2.6 Datenweg durch die Schichten
Beim Senden und Empfangen von Daten arbeiten mehrere Netzwerkschichten zusammen.
Ein einzelner Webseitenaufruf besteht nicht nur aus „Browser fragt Server“. Technisch laufen viele Schritte ab:
- Anwendung erzeugt Daten
- Transportprotokoll bereitet die Übertragung vor
- IP sorgt für Adressierung und Weiterleitung
- Ethernet oder WLAN überträgt im lokalen Netzwerk
- Bits werden über Kabel, Glasfaser oder Funk gesendet
- beim Empfänger wird alles wieder entpackt
Das nennt man auch:
Kapselung beim Sender
Entkapselung beim Empfänger
Grundidee
Beim Sender laufen die Daten im OSI-Modell von oben nach unten.
Beim Empfänger laufen die Daten wieder von unten nach oben.
Vereinfacht:
Sender:
Anwendung → Transport → Vermittlung → Sicherung → Bitübertragung
Empfänger:
Bitübertragung → Sicherung → Vermittlung → Transport → Anwendung
Das bedeutet:
Beim Senden werden Daten verpackt.
Beim Empfangen werden Daten wieder ausgepackt.
Begriff: Datenweg
Der Datenweg beschreibt, welchen Weg Daten durch die einzelnen Schichten nehmen.
Dabei kann man zwei Arten von Wegen unterscheiden:
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| logischer Datenweg | Kommunikation zwischen den passenden Schichten von Sender und Empfänger |
| physischer Datenweg | tatsächliche Übertragung über Kabel, Glasfaser oder Funk |
Vereinfacht:
Logisch spricht Schicht 4 mit Schicht 4.
Physisch laufen die Daten aber durch alle unteren Schichten und über das Medium.
Beispiel: Webseite aufrufen
Ein Client ruft eine Webseite auf.
Beispiel:
Der Benutzer öffnet im Browser eine Webseite.
Dafür arbeiten mehrere Protokolle und Schichten zusammen.
Vereinfacht:
Browser
HTTPS
TCP
IP
Ethernet oder WLAN
Bits / Signale
Als Schichtenfolge:
| Schritt | Schicht | Aufgabe |
|---|---|---|
| 1 | Anwendungsschicht | Browser erzeugt eine Anfrage |
| 2 | Transportschicht | TCP transportiert die Daten zuverlässig |
| 3 | Vermittlungsschicht | IP adressiert das Ziel |
| 4 | Sicherungsschicht | Ethernet oder WLAN überträgt lokal |
| 5 | Bitübertragungsschicht | Bits werden als Signale übertragen |
Schritt 1: Anwendung erzeugt Daten
Der Browser erzeugt eine Anfrage an den Webserver.
Beispiel:
Der Browser möchte eine Webseite laden.
Auf Anwendungsebene wird dafür ein Anwendungsprotokoll genutzt.
Typische Beispiele:
HTTP
HTTPS
DNS
SMTP
IMAP
Bei einer Webseite ist es meistens:
HTTP oder HTTPS
Wichtig:
Der Browser ist das Programm.
HTTP oder HTTPS ist das Anwendungsprotokoll.
Merksatz:
Anwendungsschicht = Netzwerkdienste für Anwendungen
Schritt 2: Namensauflösung durch DNS
Bevor der Client eine Webseite aufrufen kann, muss oft zuerst der Name in eine IP-Adresse aufgelöst werden.
Beispiel:
www.example.org
Der Computer braucht aber eine IP-Adresse, um das Ziel im Netzwerk zu erreichen.
Dafür wird DNS verwendet.
DNS steht für:
Domain Name System
DNS löst Namen in IP-Adressen auf.
Beispiel:
www.example.org → 93.184.216.34
Wichtig:
DNS ist ein Anwendungsprotokoll,
hat aber einen starken Bezug zur IP-Kommunikation,
weil am Ende eine IP-Adresse benötigt wird.
