Inhaltsverzeichnis
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1. Prolog (10 Artikel)
Die digitale Kommunikation hat sich zu einer der treibenden Kräfte des technischen und kulturellen Fortschritts im 21. Jahrhunderts entwickelt. Allen voran ist das Internet als universelles Kommunikationsmedium ist aus unserem heutigen Leben nicht mehr fortzudenken. Wurden im ersten Band ”Digitale Kommunikation“ (Ch. Meinel, H. Sack) dieser Serie die allgemeinen Grundlagen der digitalen Kommunikation, d.h. die Grundlagen der Rechnervernetzung, der Medienkodierung und der digitalen Sicherheit detailliert behandelt, steht im vorliegenden Band das Internet im Fokus mit seinen verschiedenen Akteuren, seinen technologischen Grundlagen und den zahlreichen Protokollen und Technologien.
- 1.1. Computernetze und das Internet – eine historische Perspektive
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1.2. Wegweiser durch die Welt des Internets
- 1.2.1. Internet Architecture Board – IAB
- 1.2.2. Internet Society – ISOC
- 1.2.3. ANA und ICANN
- 1.2.4. World Wide Web Consortium
- 1.2.5. Offene Standards im Internet – geregelte Anarchie
- 1.2.6. Deutsche Akteure und Provider
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2. Die Grundlage des Internets: TCP/IP-Referenzmodell (3 Artikel)
Das weltumspannende und allgegenwärtige Internet verbindet heute Rechner, Telefone, Unterhaltungselektronik und bald auch Haushaltsgeräte und Waren unseres täglichen Bedarfs. Mehr und mehr dringt es in alle Bereiche unseres Lebens vor. Damit alle diese unterschiedlichen Geräte ungestört und effizient miteinander kommunizieren können, muss ihre Kommunikation festen Regeln – sogenannten Kommunikationsprotokollen – folgen. Diese Kommunikationsprotokolle bilden das sogenannte TCP/IPReferenzmodell. Es modelliert einzelne Schichten der Internet-Kommunikation, legt deren Aufgaben, ihren Abstraktionsgrad und Ihre Komplexität fest, und beschreibt den jeweiligen Funktionsumfang. Mit welchen Mitteln und auf welche Weise diese Spezifikationen umgesetzt werden, legt das Modell jedoch nicht fest, sondern überlässt dies der jeweiligen Implementation. Auf diese Art und Weise konnte das TCP/IP Referenzmodell aus der Praxis heraus Gestalt annehmen und bildet heute wie auch in Zukunft eine solide Basis für alle Kommunikationsaufgaben im Internet.
- 2.1. Kommunikationsprotokolle und Schichtenmodell
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2.2. Die physikalische Schicht als Basis der Rechnerkommunikation
- 2.2.1. Physikalische Übertragungsmedien
- 2.2.2. Charakterische Eigenschaften physikalischer Übertragungsmedien
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2.3. DasTCP/IP-Referenzmodell
- 2.3.1. Historisches und Abgrenzung zum ISO/OSI-Referenzmodell
- 2.3.2. Netzzugangsschicht
- 2.3.3. Internetschicht
- 2.3.4. Transportschicht
- 2.3.5. Anwendungsschicht
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3. Physikalische Schicht (2 Artikel)
Jegliche Abgabe, Übertragung und Aufnahme von Information erfolgt über ein physikalisches Medium – einen Träger dieser Information. Auch im Internet findet die Übertragung von Information über physikalische Kommunikationsmedien statt. Diese reichen von traditionellen elektrischen Leitern, einfachen Kabeln, über Lichtwellenleiter (Glasfaserkabel) bis hin zu leitungsungebundenen Formen, bei denen elektromagnetische Wellen in unterschiedlichen Frequenzbereichen zur Informationsübertragung dienen. Aber wie kommt die zu übertragende Information, die sich digital kodiert als Folge von ”Nullen“ und ”Einsen“ darstellt, eigentlich auf das physikalische Kommunikationsmedium? Bevor in diesem Kapitel auf die unterschiedlichen kabelgebundenen und kabelungebundenen Übertragungsmedien eingegangen wird, werden die theoretischen Grundlagen der physikalischen Datenübertragung erläutert, wobei sogenannte Modulationsverfahren und Multiplexverfahren im Vordergrund stehen, mit denen die binäre Information in eine physikalisch übertragbare ”Form” gebracht werden, so dass anschließend eine effiziente Datenübertragung auch über gemeinschaftlich genutzte Medien ermöglicht wird.
