Steuerungsebene vs. Datenebene

Im Computer-Networking beschreibt der Begriff „Ebene“ eine Schicht der Netzwerkarchitektur, in der bestimmte Aufgaben im Zusammenhang mit dem Netzwerkbetrieb ausgeführt werden. Flugzeuge sind keine physischen Komponenten, sondern Konzepte, die Entwicklern und Ingenieuren helfen zu verstehen, wie der Datenverkehr über ein Netzwerk fließt. Es gibt drei Arten von Netzwerkebenen:

• Die Steuerungsebene verwaltet das Netzwerklayout.
• Die Datenebene sendet und empfängt Daten.
• Die Verwaltungsebene konfiguriert und überwacht Geräte, die über ein Netzwerk verbunden sind.

Heute werden wir uns die Steuerungs- und Datenebenen und deren Zusammenspiel mit der Steigerung der Netzwerkleistung, Effizienz und Sicherheit genau ansehen.

Die Steuerungsebene ist der Teil des Computernetzwerks, der bestimmt, dass die Routendaten ein Netzwerk übernehmen. Da Computernetze immer stärker in moderne Geschäftsprozesse integriert werden, hat sich auch die Netzarchitektur – und insbesondere die Funktionsweise der Netzebenen – genauer unter die Lupe genommen. 

Die Steuerungsebene verwendet Routing-Protokolle (algorithmusbasierte Regeln), um den besten Pfad für Informationen zwischen Netzwerkgeräten zu bestimmen. Ein Beispiel für diese Praxis ist Multiprotocol Label Switching (MPLS), bei dem die Steuerebene die optimale Route für die Übertragung von Daten durch ein Netzwerk bestimmt und ihnen dann ein eindeutiges Etikett zuweist, bevor sie an die Datenebene weitergeleitet werden.

Die Datenebene, auch Weiterleitungsebene genannt, ist der Teil der Netzwerkarchitektur, der für die Übertragung von Datenpaketen zuständig ist. Dabei handelt es sich um kleine Informationseinheiten, die für die Übertragung über ein Netzwerk gesammelt werden. Die Datenebene steuert die Echtzeitbewegung von Paketen im Netzwerk basierend auf Routing-Informationen und Protokollen, die sie von der Steuerebene empfängt.

Die Datenebene überprüft ständig die Routing-Tabelle, die von der Steuerebene erstellt und verwaltet wird, um zu erfahren, wie die Daten über das Netzwerk geleitet werden sollen. Basierend auf Regeln in der Routing-Tabelle leitet die Datenebene Pakete an das richtige Ziel weiter. Es kann auch bestimmte Verarbeitungsaufgaben ausführen (z. B. das Aktualisieren eines Paketheaders, Daten über die Herkunft und die Klassifizierung von Informationen), um Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.

Die Steuerungsebene und die Datenebene dienen beide unterschiedlichen Zwecken und erfüllen unterschiedliche Aufgaben, damit moderne Netzwerke gut funktionieren. Die Steuerungsebene konzentriert sich in erster Linie darauf, wie Daten weitergeleitet und verarbeitet werden, während die Datenebene Daten zwischen Geräten (oder Knoten) im Netzwerk verschiebt. Ihre wichtigsten Unterschiede lassen sich nach Zweck, Komplexität und Kommunikationsmethodik zusammenfassen.

Mithilfe von Routing-Protokollen und Netzwerktopologie (im Wesentlichen eine Karte der Knoten in einem Netzwerk) wählt die Steuerungsebene eine Route für die Daten aus.

Sobald die richtige Route gewählt wurde, leitet die Datenebene die entsprechenden Datenpakete einfach an ihr Ziel weiter, wobei die Anweisungen und die Regeln, die auf der Steuerungsebene festgelegt wurden, berücksichtigt werden.

Steuerungsebenen sind grundsätzlich komplexer als Datenebenen. Die Protokolle und Routing-Pfade, die auf der Steuerebene festgelegt werden, erfordern komplizierte Geschäftslogik und robuste Entscheidungsfindung.

Die Datenebene hingegen hat die relativ unkomplizierte Aufgabe, Daten in einem Netzwerk zu verschieben, und ihre Logik ist vergleichsweise einfach: Datenpakete werden gemäß den auf der Steuerebene festgelegten Regeln an ihr Ziel bewegt.

Und schließlich unterscheiden sich die Methoden, mit denen Steuerungsebenen und Datenebenen mit den Systemen kommunizieren, die sie funktionsfähig machen. Steuerungsebenen hängen von Regeln (Protokollen) ab, die bestimmen, wie Daten verschieben werden können. Border Gateway Protocol (BGP), Intermediate System-to-Intermediate System (IS-IS) und Open Shortest Path First (OSPF) sind Beispiele für beliebte Kontrollebenenprotokolle.

