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IT2222 – Netzwerktechnik
Dozentin: Gabriele Schrenk | HWR Berlin | 17. & 19.02.2026
1. Netzwerkgrundlagen
Ein Netzwerk ist ein Verbund zur Datenkommunikation, der den Datenaustausch zwischen Knoten (Stationen) ermöglicht.
2. Netzwerk-Komponenten
| Komponente | Funktion |
|---|---|
| Repeater | Verstärkt und überträgt Signale zwischen zwei Netzsegmenten |
| Hub | Verbindet mehrere Geräte (physikalischer Ring, virtueller Bus) – veraltet |
| Bridge | Verbindet zwei Netzwerke – veraltet |
| Switch | Verbindet mehrere Netzsegmente kollisionsfrei |
| Router | Verbindet mehrere Netze miteinander |
| Gateway | Wandelt Protokolle um |
3. Adressierungsarten
- Unicast – Adressierung an genau einen Empfänger; bidirektionale Kommunikation; Punkt-zu-Punkt
- Broadcast – Sendet an alle Systeme eines Netzabschnitts; Punkt-zu-Mehrpunkt
- Multicast – Sendet an eine definierte Gruppe mit verschiedenen Adressen; unidirektional, Punkt-zu-Mehrpunkt
- Anycast – Eine einzelne IP-Adresse wird von mehreren Servern geteilt; unidirektional, Punkt-zu-Punkt (nächster verfügbarer Server antwortet)
4. Netzwerk-Topologien
Physikalische vs. Logische Topologie
- Physikalisch: Wie Geräte physisch über ein Medium verbunden sind
- Logisch: Wie Komponenten miteinander kommunizieren
4.1 Bus-Topologie
- Einsatz: industrielles Umfeld (z. B. Automotive)
- Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung; Abschlusswiderstand an Kabelenden erforderlich
Vorteile: Knotenausfall beeinflusst das Netz nicht · geringe Kosten · einfache Verkabelung · keine aktiven Netzkomponenten
Nachteile: Leicht abhörbar (Verschlüsselung nötig) · defektes Kabel blockiert den gesamten Netzstrang · Datenstau möglich
4.2 Stern-Topologie
- Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit zentralem Knoten (Switch/Hub)
Vorteile: Knotenausfall beeinflusst das Netz nicht · hohe Übertragungsraten (mit Switch) · leicht erweiterbar · leicht verständlich
Nachteile: Ausfall des zentralen Verteilers legt das gesamte Netz lahm · niedrige Übertragungsraten wenn Hub statt Switch verwendet wird
4.3 Baum-Topologie
- Punkt-zu-Punkt-Verbindung, hierarchisch gegliedert (Wurzel → Äste → Blätter)
Vorteile: Knotenausfall beeinflusst das Netz nicht · strukturell erweiterbar · große Entfernungen realisierbar
Nachteile: Ausfall eines Verteilers legt den gesamten „Ast" lahm · Engpässe an der Wurzel · Latenzprobleme
4.4 Leaf-Spine-Architektur (Data Center)
- Modernes Rechenzentrum-Design mit zwei Ebenen: Spine-Switches (Kern) und Leaf-Switches (Zugang)
Vorteile: Sehr leistungsfähig · hohe Skalierbarkeit · komplett redundant
Nachteile: Hoher Verkabelungsaufwand · hohe Anzahl an Switches · komplexe Auslastungsberechnung bei mehreren Herstellern
4.5 Maschen-Topologie (Mesh)
- Jeder Knoten hat mindestens einen Link zu anderen Knoten; vollvermaschtes Netz ermöglicht Umleitung bei Knotenausfall
Vorteile: Sehr sicher · sehr leistungsfähig · keine Streckenführung nötig (vollvermascht)
Nachteile: Hoher Verkabelungsaufwand · hoher Energieverbrauch · komplexe Streckenführung (teilvermascht)
4.6 Zell-Topologie (z. B. WLAN)
- Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung; drahtloses Netz
Vorteile: Knotenausfall beeinflusst das Netz nicht · kabellos
Nachteile: Unsicher (Verschlüsselung erforderlich) · störanfällig · begrenzte Reichweite
5. Layer 2 – Data Link Layer (Sicherungsschicht)
5.1 Funktionsweise eines Switches
Ein Switch nutzt einen internen Speicher (Memory/CAM-Tabelle), um Datenpakete gezielt weiterzuleiten – ähnlich einem Kreisverkehr, der Fahrzeuge in die richtige Richtung schickt.