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3.1. Theoretische Grundlagen
- 3.1.1. Elektromagnetisches Spektrum und Signalübertragung
- 3.1.2. Bandbreitenbeschränkte Signale
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3.2. Kodierung digitaler Signale
- 3.2.1. Leitungskodierung
- 3.2.2. Analoge Modulationsverfahren
- 3.2.3. Digitale Modulationsverfahren
- 3.2.4. Multiplexverfahren mit konstanter Bandbreite
- 3.2.5. Bandspreizverfahren
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3.3. Kabelgebundene Übertragungsmedien
- 3.3.1. Koaxialkabel
- 3.3.2. Twisted Pair Kabel
- 3.3.3. Glasfaserkabel
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3.4. Kabelungebundene Übertragungsmedien
- 3.4.1. Funkübertragung via Kurzwelle und Ultrakurzwelle
- 3.4.2. Funkübertragung via Mikrowellen
- 3.4.3. Infrarot, Millimeterwellen und Lichtwellenübertragung
- 3.4.4. Satellitenkommunikation
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3.1. Theoretische Grundlagen
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4. Netzzugangsschicht (1): Kabelgebundene LAN-Technologien (16 Artikel)
Lokale Netze – sogenannte LANs (Local Area Networks) – verbinden Rechner in räumlich enger Nachbarschaft. Ausgehend von einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Einzelrechnern im selben Raum bis hin zu Firmen- oder Campusnetzwerken, die mehrere hundert oder sogar tausende von Rechnern verbinden, die alle über ein gemeinsames Übertragungsmedium miteinander kommunizieren – der Siegeszug der LANs ist ungebrochen. Dabei bleiben LANs bzgl. ihrer geografischen Ausdehnung und der Anzahl der daran anschließbaren Rechner aus technischen Gründen stets begrenzt. Verschiedene Einsatzkriterien, wie Kosten, Datendurchsatz, räumliche Ausdehnung und Anordnung haben zur Entwicklung ganz unterschiedlicher LAN-Technologien geführt. Alle folgen ihren eigenen Protokollmechanismen und sind für einen Einsatz in jeweils unterschiedlichen Szenarien – sei es stationär oder mobil – geeignet.
- 4.1. Netzzugangsschicht
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4.2. LANs–Local Area Networks
- 4.2.1. Nutzung gemeinsamer Kommunikationskanäle
- 4.2.2. Bedeutung von LANs
- 4.2.3. IEEE 802 Local Area Networks
- 4.2.4. Lokale Adressverwaltung
- 4.2.5. Lokale Datenverwaltung
- 4.2.6. Spezielle Netzwerkhardware
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4.3. Wichtige Beispiele der LAN-Technologien
- 4.3.1. LAN-Topologien
- 4.3.2. Ethernet–IEEE802.3
- Exkurs 2: Ethernet – Timing und Kollisionsbehandlung
- Exkurs 3: Ethernet–Effizienz-Betrachtung
- 4.3.3. Token Ring–IEEE 802.5
- 4.3.4. Fiber Distributed Data Interface – FDDI
- 4.3.5. Asynchronous Transfer Mode – ATM
- Exkurs 4: ATM – Zellvermittlung (Switching)
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4.4. LAN-Erweiterung
- 4.4.1. Grenzen der LAN-Technologie
- 4.4.2. Repeater
- 4.4.3. Hubs
- 4.4.4. Bridges
- 4.4.5. Switches
- 4.4.6. Virtuelle LANs
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5. Netzzugangsschicht (2): Kabellose mobile LAN-Technologien (2 Artikel)