DNS-Anfrage als eigener Datenweg
Auch die DNS-Anfrage läuft durch die Schichten.
Vereinfacht:
DNS → UDP → IP → Ethernet/WLAN → Bits
Typischer Ablauf:
1. Client fragt den DNS-Server nach der IP-Adresse.
2. DNS-Anfrage wird häufig über UDP gesendet.
3. IP adressiert die Anfrage zum DNS-Server.
4. Ethernet oder WLAN überträgt die Daten im lokalen Netzwerk.
5. DNS-Server antwortet mit der passenden IP-Adresse.
Merksatz:
Vor vielen Verbindungen kommt zuerst die Namensauflösung.
Schritt 3: Transportschicht bereitet die Verbindung vor
Wenn die Ziel-IP-Adresse bekannt ist, kann die eigentliche Verbindung zum Webserver vorbereitet werden.
Bei HTTPS wird meistens TCP verwendet.
TCP steht für:
Transmission Control Protocol
TCP ist verbindungsorientiert und zuverlässig.
Bei TCP wird vor der eigentlichen Nutzdatenübertragung eine Verbindung aufgebaut.
Das nennt man:
3-Wege-Handshake
Ablauf:
Client Server
1. SYN ---------------------> Verbindungswunsch
2. SYN-ACK <------------------ Bestätigung + eigene Start-Sequenznummer
3. ACK ---------------------> Bestätigung
Danach ist die TCP-Verbindung aufgebaut.
Wichtig:
Erst nach dem TCP-Verbindungsaufbau werden die eigentlichen Nutzdaten übertragen.
Merksatz:
TCP = erst Verbindung aufbauen, dann Nutzdaten senden
Schritt 4: Ports bestimmen den Dienst
Auf Schicht 4 werden Ports verwendet.
Ein Port zeigt, welcher Dienst oder welche Anwendung auf einem Host gemeint ist.
Beispiel:
Ziel-IP-Adresse: 93.184.216.34
Ziel-Port: 443
Bedeutung:
Sende die Daten an den Host 93.184.216.34
und dort an den Dienst HTTPS auf Port 443.
Typische Ports:
| Port | Protokoll / Dienst |
|---|---|
| 80 | HTTP |
| 443 | HTTPS |
| 53 | DNS |
| 22 | SSH |
| 25 | SMTP |
| 110 | POP3 |
| 143 | IMAP |
Merksatz:
IP-Adresse = welcher Host?
Port = welcher Dienst?
Schritt 5: IP adressiert das Ziel
Auf Schicht 3 wird IP verwendet.
IP steht für:
Internet Protocol
IP sorgt für die logische Adressierung und Weiterleitung von Paketen.
Ein IP-Paket enthält unter anderem:
- Quell-IP-Adresse
- Ziel-IP-Adresse
- Steuerinformationen
- Nutzdaten
Beispiel:
Quell-IP-Adresse: 192.168.1.20
Ziel-IP-Adresse: 93.184.216.34
Die IP-Adresse sagt:
Von welchem Host kommt das Paket?
Zu welchem Host soll das Paket?
Merksatz:
IP-Adresse = logische Adresse für Netzwerkkommunikation
Schritt 6: Routing entscheidet den Weg
Wenn Ziel und Quelle nicht im selben lokalen Netzwerk liegen, muss ein Router das Paket weiterleiten.
Routing bedeutet:
Weiterleitung von Paketen zwischen Netzwerken
Ein Router betrachtet die Ziel-IP-Adresse und entscheidet, wohin das Paket als Nächstes gesendet wird.
Beispiel:
Client → Standard-Gateway → Internet → Zielserver
Das Standard-Gateway ist meistens der Router im lokalen Netzwerk.
Merksatz:
Router verbinden Netzwerke.
Switches verbinden Geräte im lokalen Netzwerk.
Schritt 7: Ethernet oder WLAN überträgt lokal
Auf Schicht 2 wird das IP-Paket in einen Frame verpackt.