Datenebenen hingegen nutzen schnelle, physische Netzwerkverbindungen wie Ethernet und WLAN für die Kommunikation.

Steuerungsebenen und Datenebenen sind keine physischen Komponenten, sondern Konzepte, die Technikern, Entwicklern und Netzwerkadministratoren helfen zu verstehen, wie Daten über ein Netzwerk übertragen werden. Sowohl die Steuerungs- als auch die Datenebene befinden sich konzeptionell auf der Netzwerkschicht – dem Teil der Computernetzwerkarchitektur, der es Geräten ermöglicht, über ein Netzwerk zu kommunizieren. Um besser zu verstehen, wie Kontrollebenen und Datenebenen funktionieren, schauen wir uns zunächst einige Schlüsselbegriffe an.

Ein Computernetzwerk besteht aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Geräten – wie Desktop-Computern, Mobilgeräten oder Routern – zum Zweck der gemeinsamen Nutzung von Ressourcen und Informationen. Geräte, die über ein Netzwerk verbunden sind, benötigen Kommunikationsprotokolle. Das sind Regeln, die beschreiben, wie Informationen über ein Netzwerk gesendet oder empfangen werden können und die auf der Steuerungsebene definiert werden. Das Border Gateway Protocol (BGP) ist beispielsweise ein gängiges Protokoll, das verwaltet, wie Daten über das Internet von Netzwerk zu Netzwerk weitergeleitet werden. 

Software-defined Networking (SDN) ist ein softwaregesteuerter Ansatz für die Architektur von Computernetzwerken, der sich stark auf Programmierschnittstellen (APIs) stützt – Regelsätze, die es Anwendungen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und Daten und Funktionen auszutauschen. APIs finden Sie sowohl auf der Steuerungs- als auch auf der Datenebene. APIs, die den Systembetrieb und die Konfiguration verwalten, befinden sich auf der Steuerebene, während APIs, die mit tatsächlichen Daten interagieren, Teil der Datenebene sind.

Derzeit erkunden viele Unternehmen SDN als Möglichkeit, die Vorteile der Cloud in ihrem Netzwerkmanagementansatz zu nutzen. SDN ist ein schnell wachsender Markt mit einer Bewertung von 28,2 Mrd. USD im vergangenen Jahr, der in den nächsten 7 Jahren voraussichtlich um über 17 % wachsen wird.¹

Router und Switches sind physische oder virtuelle Geräte, die eine wichtige Rolle bei der Netzwerkfunktionalität spielen. Router verschieben Datenpakete (richtig formatierte Einheiten von Routing-Informationen) zwischen Geräten, die über ein Netz verbunden sind. Steuerungsebenen ermöglichen es Routern, Datenpakete zu analysieren und den besten Weg für sie zu bestimmen. Die meisten Router verwenden hochentwickelte Routing-Algorithmen für die Weiterleitung von Datenpaketen.

Wie ein Router kann auch ein Switch entweder physisch oder virtuell sein. Switches sind Komponenten, die es ermöglichen, mehrere Geräte durch die Weiterleitung von Daten zu verbinden. Switches verwenden Ethernet-Kabel, um Datenpakete zwischen Geräten zu verschieben, sodass Daten und Ressourcen zwischen Benutzern und Knoten gemeinsam genutzt werden können. 

Die Steuerungsebene übernimmt mehrere wichtige Funktionen, die den Betrieb moderner Computernetzwerke ermöglichen: 

• Routing: Beim Routing geht es darum, den richtigen Pfad für Daten zu finden, die über ein Netzwerk übertragen werden sollen. Routing-Tabellen – Listen mit verschiedenen Routen, die Daten in einem Netzwerk nehmen können – werden mithilfe von Protokollen und Netzwerktopologie zusammengestellt.

• Aufrechterhaltung der Netzwerktopologie: Die Aufrechterhaltung der Netzwerktopologie ist die Aufgabe, die Anordnung von Computern und anderen Geräten im Netzwerk abzubilden. Die Netzwerktopologie wird durch eine Kombination aus physischen und virtuellen Komponenten wie Routern und Software eingerichtet und gewartet.

• Verwalten des Datenverkehrs: Nachdem Routen eingerichtet wurden, formt und priorisiert die Steuerungsebene den Netzwerkverkehr, um die Hochverfügbarkeit wichtiger Anwendungen zu gewährleisten. Um den Netzwerkverkehr effektiv zu verwalten, muss die Steuerungsebene Netzwerkrichtlinien erzwingen, die von Netzwerkadministratoren festgelegt werden.

• Lastausgleich: Die Verteilung des Datenverkehrs auf verschiedene Server zur Erhöhung der Systemverfügbarkeit ist ein Prozess, der als Lastausgleich bezeichnet wird. Viele beliebte Websites und Anwendungen erhalten täglich Millionen von Benutzeranfragen, was den Lastausgleich zu einem wichtigen Bestandteil der Netzwerkleistung macht.

