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nw2 - Zusammenfassung

1. Grundlagen der Netzwerkkommunikation

Ein Netzwerk ist ein Zusammenschluss verschiedener IT-Systeme zum Zweck des Datenaustausches.

Grundlegende Komponenten

  • Endsysteme (Hosts): Start- und Endpunkte der Datenübertragung (PCs, Server, Smartphones).
  • Kopplungselemente: Verbinden Netzabschnitte oder ganze Netze (Hubs, Switche, Router).
  • Übertragungsmedien: Kabel (Kupfer, Glasfaser) oder Funkwellen (WLAN).

Kommunikationsarten

  1. Unicast (Punkt-zu-Punkt): Gezielte Verbindung zwischen einem Sender und einem Empfänger.
  2. Multicast (Punkt-zu-Mehrpunkt): Nachricht an eine bestimmte Gruppe von Teilnehmern.
  3. Broadcast (Punkt-zu-Mehrpunkt): Nachricht an alle Teilnehmer in einem Netzsegment.

2. Netzwerktopologien und Klassifizierung

Man unterscheidet zwischen der physikalischen Topologie (tatsächliche Verkabelung) und der logischen Topologie (tatsächlicher Datenfluss).

Topologien im Überblick

  • Bus-Topologie: Alle Teilnehmer hängen an einem Hauptkabel. Günstig, aber bei Kabelbruch fällt das gesamte Netz aus.
  • Stern-Topologie: Alle Teilnehmer sind mit einem zentralen Switch verbunden. Höchste Flexibilität; fällt ein Kabel aus, betrifft es nur einen Teilnehmer.
  • Ring-Topologie: Daten wandern von Rechner zu Rechner. Ausfall eines Geräts kann den Ring unterbrechen.
  • Vermaschtes Netz (Mesh): Jeder mit jedem (vollvermascht) oder teils vermascht. Höchste Ausfallsicherheit, aber teuer in der Verkabelung.

Entfernungsklassen

  • PAN (Personal Area Network): Bluetooth, ca. 1-10 m.
  • LAN (Local Area Network): Gebäude/Campus, 10 m bis ca. 1 km.
  • MAN (Metropolitan Area Network): Stadtnetz, bis 100 km.
  • WAN (Wide Area Network): Länder/Kontinente.
  • GAN (Global Area Network): Weltweit (Internet).

3. Das OSI-Referenzmodell

Das OSI-Modell (Open Systems Interconnection) dient der Standardisierung der Kommunikation über sieben Schichten.

Visuelle Darstellung

Schicht Ebene Funktion PDU (Einheit) Hardware / Beispiel
7 Anwendung Schnittstelle für Software Daten HTTP, FTP, Browser
6 Darstellung Datenformate, Kompression Daten JPEG, ASCII, Verschlüsselung
5 Sitzung Dialogsteuerung, Checkpoints Daten RPC, NetBIOS
4 Transport End-zu-End Fehlersicherung Segmente TCP, UDP
3 Vermittlung Routing, logische Adressierung Pakete Router, IP, ICMP
2 Sicherung Physische Adressierung (MAC) Frames Switch, Ethernet
1 Bitübertragung Physikalische Signale, Kabel Bits Hub, Repeater, Kabel

Datenkapselung: Beim Senden wird eine SDU (Service Data Unit) von der höheren Schicht übernommen und durch Hinzufügen eines Protokoll-Headers zur PDU (Protocol Data Unit) der aktuellen Schicht. Beim Empfänger findet der umgekehrte Prozess statt (Decapsulation).

4. Layer 1 – Übertragungsmedien (Physical Layer)

Diese Schicht legt mechanische und elektrische Eigenschaften fest.

  • Kupferkabel (Twisted-Pair): * Nutzt Differenzsignale auf verdrillten Adernpaaren, um elektromagnetische Störungen zu neutralisieren.
    • Wellenwiderstand in der Netzwerktechnik meist 50 Ohm (im Vergleich zu 75 Ohm bei TV-Kabeln).
  • Lichtwellenleiter (LWL):
    • Singlemode (OS1/OS2): Kern ca. 9 µm. Nutzt Laser. Sehr hohe Reichweite (bis 10 km+) und Bandbreite, da kaum Signalstreuung (Modendispersion).
    • Multimode (OM1-OM5): Kern 50 oder 62,5 µm. Nutzt LED/VCSEL. Günstiger, aber auf kürzere Distanzen begrenzt (bis ca. 550 m), da die Lichtstrahlen unterschiedlich reflektiert werden.

5. Layer 2 – Sicherungsschicht (Data Link Layer)

Hier geht es um den fehlerfreien Transport innerhalb eines Netzsegments.

Ethernet & Switching

  • MAC-Adresse: 48 Bit lange, eindeutige Hardwareadresse (z. B. 00-80-41-ae-fd-7e).
  • Switching-Methoden:
    1. Store-and-forward: Der Frame wird komplett eingelesen, auf Fehler (CRC) geprüft und dann weitergeleitet (Sicher, aber langsamer).
    2. Cut-through: Weiterleitung beginnt, sobald die Ziel-MAC gelesen wurde (Schnell, leitet aber auch defekte Frames weiter).