Bei kabelgebundenem LAN ist das häufig ein Ethernet-Frame.
Ein Ethernet-Frame enthält unter anderem:
- Ziel-MAC-Adresse
- Quell-MAC-Adresse
- Typfeld
- Nutzdaten
- FCS-Prüfsumme
Die MAC-Adresse wird für die lokale Zustellung im aktuellen Netzwerkabschnitt verwendet.
Wichtig:
MAC-Adressen gelten nur im lokalen Netzwerkabschnitt.
IP-Adressen sind für die logische Kommunikation über Netzwerke hinweg wichtig.
Merksatz:
MAC-Adresse = lokale Zustellung im LAN
Schritt 8: ARP findet die passende MAC-Adresse
Wenn ein Gerät eine IP-Adresse im lokalen Netzwerk erreichen möchte, braucht es die passende MAC-Adresse.
Dafür wird bei IPv4 ARP verwendet.
ARP steht für:
Address Resolution Protocol
ARP fragt sinngemäß:
Wer hat diese IP-Adresse?
Ich brauche die passende MAC-Adresse.
Beispiel:
Wer hat 192.168.1.1?
Antwort: 192.168.1.1 hat die MAC-Adresse aa:bb:cc:dd:ee:ff
Wichtig:
ARP löst IPv4-Adressen zu MAC-Adressen auf.
ARP ist für die lokale Kommunikation im LAN wichtig.
Merksatz:
ARP verbindet IP-Adresse und MAC-Adresse im lokalen Netzwerk.
Schritt 9: Schicht 1 überträgt Bits
Auf Schicht 1 werden die Daten als Bits übertragen.
Ein Bit kann zwei Zustände haben:
0
1
Je nach Übertragungsmedium werden diese Bits übertragen als:
- elektrische Signale über Kupferkabel
- Lichtsignale über Glasfaser
- Funksignale über WLAN
Wichtig:
Schicht 1 interessiert sich nicht für IP-Adressen, Ports oder Anwendungen.
Schicht 1 überträgt nur Bits als Signale.
Merksatz:
Schicht 1 = Bits und Signale
Der Datenweg beim Sender
Beim Sender werden die Daten schrittweise verpackt.
Vereinfacht:
Anwendung:
HTTPS-Daten
Transportschicht:
TCP-Header + HTTPS-Daten
Vermittlungsschicht:
IP-Header + TCP-Header + HTTPS-Daten
Sicherungsschicht:
Ethernet-Header + IP-Header + TCP-Header + HTTPS-Daten + Ethernet-Trailer
Bitübertragungsschicht:
Bits werden als Signale übertragen
Fachbegriffe:
| Schicht | Ergebnis |
|---|---|
| Anwendungsschicht | Daten |
| Transportschicht | TCP-Segment |
| Vermittlungsschicht | IP-Paket |
| Sicherungsschicht | Ethernet-Frame |
| Bitübertragungsschicht | Bits |
Der Datenweg beim Empfänger
Beim Empfänger passiert der Vorgang umgekehrt.
Die Daten werden Schicht für Schicht entpackt.
Vereinfacht:
Schicht 1:
Signale werden als Bits empfangen.
Schicht 2:
Ethernet-Frame wird geprüft.
Ethernet-Header und Trailer werden ausgewertet.
Schicht 3:
IP-Paket wird ausgewertet.
Ziel-IP-Adresse wird geprüft.
Schicht 4:
TCP-Segment wird ausgewertet.
Port und Sequenzinformationen werden geprüft.
Schicht 7:
Die Anwendung erhält die Nutzdaten.
Das nennt man:
Entkapselung
Merksatz:
Sender kapselt ein.
Empfänger kapselt aus.
Beispiel mit TCP/IP-Modell
Im TCP/IP-Modell sieht der gleiche Ablauf kompakter aus.