Die Zeiten, in denen der Zugang zum Internet nur vom Büro oder von zu Hause aus über einen fest verkabelten Rechner möglich waren, sind lange vorbei. Mobilität steht seit einigen Jahren im allgemeinen Fokus, sei es, um mit dem Laptop von unterwegs aus auf das Unternehmensnetzwerk zuzugreifen oder um mit dem Mobiltelefon E-Mails zu lesen. Möglich wird diese grenzenlose Zugriffsfreiheit durch Mobilfunktechnologien, die uns das gewohnte LAN an jedem beliebigen Ort bereitstellen können, und das ohne lästige Kabelführung. Kabelloses LAN (Wireless LAN oder WLAN) bietet heute eine den kabelgebundenen LAN-Technologien vergleichbare Leistung. Allerdings birgt der damit gewonnene Komfort auch seine Schattenseiten: Kabelgebundene Netzwerktechnologien zwangen den unberechtigten Lauscher oder Angreifer dazu, sich vor dem Eindringen in ein fremdes Netzwerk zunächst erst einmal physischen Zugang zum Netzwerk zu verschaffen. Das WLAN von heute besitzt keine festgemauerten Begrenzungen mehr, sondern kann über alle Barrieren hinweg innerhalb seines Senderadius problemlos von jedem empfangen werden. Sicherheitstechnologien und Verschlüsselungstechniken stehen daher im engen Bezug zu den kabellosen Netzwerktechnologien. Das vorliegende Kapitel stellt die Grundlagen der WLAN-Technologie vor und widmet sich anschließend den notwendigen Sicherheitsstandards und Verschlüsselungsmethoden, die einen sicheren Einsatz der kabellosen Technologie überhaupt erst möglich machen. Neben WLANs gewinnen heute immer mehr Nahbereichsnetzwerke, sogenannte Personal Area Networks (PANs) an Bedeutung, die innerhalb eines nur wenige Meter umfassenden Radius Ger¨ate autonom und kabellos vernetzen können. Als prominente PAN-Technologien werden Bluetooth und ZigBee näher vorgestellt.
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5.1. Grundlagen kabelloser und mobiler Netzwerktechnologien
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5.2. Wireless LAN (WLAN) – IEEE 802.11
- 5.2.1. IEEE 802.11 – Physikalische Schicht
- 5.2.2. IEEE 802.11 – MAC Subschicht
- 5.2.3. IEEE 802.11 – Datenformat
- 5.2.4. WLAN Sicherheit
- Exkurs 5: Kritik am WEP Verfahren
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5.3. Bluetooth – IEEE 802.15
- 5.3.1. Bluetooth Technologie
- 5.3.2. Bluetooth Protokollstapel
- 5.3.3. Bluetooth Security
- 5.3.4. Bluetooth Profile
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5.4. ZigBee – IEEE 802.15.4
- 5.4.1. ZigBee Technologie
- 5.4.2. ZigBee Protokolle und Adressierung
- 5.4.3. ZigBee Security
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5.5. Weitere funkbasierte Netzwerktechnologien
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5.1. Grundlagen kabelloser und mobiler Netzwerktechnologien
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6. Netzzugangsschicht (3):WAN-Technologien (8 Artikel)
Jenseits der engen räumlichen Grenzen eines LANs bieten WANs (Wide Area Network) die Möglichkeit, auch sehr große Distanzen zwischen einzelnen Rechnern und lokalen Rechnernetzen zu überbrücken. Dazu braucht es spezielle Übertragungsmedien und neue, zusätzliche Netzwerktechnologien und -protokolle. Unser Zugang zum globalen Internet verläuft meist über WAN-Technologien, wie z.B. über das Telefonnetzwerk, das Kabelfernsehnetzwerk oder über ein Mobilfunknetzwerk. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Konzepte und Techniken für den Aufbau und Betrieb solcher WANs vorgestellt. Schwerpunktmäßig wird dabei auf Adressierung und Routing eingegangen, die auch in der darüberliegenden Internetschicht von Bedeutung sind. Anhand unterschiedlicher Technologiebeispiele wird ein vertiefter Einblick in die Funktionsweise von WANs gegeben.