• Clustering und hohe Verfügbarkeit: Auf der Steuerungsebene werden Gruppen von Knoten zu Clustern zusammengefasst – verbundene Geräte, die als eine einzige Recheneinheit funktionieren. Clustering ist kritisch für das Ausgleichen des Datenverkehrs und die Aufrechterhaltung der Hochverfügbarkeit, der Kapazität eines Systems, das 100 % der Zeit genutzt werden kann.

Sobald die Steuerungsebene die Route bestimmt hat, die Daten über ein Netzwerk übertragen werden, verwendet die Datenebene Logik und Anweisungen der Steuerungsebene, um die Daten an ihr Ziel zu verschieben. Die Datenebene ist zwar viel einfacher in Bezug auf Design und Zweck als die Steuerungsebene, aber nicht weniger wichtig für die Integrität und Funktionalität des Netzes.

Auf der Datenebene durchläuft der Netzwerkverkehr Router, wo er streng kontrolliert wird, um die Geräte vor schädlichem Datenverkehr zu schützen, wie beispielsweise Cyberangriffen, die darauf abzielen, den Betrieb zu stören oder Informationen zu stehlen. Ohne die Datenebene würden alle Protokolle und Routen, die auf der Steuerungsebene erstellt sind, ungenutzt bleiben und Datenpakete würden nicht zwischen den Geräten im Netzwerk ausgetauscht werden.

Von der Ermöglichung fortschrittlicher Technologien wie Cloud Computing und KI-Systemen bis hin zur Verbesserung der Anwendungsleistung mit Funktionen wie Auto-Scaling und Bereitstellung, hier sind die fünf wichtigsten Vorteile von Steuerungs- und Datenebenen.

Sowohl Steuerungsebenen als auch Datenebenen tragen dazu bei, dass Netzwerke effizienter funktionieren.

Steuerungsebenen bieten einen einzigen Punkt, von dem aus jedes Gerät in einem Netzwerk verwaltet werden kann.  So können Netzwerkadministratoren problemlos Sicherheitseinstellungen konfigurieren, Software-Updates automatisieren und andere wichtige Aufgaben umfassend ausführen.

Datenebenen sind darauf ausgelegt, riesige Datenmengen schnell zu verarbeiten und Datenpakete mit minimaler Latenz zwischen den Knoten eines Netzwerks zu verschieben.

Sowohl die Steuerungsebene als auch die Datenebene tragen zur Verbesserung der Netzwerkleistung bei.

Die Steuerungsebene erzwingt Routing-Richtlinien, die von Netzwerkadministratoren festgelegt wurden und sicherstellen, dass Netzwerke Spitzenleistungen erbringen, während die Einfachheit der Datenebene die Datenübertragung mit Höchstgeschwindigkeit gewährleistet.

Durch die Trennung der Aufgabe des Routings von Daten von der Aufgabe, sie weiterzuleiten, ermöglicht die Architektur der Steuerungs- und Datenebene die unabhängige Optimierung jeder Funktion, was zur Gesamtleistung des Netzwerks beiträgt.

Sowohl die Steuerungs- als auch die Datenebene gelten als hochgradig skalierbar, was bedeutet, dass weitere Ressourcen hinzugefügt werden können, ohne die Netzwerkleistung zu beeinträchtigen.

In der Steuerungsebene wird die Skalierbarkeit durch einen Prozess automatisiert, der als Auto-Scaling bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um die automatische Bereitstellung zusätzlicher Ressourcen, wenn der Benutzerdatenverkehr einen bestimmten Schwellenwert erreicht.

Skalierbarkeit ist ein Hauptmerkmal der Datenebene, deren Architektur dafür sorgt, dass sie sich an wachsende Datenverkehranforderungen anpassen kann, ohne die Geschwindigkeit, mit der Daten reisen, zu beeinträchtigen.

Die Steuerungs- und Datenebene sind aufgrund ihrers Designs beide äußerst resilient. Durch die Trennung von Schlüsselaufgaben, die mit der Verkehrsführung verbunden sind, von Aufgaben, die mit der Verkehrsbewegung verbunden sind, wird beim Design der Steuerungs- und Datenebene sichergestellt, dass Probleme mit der einen Ebene keine Auswirkungen auf die andere haben.

Wenn zum Beispiel ein Load Balancer auf der Steuerebene ausfällt, ist es unwahrscheinlich, dass dies Auswirkungen auf die Datenübertragung auf der Datenebene hat.

Sowohl die Steuerungs- als auch die Datenebene tragen dazu bei, die Latenz– ein wichtiges Maß für die Verzögerungen in einem System – auf verschiedene Weise zu reduzieren.