Beispiel HTTPS:
| TCP/IP-Schicht | Beispiel |
|---|---|
| Anwendungsschicht | HTTPS |
| Transportschicht | TCP |
| Internetschicht | IP |
| Netzzugangsschicht | Ethernet oder WLAN |
Vereinfacht:
HTTPS → TCP → IP → Ethernet/WLAN
Oder allgemein:
Anwendung → Transport → Internet → Netzzugang
Beispiel mit DNS
Eine DNS-Anfrage hat einen ähnlichen Weg, nutzt aber häufig UDP statt TCP.
Vereinfacht:
DNS → UDP → IP → Ethernet/WLAN
Schichtbezug:
| Bestandteil | Schicht |
|---|---|
| DNS | OSI-Schicht 7 |
| UDP | OSI-Schicht 4 |
| IP | OSI-Schicht 3 |
| Ethernet/WLAN | OSI-Schicht 1/2 |
Wichtig:
DNS ist ein Anwendungsprotokoll.
UDP ist das Transportprotokoll.
IP sorgt für Adressierung und Routing.
Ethernet oder WLAN sorgt für lokale Übertragung.
Beispiel mit Ping
Ping nutzt klassisch ICMP.
ICMP steht für:
Internet Control Message Protocol
Ping verwendet normalerweise:
ICMP Echo Request
ICMP Echo Reply
Schichtbezug:
| Bestandteil | Schicht |
|---|---|
| ICMP | OSI-Schicht 3 |
| IP | OSI-Schicht 3 |
| Ethernet/WLAN | OSI-Schicht 1/2 |
Wichtig:
ICMP nutzt keine Ports.
ICMP gehört nicht zu TCP oder UDP.
ICMP verwendet Typen und Codes.
Merksatz:
Ping prüft Erreichbarkeit.
ICMP meldet, prüft und diagnostiziert.
Was passiert beim Weg über einen Router?
Wenn ein Paket über einen Router weitergeleitet wird, ändert sich der Ethernet-Frame.
Wichtig:
Das IP-Paket bleibt grundsätzlich erhalten.
Der Ethernet-Frame wird pro Netzwerkabschnitt neu erstellt.
Beispiel:
PC → Router:
Ethernet-Frame mit Ziel-MAC des Routers
Router → nächster Router:
neuer Ethernet-Frame mit neuer Ziel-MAC
letzter Router → Server:
Ethernet-Frame mit Ziel-MAC des Servers
Das bedeutet:
MAC-Adressen ändern sich pro Netzwerkabschnitt.
IP-Adressen bleiben für die Ende-zu-Ende-Kommunikation wichtig.
Merksatz:
MAC-Adresse = nächster lokaler Schritt
IP-Adresse = logisches Ziel über Netzwerke hinweg
Was bleibt gleich und was ändert sich?
| Information | Bleibt auf dem Weg grundsätzlich gleich? | Erklärung |
|---|---|---|
| Ziel-IP-Adresse | ja | Zielhost bleibt derselbe |
| Quell-IP-Adresse | meistens ja | außer bei NAT/PAT |
| Ziel-Port | ja | Dienst bleibt derselbe |
| Quell-Port | ja | Client-Verbindung bleibt zuordenbar |
| Ziel-MAC-Adresse | nein | ändert sich je Netzwerkabschnitt |
| Quell-MAC-Adresse | nein | ändert sich je Netzwerkabschnitt |
Wichtig:
NAT/PAT kann IP-Adressen und Ports verändern.
Ohne NAT bleiben Quell- und Ziel-IP grundsätzlich erhalten.
NAT/PAT als Sonderfall
Bei NAT/PAT kann sich die Quell-IP-Adresse verändern.
NAT steht für:
Network Address Translation
PAT steht für:
Port Address Translation
Typischer Fall:
Ein interner Client nutzt eine private IP-Adresse.
Der Router ersetzt diese private Quell-IP durch seine öffentliche IP-Adresse.
Beispiel:
intern:
192.168.1.20:51544
extern:
84.10.20.30:40001
Dadurch können mehrere interne Geräte über eine gemeinsame öffentliche IP-Adresse ins Internet.
