunden und voilà, schon haben wir dieses Monsternetzwerk, das wir “Internet” nennen. Simpel oder? :)

Interessanter Fakt: Jeder ISP ist an zwei oder mehr solcher Knoten angeschlossen. Das ist sinnvoll, denn so ist man bei einem Ausfall immer noch über mindestens einen anderen Knoten weiterhin mit dem Internet verbunden.

5. Die IP-Adresse

Nachdem wir nun wissen wie das mit den Protokollen funktioniert und wie das Internet aufgebaut ist, müssen wir nun die IP-Adresse des Servers herausfinden, um unsere Anfrage dorthin zu verschicken. Was eine IP-Adresse ist habe ich bereits weiter oben im Text beschrieben, allerdings ist noch nicht ganz klar wie diese Adressen vergeben werden.

Innerhalb Ihres lokalen Heimnetzwerks bekommt jedes Gerät vom Router eine IP-Adresse zugeteilt. Das funktioniert in der Regel automatisch (siehe DHCP), eine manuelle Vergabe der Adressen ist aber auch möglich. Sie können diese lokale IP-Adresse in den Netzwerkeinstellungen Ihres Rechners, Smartphones oder Tablets einsehen.

Im Internet weißt Ihr Internet Service Provider Ihrem (DSL-)Modem täglich eine neue IP-Adresse zu. Dadurch erscheint ihr kompletter Haushalt nur als einzelner Teilnehmer im Internet. Denn selbst wenn Sie hunderte Geräte hätten, würden alle über das gleiche Modem (mit einer einzigen IP-Adresse) ans Internet angeschlossen sein. Probieren Sie es aus: Nehmen Sie Ihr Tablet (das mit dem gleichen lokalen Netzwerk wie Ihr Rechner verbunden sein muss) und rufen Sie von beiden Geräten aus die Seite www.wieistmeineip.de auf. Sie werden zweimal die gleiche IP-Adresse sehen.

Mit dem Internet verbundene Server bekommen nicht ständig neue IP-Adressen zugewiesen, sondern sind in der Regel dauerhaft unter der gleichen Adresse zu erreichen. Eben diese Adresse gilt es für die Website www.krewast.de herauszufinden.

6. Das Domain Name System

Da es für die meisten Menschen wesentlich einfacher ist, sich Namen (www.krewast.de) statt Zahlen (94.130.110.247) zu merken, wurde das Domain Name System (DNS) eingeführt. Eine Domain ist ein weltweit einmaliger Name (google.com, spiegel.de, kernel.org), der einer bestimmten IP-Adresse zugeordnet werden kann.

Das Domain Name System hat eine eigentlich recht simple Aufgabe: Die Umwandlung von Domainnamen in IP-Adressen. Diesen Prozess nennt man Namensauflösung.

Beim DNS handelt es sich um eine Art verteilte, hierarchische Datenbank. Server, die Teile dieser Datenbank bereitstellen werden als “DNS-Server” bezeichnet.

Wollen wir nun die IP-Adresse der Domain www.krewast.de herausfinden, muss erst eine Verbindung mit einem DNS-Server aufgenommen werden, um eben jene Information zu erhalten. Da kein DNS-Server alle Domainnamen und deren IP-Adressen kennt, kann es sein, dass eine Anfrage mehrfach weitergeleitet wird.
Am Ende erhalten wir aber die richtige IP-Adresse (94.130.110.247) und können mit dem nächsten Schritt fortfahren.

7. Der Weg durch das Internet

Nachdem wir endlich die passende IP-Adresse des Servers herausgefunden haben, bahnen wir uns nun unseren Weg dorthin.

Zuerst zerlegt der Computer die Anfrage des Browsers mithilfe des Transmission Control Protocols (TCP) in kleine Datenpakete. Diese werden über eine Netzwerkschnittstelle des Computers an den Router des lokalen Netzwerks weitergeleitet. Von dort wandern sie mithilfe eines (DSL-)Modems an die Vermittlungsstelle (wiederum ein Router) unseres Internet Service Providers. Und dann?

Wie wir bereits erfahren haben, handelt es sich beim Internet um einen Zusammenschluss von Netzwerken. Unsere Datenpakete können deshalb über verschiedene Wege zum Empfänger geleitet werden, allerdings ist der kürzeste Weg natürlich der Beste, weil es so am effizientesten und schnellsten geht.

Um die Wege zwischen Sender und Empfänger möglichst kurz zu halten, bedient man sich eines Tricks. Router im Internet verfügen über sogenannte “Routing-Tabellen”. Diese enthalten Informationen darüber, wohin Datenpakete mit bestimmten Ziel-IP-Adressen im Idealfall weitergeleitet werden sollten, um schnell deren Ziel zu erreichen. Das ist vergleichbar mit der Post. Ein Brief wird auch immer mit einem Empfänger (Ziel-IP-Adresse) versehen und geht durch die Hände mehrerer Postbeamter (Router), bis er beim Empfänger (Server) ankommt. Die Mitarbeiter der Post nutzen dabei Karten (Routing-Tabellen), um den kürzesten Weg vom Sender zum Empfänger zu ermitteln.

Und genau so funktionierts! Der Router unseres ISPs verschickt die Datenpakete an den nächstbesten Router und dieser macht wiederum das gleiche. Im Bruchteil einer Sekunde wandern unsere Datenpakete so von einem Router zum nächsten und kommen am Ende beim Server an.

8. Der Server

Der Server empfängt die Datenpakete Stück für Stück und wartet, bis die Anfrage komplett eingetroffen ist.
Im Anschluss stellt er die angeforderten Daten bereit und macht das, was auch schon unser Computer getan hat. Er zerlegt die Informationen in Datenpakete und schickt sie an uns zurück. Dabei verwendet er die IP-Adresse unseres Modems als Zieladresse.

9. Zurück durch das Netz

Der Rückversand funktioniert ebenfalls wieder mithilfe von Routern, Empfänger ist Ihr Modem. Sobald die Datenpakete dort angekommen sind, übernimmt der lokale Router und prüft, wer im lokalen Netzwerk die eingetroffenen Informationen angefragt hat. Im Anschluss leitet er entsprechend weiter. Somit wird ausgeschlossen, dass Daten, die für Ihren Rechner bestimmt sind, an Ihr Tablet geschickt werden.