Steuerungsebenen überwachen die Leistungsmetriken von Geräten, um sicherzustellen, dass sie auf einem bestimmten Niveau bleiben. Dazu gehört zum Beispiel die Latenz der Central Processing Unit (CPU) – ein Maß für die Zeit, die Datenpakete benötigen, um durch ein System zu verschieben.

Die Datenebene verwendet Technologien, die die Datenverarbeitung erhöhen, wie z. B. verbesserte Paketverarbeitung und Algorithmen für maschinelles Lernen (ML). Diese beiden neueren Technologien tragen dazu bei, die Netzwerklatenz zu reduzieren und die Systemverfügbarkeit zu erhöhen. 

Steuerungsebenen und Datenebenen spielen eine wichtige Rolle in modernen Computernetzwerken und unterstützen viele wertvolle Anwendungen. Hier sind ein paar der häufigsten.

Cloud Computing, der On-Demand-Zugriff auf Computerressourcen über das Internet, erfreut sich rasanter Beliebtheit und wird bis 2024 von 90 % der Unternehmen weltweit eingeführt werden.² Sowohl die Steuerungs- als auch die Datenebene sind zu einem derart integralen Bestandteil der modernen Cloud-Infrastruktur geworden, dass es spezielle Cloud-Datenebenen und Cloud-Steuerungsebenen gibt, um die Funktionalität in Cloud-Umgebungen zu verbessern.

Cloud-Steuerungsebenen bieten Verwaltung, Routing und andere wichtige Funktionen in Cloud-Netzwerken, und Cloud-Datenebenen wurden entwickelt, um Daten in Cloud-Ökosystemen effizient zu verschieben. Heute bieten alle führenden Cloud-Provider Cloud-Steuerungsebenen und Cloud-Datenebenen als Teil ihrer Cloud-Infrastrukturangebote an, darunter CISCO, Microsoft Azure und Amazon Web Services (AWS). 

Kubernetes, eine der am weitesten verbreiteten Container-Plattformen der Welt, benötigt für seine Funktionsfähigkeit Steuerungsebenen und Datenebenen.

Kubernetes-Cluster verwalten Knoten von der Steuerungsebene aus, die Ausführung von Softwarecode in jeder Computerumgebung ermöglichen. Auf der Datenebene verarbeiten spezialisierte Kubernetes-Komponenten wie Kubelet und Kube-Proxy den Netzwerkverkehr zwischen den Knoten. Kubernetes ist für die Skalierbarkeit, Sicherheit und Effizienz moderner IT-Infrastrukturen von entscheidender Bedeutung.

Virtuelle Maschinen (VMs), virtuelle Repräsentationen physischer Computer, die Software statt Hardware verwenden, um Programme auszuführen, sind zu einem wichtigen Tool für Unternehmen geworden, die Kosten senken wollen. Unternehmen, die VMs ausführen, können die Flexibilität und Skalierbarkeit einer Cloud-Umgebung nutzen und gleichzeitig ihre Abhängigkeit von der physischen Infrastruktur verringern. VMs führen Programme und Betriebssysteme (OS) genau wie ein physischer Computer aus und können Daten mithilfe virtueller Ressourcen speichern und verarbeiten.

VMs werden auf der Steuerungsebene konfiguriert und verwaltet und führen Workloads, einschließlich der Ausführung von Anwendungen, auf der Datenebene aus.

Database as a Service (DBaaS) ist eine Cloud-Computing-Lösung, die Benutzern Zugriff auf Datenbanken und Datenbanksoftware bietet, ohne physische Komponenten kaufen und einrichten zu müssen.

In einer DbaaS-Plattform werden Datenbankoperationen auf der Steuerebene verwaltet, während die eigentlichen Rechenaufgaben auf der Datenebene ausgeführt werden. Bei DbaaS ist die Steuerungsebene beispielsweise der Ort, an dem die Server bereitgestellt und skaliert werden. Auf der Datenebene werden jedoch die kritischen Datenbankabfragen ausgeführt.

Systeme der künstlichen Intelligenz (KI) wurden entwickelt, um Aufgaben auszuführen, die normalerweise menschliche Intelligenz erfordern würden. In den letzten zehn Jahren wurden KI-Systeme tief in das moderne Leben integriert und haben die Funktionalität vieler beliebter Geräte wie Autos, Smartphones und sogar Haushaltsgeräte verbessert.

Auf Unternehmensseite helfen KI-Systeme Unternehmen dabei, intelligentere Marketingkampagnen durchzuführen, Daten besser zu nutzen und die Automatisierungsfunktionen zu verbessern. KI-Systeme sind auf Steuerungs- und Datenebenen angewiesen, um komplexe Algorithmen auszuführen, Berechnungen durchzuführen und Daten netzwerkübergreifend zu übertragen.