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6.1. Einleitung
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6.2. Paketvermittlung im WAN
- 6.2.1. Grundprinzipien
- 6.2.2. Aufbau eines WANs
- 6.2.3. Speichervermittlung
- 6.2.4. Adressierung im WAN
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6.3. Routing
- 6.3.1. Das Netzwerk als Graph
- 6.3.2. Berechnung der Routingtabellen im WAN
- 6.3.3. Isolierte Routing-Algorithmen
- Exkurs 6: Dijkstra-Algorithmus
- 6.3.4. Distanzvektor Routing
- 6.3.5. Link-State Routing
- Exkurs 7: Spezielle Routingverfahren
- Exkurs 8: Routingverfahren für Netzwerke mit mobilen Komponenten
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6.4. Wichtige Beispiele der WAN-Technologie
- 6.4.1. ARPANET
- 6.4.2. X.25
- 6.4.3. ISDN
- Exkurs 9: ISDN–Datenformate
- 6.4.4. Frame Relay
- 6.4.5. Broadband ISDN und ATM
- 6.4.6. Distributed Queue Dual Bus – DQDB
- 6.4.7. Cyclic Reservation Multiple Access – CRMA
- 6.4.8. Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH
- 6.4.9. Synchronous Digital Hierarchy – SDH, SONET
- 6.4.10. Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) – IEEE 802.16
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6.5. Zugang zum WAN
- 6.5.1. Zugang über das Telefonnetz – Modems
- 6.5.2. Zugang über ISDN
- 6.5.3. Zugang über Digital Subscriber Line – DSL
- 6.5.4. Kabellose Zugänge zum WAN – GSM, UMTS und LTE
- 6.5.5. Alternative Zugangsverfahren
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6.1. Einleitung
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7. Internetschicht (19 Artikel)
Geboren aus den alltäglichen Anforderungen der Praxis und bei weitem auch nicht als endgültige Lösung gedacht, stellt TCP/IP mit dem Internet Protocol Version 4 (IPv4) auch heute noch nach gut 30 Jahren das Kernstück der eigentlichen Internet- Technologie dar. Das parallel von der ISO entwickelte ISO/OSI-Referenzmodell für Kommunikationsprotokolle, das als universeller und endgültiger Standard im Bereich der Netzwerkkommunikation gedacht war, konnte sich nicht gegen das an vielen Stellen unzulängliche, doch in der Praxis robust und stabil funktionierende TCP/IP durchzusetzen, das das rasante Wachstum des Internets zu der globalen Kommunikationsinfrastruktur der modernen Gesellschaft ermöglicht hat. Mit IPv6, dem seit geraumer Zeit in den Startlöchern stehenden Nachfolger von IPv4, der nächsten Generation des IP-Protokolls, ist man für kommende Anforderungen bestens gerüstet, doch gestaltet sich der Übergang von der alten Version auf die neue schwieriger und langwieriger als gedacht, insbesondere da die technische Umstellung nicht das eigentliche Problem darstellt.
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7.1. Virtuelle Netze
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7.2. Internetworking
- 7.2.1. Verbindungsorientiertes Internetworking
- 7.2.2. Verbindungsloses Internetworking
- 7.2.3. Tunneling
- 7.2.4. Fragmentierung
- 7.2.5. Überlaststeuerung
- 7.2.6. Dienstgüte – Quality of Service
- 7.2.7. Internetwork Routing
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7.3. Internet Protokoll – IP
- 7.3.1. IP-Adressierung
- 7.3.2. Bindung von Protokolladressen
- 7.3.3. IP-Datagramme
- Exkurs 10: IP-Kapselung und IP-Fragmentierung
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7.4. Internet Protokoll Version6 – IPv6
- 7.4.1. Eigenschaften und Merkmale von IPv6
- 7.4.2. Das IPv6–Datagramm
- 7.4.3. IPv6 Fragmentierung, Jumbogramme und IPv6 Routing
- 7.4.4. IPv6 Adressierung
- 7.4.5. IPv6 Autokonfiguration
- 7.4.6. Koexistenz und Migration von IPv4 nach IPv6
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7.5. IPsec – sichere Kommunikation in der Internetschicht
- 7.5.1. IPsec Sicherheitsarchitektur
- 7.5.2. IPsec AuthenticationHeader (AH)
- 7.5.3. IPsec Encapsulating Security Payload (ESP)
- 7.5.4. IPsec Support Komponenten
- Exkurs 11: IPsec – Schlüsselmanagement
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7.6. Internet Control Message Protokoll – ICMP
- 7.6.1. Aufgaben von ICMP
- 7.6.2. ICMP-Nachrichtenformat
- 7.6.3. ICMP-Fehlermeldungen
- 7.6.4. ICMP-Anfragen und informelle Nachrichten
- 7.6.5. ICMPv6
- 7.6.6. Neighbor Discovery Protocol – NDP
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7.7. Mobile IP
- 7.7.1. Grundproblematik und Anforderungen
- 7.7.2. Prinzipieller Ablauf
- 7.7.3. Mobile IP Nachrichtenformate
- 7.7.4. Mobile IP und Routingeffizienz