Merksatz:
NAT/PAT verändert Adressen oder Ports an der Router-/Firewall-Grenze.
Datenweg und Firewall
Eine Firewall kann den Datenweg kontrollieren.
Sie kann zum Beispiel prüfen:
- Quell-IP-Adresse
- Ziel-IP-Adresse
- Quell-Port
- Ziel-Port
- Protokoll
- Verbindungszustand
- teilweise auch Anwendungsdaten
Beispiel:
Port 443 erlaubt
Port 22 blockiert
Wichtig:
Eine Firewall kann je nach Art auf mehreren OSI-Schichten arbeiten.
Merksatz:
Firewall = kontrolliert erlaubte und verbotene Kommunikation
Warum ist der Datenweg für die Fehlersuche wichtig?
Wenn man den Datenweg versteht, kann man Netzwerkfehler systematisch eingrenzen.
Man prüft am besten von unten nach oben.
Beispiel:
1. Gibt es eine physische Verbindung?
2. Funktioniert die lokale Verbindung?
3. Stimmt die IP-Konfiguration?
4. Ist das Gateway erreichbar?
5. Funktioniert DNS?
6. Ist der Zielhost erreichbar?
7. Ist der Zielport erreichbar?
8. Antwortet die Anwendung?
Das nennt man häufig:
schichtweise Fehlersuche
Beispielhafte Fehlersuche nach Schichten
| Fehlerbild | mögliche Schicht | Beispiel |
|---|---|---|
| kein Link-Licht | Schicht 1 | Kabel, Port, Netzwerkkarte |
| falsches VLAN | Schicht 2 | Client im falschen Netz |
| falsche IP-Adresse | Schicht 3 | kein Routing möglich |
| falsches Gateway | Schicht 3 | Internet nicht erreichbar |
| DNS funktioniert nicht | Schicht 7 mit Schicht-3-Bezug | Name wird nicht aufgelöst |
| Port blockiert | Schicht 4 / Firewall | Dienst nicht erreichbar |
| Webserver antwortet nicht | Schicht 7 | Anwendung oder Dienstproblem |
Wichtig:
Ein Fehler auf einer unteren Schicht kann alle höheren Schichten beeinflussen.
Beispiel:
Wenn das Kabel defekt ist,
funktionieren IP, TCP, DNS und HTTP ebenfalls nicht.
Typischer Ablauf: Webseite funktioniert nicht
Wenn eine Webseite nicht funktioniert, kann man prüfen:
1. Link vorhanden?
2. IP-Adresse vorhanden?
3. Standard-Gateway vorhanden?
4. DNS-Auflösung möglich?
5. Ziel-IP erreichbar?
6. Zielport erreichbar?
7. Webserver antwortet?
Beispiele für Werkzeuge:
| Prüfung | Werkzeug |
|---|---|
| IP-Konfiguration | ipconfig, ip addr |
| Erreichbarkeit | ping |
| Weg zum Ziel | tracert, traceroute |
| DNS-Auflösung | nslookup, dig |
| Port erreichbar | Test-NetConnection, nc |
| Paketanalyse | Wireshark, tcpdump |
Begriff: Standard-Gateway
Das Standard-Gateway ist der Router, an den ein Host Pakete sendet, wenn das Ziel nicht im eigenen lokalen Netzwerk liegt.
Beispiel:
Client: 192.168.1.20
Gateway: 192.168.1.1
Wenn der Client eine externe IP-Adresse erreichen möchte, sendet er das Paket an das Standard-Gateway.
Merksatz:
Standard-Gateway = Ausgang aus dem eigenen Netzwerk
Begriff: Ende-zu-Ende-Kommunikation
Ende-zu-Ende-Kommunikation beschreibt die logische Kommunikation zwischen Sender und Empfänger.
Beispiel:
Client-Anwendung ↔ Server-Anwendung
Bei TCP bedeutet das:
Die TCP-Verbindung besteht logisch zwischen Client und Server.