5.2 Switch-Funktionalität
- Lernen: Pflegt eine Adresstabelle pro Interface; merkt sich MAC-Quelladressen
- Unicast: Weiterleitung an das Interface, dessen Zieladresse in der Tabelle steht
- Broadcast: Weiterleitung an alle Interfaces
- Flooding: Weiterleitung an alle Interfaces, wenn die Zieladresse noch nicht in der Tabelle ist
5.3 Ethernet-Rahmenformat
Ein Ethernet-Frame besteht aus folgenden Feldern:
| Feld | Größe | Bedeutung |
|---|---|---|
| Preamble | 8 Byte | Bitmaske (010101...) zur Synchronisierung |
| Destination Address | 6 Byte | Ziel-MAC-Adresse |
| Source Address | 6 Byte | Quell-MAC-Adresse |
| Type/Length | 2 Byte | DIX Typfeld oder IEEE 802.2 Länge |
| DATA | 46–1500 Byte | Nutzdaten |
| CRC | 4 Byte | 32-Bit-Prüfsumme über Header und Daten |
5.4 Ethernet-Adressierung (MAC-Adresse)
- Jedes Ethernet-Interface hat eine eindeutige 48-Bit-Adresse (MAC-Adresse)
- Darstellung: hexadezimal, z. B.
00:80:48:E8:71:47 - Aufbau: OUI (Organizationally Unique Identifier, 24 Bit, vom Hersteller) + OUI-owner assigned number (24 Bit, Gerätenummer)
- Broadcast-Adresse:
FF:FF:FF:FF:FF:FF→ jedes Interface verarbeitet diesen Frame
6. IP-Adressierung (Layer 3)
- IP-Adressen sind 32 Bit lang (4 Byte)
- Darstellung: punktgetrennte Dezimalzahlen (z. B.
131.108.122.204) - Bestehen aus Netzanteil und Hostanteil
- Ergänzt durch symbolische Namen (DNS)
Beispiel:
Binär: 10000011 01101100 01111010 11001100
Dezimal: 131 . 108 . 122 . 204
7. ARP – Address Resolution Protocol
- Verbindet Layer-2-Adressen (MAC) mit Layer-3-Adressen (IP)
- Wird für IP-Adressen im gleichen Subnetz per Broadcast verwendet
- Für IP-Adressen in anderen Subnetzen wird die MAC-Adresse des Gateways verwendet
ARP-Ablauf
- ARP-Request (Broadcast): „Welche MAC-Adresse hat IP 172.16.3.2?"
- Zielhost erkennt seine IP-Adresse und antwortet
- ARP-Reply (Unicast): „Meine MAC-Adresse ist 0800.0020.1111"
- Sender trägt die Zuordnung in seine ARP-Tabelle ein
Sicherheitshinweis
- ARP-Antworten werden nicht überprüft → Angriff durch ARP-Spoofing möglich!
Vollständiges Paket benötigt 4 Adressen:
- Quell-MAC-Adresse
- Ziel-MAC-Adresse
- Quell-IP-Adresse
- Ziel-IP-Adresse
8. ICMP – Internet Control Message Protocol
- Zweck: Informiert über Fehlerzustände im Netz und liefert rudimentäre Statusinformationen
- ICMP ist ein Kontrollprotokoll, nicht für Datentransport gedacht
- Bei Verlust von ICMP-Paketen erfolgt kein automatischer Neuversand
Beispiele für ICMP-Einsatz
- Datagramm erreicht sein Ziel nicht
- Router kann ein Paket nicht weiterleiten
- Router kennt einen kürzeren Weg (Redirect)
ICMPv4 (RFC 792)
- Layer-3-Protokoll; verbindungslos
- Verwendet IP für die Kommunikation
ICMP-Header (32 Bit):
| Feld | Größe |
|---|---|
| Typ-Feld | 8 Bit |
| Code-Feld | 8 Bit |
| Checksumme | 16 Bit |
ICMP Echo Request / Reply (Ping)
- Sender schickt einen ICMP Echo-Request
- Empfänger sendet die Daten identisch zurück (Echo-Reply)
- Einfachste Methode zur Verbindungsprüfung
- Im Fehlerfall werden ICMP-Fehlerpakete gesendet
ICMP Timestamp
- Dient der Laufzeitprüfung zwischen zwei Systemen
- Sender überträgt die Absendezeit in Millisekunden nach Mitternacht
- Empfänger trägt Empfangszeit und Absendezeit für den Rückweg ein (eliminiert interne Verarbeitungsverzögerung)
Schnellreferenz: Schlüsselbegriffe
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| MAC-Adresse | Eindeutige 48-Bit-Hardware-Adresse (Layer 2) |
| IP-Adresse | 32-Bit-logische Adresse (Layer 3) |
| ARP | Auflösung von IP → MAC im lokalen Netz |
| ICMP | Kontrollprotokoll für Fehler und Diagnosemeldungen |
| Switch | Layer-2-Gerät zur kollisionsfreien Segmentierung |
| Router | Layer-3-Gerät zur Verbindung verschiedener Netze |
| Broadcast | Nachricht an alle Teilnehmer im Netzabschnitt |
| Flooding | Switch leitet weiter, wenn Ziel-MAC unbekannt |
| OUI | Herstellerkennung in der MAC-Adresse |
| CRC | Prüfsumme zur Fehlererkennung im Ethernet-Frame |
| TTL | Time to Live – begrenzt Lebensdauer von IP-Paketen |