- 7.7.5. Mobile IP Version 6 – MIPv6
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7.1. Virtuelle Netze
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8. Transportschicht (13 Artikel)
Das Internet Protokoll (IP) stellt das verbindende Element für die unterschiedlichsten Netzwerktechnologien dar und erschafft damit aus einem bunten Fleckenteppich unterschiedlicher Architekturen ein einheitliches, homogenes und globales Netzwerk. Doch damit alleine ist es noch lange nicht getan. IP stellt lediglich einen unzuverlässigen und unsicheren Dienst zur Verfügung: Einmal abgesendete Datenpakete bewegen sich unabhängig voneinander im Netz zum Empfänger, aber es wird keine Garantie für deren sichere und zuverlässige Zustellung übernommen. Zuverlässige Kommunikation ist aber eine Grundvoraussetzung für einen effizienten und sicheren Datenverkehr im Netzwerk. Eine Anwendung muss sich darauf verlassen können, dass einmal gesendete Daten auch tatsächlich den designierten Empfänger erreichen bzw. muss zeitnah und zuverlässig feststellen können, ob die gesendeten Daten auch tatsächlich ihr Ziel erreicht haben oder nicht. Die Etablierung und Gewährleistung einer sicheren und zuverlässigen Kommunikationsverbindung zählt zu den Aufgaben der nächsthöheren Protokollschicht im TCP/IP Referenzmodell, der Transportschicht. Dort arbeiten das komplexe und zuverlässigeTransport Control Protocol (TCP) und das auf Geschwindigkeit hin optimierte User Datagram Protocol, die dem Benutzer komfortable Werkzeuge zum Verbindungsmanagement bieten. Die Protokolle der Transportschicht legen eine weitere Abstraktionsschicht über das Internet und realisieren eine direkte Ende-zu-Ende-Verbindung, ohne dass dabei auf die Details des Datentransports, wie z.B. das Routing des Datenverkehrs, R¨ucksicht genommen werden muss.
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8.1. Aufgaben und Protokolle der Transportschicht
- 8.1.1. Dienste der Transportschicht – eineÜbersicht
- 8.1.2. Kommunikationsendpunkte und Adressierung
- 8.1.3. TCP und UDP Ports und Sockets
- 8.1.4. Dienstprimitive auf der Transportschicht
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8.2. User Datagram Protocol – UDP
- 8.2.1. Aufgabe und Funktion von UDP
- 8.2.2. UDP Nachrichtenformat
- 8.2.3. UDP Anwendungen
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8.3. Transmission Control Protocol – TCP
- 8.3.1. Funktionen und Aufgaben von TCP
- Exkurs 12: TCP – Verbindungsmanagement
- 8.3.2. TCP Nachrichtenformat
- 8.3.3. TCP – Zuverlässigkeit, Flusssteuerung und Überlastkontrolle
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8.4. Network Address Translation – NAT
- 8.4.1. NAT – Funktionen und Aufgaben
- 8.4.2. NAT – Einsatzmöglichkeiten
- 8.4.3. NAT – Vor- und Nachteile
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8.5. Sicherheit auf der Transportschicht
- 8.5.1. Transport Layer Security und Secure Socket Layer – TLS/SSL
- Exkurs 13: TLS/SSL Handshake-Verfahren
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8.1. Aufgaben und Protokolle der Transportschicht
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9. Anwendungsschicht und Internetanwendungen (12 Artikel)
Bislang konnte geklärt werden, wie Daten von einem Rechner über das globale Internet hinweg zu einem anderen Rechner transportiert werden, doch noch fehlt die Beschreibung der Schnittstelle, die diese Basistechnik für spezielle Dienste und Anwendungen nutzbar macht. Aufgaben, die heute bereits fester Bestandteil des alltäglichen Lebens sind, wie das Versenden elektronischer Post oder die Nutzung interaktiver Informationsressourcen im World Wide Web, sie alle basieren auf einem Client/Server-basierten Interaktionsmodell, das sich das Internet und seine Protokolle zu Nutze macht. Dieses Kapitel stellt die Anwendungsschicht des TCP/IP -Referenzmodells in den Mittelpunkt und behandelt zahlreiche Dienste und Applikationen, die in dieser Schicht angesiedelt sind. Ausgehend von einer Beschreibung des Client/Server-Interaktionsmodells werden zunächst Verzeichnis- und Namensdienste vorgestellt, bevor auf die neben dem World-Wide Web wichtigste Internet-Anwendung, die elektronische Post, und die sie ermöglichenden Protokolle eingegangen wird. Neben einer Vielzahl weiterer Anwendungen, wie z.B. Dateitransfer, Remote Login und Netzwerkmanagement, werden insbesondere multimediale Applikationen, wie das populäre Media-Streaming im Detail beschrieben.