Spanning Tree Protocol (STP - 802.1D)

Verhindert redundante Schleifen in Netzen, die zu "Broadcast-Stürmen" führen würden.

  1. Wahl der Root-Bridge: Switch mit der niedrigsten Bridge ID (Priorität + MAC) wird Chef.
  2. Pfadauswahl: Redundante Wege werden logisch in den Zustand "Blocking" versetzt.

VLANs (802.1Q)

Ermöglichen die logische Trennung von Netzen auf demselben physikalischen Switch.

  • Statische VLANs: Port-basiert.
  • Dynamische VLANs: Zuordnung basierend auf der MAC-Adresse des Endgeräts.

6. WLAN (Wireless LAN - 802.11)

WLAN ist ein "Shared Medium" – alle Geräte teilen sich die Funkfrequenz.

  • Frequenzen: * 2,4 GHz (Gute Reichweite, aber überlaufen durch Bluetooth/Mikrowellen).
    • 5 GHz (Höhere Datenraten, weniger Reichweite).
  • Prozess beim Verbindungsaufbau:
    1. Scanning/Probing: Suchen nach verfügbaren Netzen (SSID).
    2. Authentifizierung: Prüfung der Zugriffsberechtigung.
    3. Assoziation: Der Client meldet sich am Access Point an und bekommt eine Port-ID (ähnlich wie beim Switch).

7. Layer 3 – Vermittlungsschicht (IPv4 Adressierung)

Layer 3 verbindet unterschiedliche Netzwerke durch Routing.

IPv4-Adressstruktur

Eine Adresse hat 32 Bit (4 Oktette à 8 Bit).

  • Klasse A: 1 – 126 (Große Netze)
  • Klasse B: 128 – 191 (Mittlere Netze)
  • Klasse C: 192 – 223 (Kleine Netze)
  • Klasse D: 224 – 239 (Multicast)
  • Klasse E: 240 – 255 (Forschung/Reserviert)

Spezialfall: 127.0.0.1 ist die Loopback-Adresse (Localhost), um die eigene Netzwerkkarte zu testen.

Binäre Umrechnung (Wichtig!)

Computer denken in Binärzahlen. Ein Oktett hat die Wertigkeiten: 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1

Beispiel Umrechnung der Zahl 144:

  1. Passt 128 in 144? JA (Bit = 1), Rest 16.
  2. Passt 64 in 16? NEIN (Bit = 0).
  3. Passt 32 in 16? NEIN (Bit = 0).
  4. Passt 16 in 16? JA (Bit = 1), Rest 0.
  5. Alle weiteren (8, 4, 2, 1) sind 0. Binärergebnis: 10010000

8. TCP/IP-Referenzmodell

Im Gegensatz zum OSI-Modell hat das praxisnahe TCP/IP-Modell meist nur 4 Schichten:

  1. Application: (OSI 5-7) – HTTP, DNS, SMTP.
  2. Transport: (OSI 4) – TCP (verbindungsorientiert) und UDP (verbindungslos).
  3. Internet: (OSI 3) – IPv4, IPv6, ICMP.
  4. Network Access: (OSI 1-2) – Ethernet, WLAN, ARP.

9. Definitionen

MAC-Adresse (Media Access Control)

Die MAC-Adresse ist die physische Identität deines Geräts. Sie wird vom Hersteller direkt in den Netzwerkchip (z. B. WLAN-Modul oder Ethernet-Karte) "eingebrannt".

  • Eigenschaft: Weltweit einzigartig und (normalerweise) unveränderlich.
  • Vergleich: Wie die Fahrgestellnummer eines Autos. Egal wo das Auto hinfährt, die Nummer bleibt gleich.
  • Format: Besteht meist aus sechs Paaren von Hexadezimalzahlen, z. B. 00:1A:2B:3C:4D:5E.

IP-Adresse (Internet Protocol)

Die IP-Adresse ist die logische Anschrift deines Geräts in einem Netzwerk. Sie wird dir zugewiesen, damit Datenpakete wissen, wohin sie geliefert werden müssen.

  • Eigenschaft: Veränderlich. Sie hängt davon ab, mit welchem Netzwerk du gerade verbunden bist.
  • Vergleich: Wie eine Postanschrift. Wenn du umziehst (oder dich in ein anderes WLAN einwählst), ändert sich deine Adresse, damit die Post dich finden kann.
  • Formate:
    • IPv4: Vier Zahlenblöcke (z. B. 192.168.178.1).
    • IPv6: Ein längeres Format für mehr verfügbare Adressen (z. B. 2001:0db8:85a3...).

Der entscheidende Unterschied

Merkmal MAC-Adresse IP-Adresse
Was ist es? Hardware-Identität Netzwerk-Standort
Wer vergibt sie? Der Hersteller Der Router / Provider
Sichtbarkeit Lokal im eigenen Netzwerk Weltweit (bei öffentlichen IPs)