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9.1. Grundbegriffe, Funktion und Überblick
- 9.1.1. Internetdienste und Protokolle der Anwendungsschicht
- 9.1.2. Client-/Server-Interaktionsmodell
- 9.1.3. Socket-Schnittstellen
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9.2. Namens – und Verzeichnisdienste
- 9.2.1 Domain Name System – DNS
- Exkurs 14: Sicheres DNS – Domain Name System Security Extensions
- 9.2.2. Verzeichnisdienste
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9.3. Elektronische Post – E-Mail
- 9.3.1. Message Handling Systeme
- 9.3.2. E-Mail Nachrichtenformat
- 9.3.3. MIME Standard
- 9.3.4. Simple Mail Transfer Protocol – SMTP
- 9.3.5. POP und IMAP
- 9.3.6. Pretty Good Privacy – PGP
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9.4. Dateitransfer
- 9.4.1. (Secure) File Transfer Protocol – FTP und SFTP
- 9.4.2. Trivial File Transfer Protocol – TFTP
- 9.4.3. Network File System – NFS
- 9.4.4. Remote Procedure Call – RPC
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9.5. Remote Login
- 9.5.1. Telnet
- 9.5.2. Remote Login – rlogin
- 9.5.3. Secure Shell – SSH
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9.6. Netzwerkmanagement
- 9.6.1. Dynamic Host Configuration Protocol – DHCP
- 9.6.2. Simple Network Management Protocol – SNMP
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9.7. Audio- und Videokommunikation
- 9.7.1. Multimedia Anwendungen im Internet
- 9.7.2. Real-time Transport Protocol – RTP
- 9.7.3. Real-Time Transport Control Protocol – RTCP
- 9.7.4. Real-Time Streaming Protocol – RTSP
- 9.7.5. Ressourcenreservierung und Dienstqualität
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9.8. Weitere Dienste und Anwendungen im Internet
- 9.8.1. World Wide Web
- 9.8.2. Peer-to-Peer Anwendungen
- 9.8.3. Internet Relay Chat – IRC
- 9.8.4. Usenet News
- 9.8.5. Sonstige Dienstangebote über TCP/IP
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9.9. Sicherheit auf der Anwendungsschicht – Paketfilter und Firewalls
- 9.9.1. Paketfilter
- 9.9.2. Gateways
- 9.9.3. Firewalls – Topologie
- Exkurs 15: Die Lock-Keeper Technologie
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9.1. Grundbegriffe, Funktion und Überblick
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10. Epilog (0 Artikel)
Das Internet und seine neuen Kommunikationsmöglichkeiten haben sich zu einer der treibenden Kräfte des technischen und kulturellen Fortschritts im 21. Jahrhunderts entwickelt. Im Fokus dieses Bandes stand die Internetworking Technologie als Basisgrundlage des globalen Internets, dessen Einfluss in den vergangenen Jahren die Art und Weise, wie wir miteinander kommunizieren, und damit auch unser tägliches Leben grundlegend gewandelt hat. Die beiden anderen B ̈ande dieser Serie ”Digitale Kommunikation“ und ”Web Technologien“ runden das aufgespannte Themenspektrum ab, indem einerseits die historische Entwicklung und die technischen Grundlagen der digitalen Kommunikation und andererseits das auf dem Internet aufbauende World Wide Web und die damit verbundenen Technologien detailliert beschrieben werden.