Dazwischen können aber mehrere Router liegen.
Merksatz:
Ende-zu-Ende = vom ursprünglichen Sender bis zum endgültigen Empfänger
Begriff: Hop
Ein Hop ist ein Zwischenschritt auf dem Weg durch ein Netzwerk.
Meist ist damit ein Router gemeint.
Beispiel:
Client → Router 1 → Router 2 → Zielserver
Hier gibt es mehrere Hops.
Traceroute zeigt solche Zwischenschritte an.
Merksatz:
Hop = ein Netzwerksprung über ein Zwischengerät
Typische Prüfungsfragen
In AP1 oder AP2 kann zum Beispiel gefragt werden:
- Beschreiben Sie den Weg eines Datenpakets durch die Schichten.
- Welche Schicht fügt welche Informationen hinzu?
- Was passiert beim Empfänger?
- Was ist Kapselung?
- Was ist Entkapselung?
- Welche Dateneinheit gehört zu welcher Schicht?
- Warum ändert sich die MAC-Adresse auf dem Weg?
- Warum bleibt die IP-Adresse grundsätzlich erhalten?
- Welche Rolle spielt das Standard-Gateway?
- Auf welcher Schicht liegt ein bestimmter Fehler?
Typische Prüfungsfallen
Ein Switch leitet normalerweise anhand von MAC-Adressen weiter.
Das ist Schicht 2.
Ein Router leitet anhand von IP-Adressen weiter.
Das ist Schicht 3.
TCP und UDP nutzen Ports.
Das ist Schicht 4.
ICMP nutzt keine Ports.
ICMP gehört in den IP-/Netzwerkbereich.
DNS ist ein Anwendungsprotokoll,
auch wenn es für IP-Adressen wichtig ist.
Die MAC-Adresse gilt nur im lokalen Netzwerkabschnitt.
Die IP-Adresse beschreibt das logische Ziel.
Ein Port beschreibt den Dienst auf einem Host.
NAT/PAT kann IP-Adressen und Ports verändern.
Wichtige Begriffe kurz erklärt
| Begriff | Kurze Erklärung |
|---|---|
| Datenweg | Weg der Daten durch Schichten und Netzwerkgeräte |
| Kapselung | Daten werden beim Senden Schicht für Schicht verpackt |
| Entkapselung | Daten werden beim Empfangen Schicht für Schicht ausgepackt |
| Nutzdaten | eigentlicher Inhalt der Anwendung |
| Header | Steuerinformationen vor den Nutzdaten |
| Frame | Dateneinheit auf Schicht 2 |
| Paket | Dateneinheit auf Schicht 3 |
| Segment | TCP-Dateneinheit auf Schicht 4 |
| Datagramm | UDP-Dateneinheit auf Schicht 4 |
| MAC-Adresse | lokale Hardwareadresse im LAN |
| IP-Adresse | logische Adresse für Netzwerkkommunikation |
| Port | Dienstadresse auf einem Host |
| Router | Gerät zur Verbindung verschiedener Netzwerke |
| Switch | Gerät zur Weiterleitung im lokalen Netzwerk anhand von MAC-Adressen |
| Standard-Gateway | Router für Ziele außerhalb des eigenen Netzes |
| Hop | Zwischenschritt über ein Netzwerkgerät |
| Routing | Weiterleitung von Paketen zwischen Netzwerken |
| ARP | Auflösung von IPv4-Adresse zu MAC-Adresse |
| DNS | Namensauflösung von Namen zu IP-Adressen |
IHK-sichere Kurzformulierung
Beim Senden von Daten werden die Nutzdaten durch die Schichten eines Netzwerkmodells verarbeitet und jeweils um Steuerinformationen ergänzt. Dieser Vorgang heißt Kapselung. Auf der Transportschicht entstehen zum Beispiel TCP-Segmente oder UDP-Datagramme, auf der Vermittlungsschicht IP-Pakete und auf der Sicherungsschicht Ethernet-Frames. Auf der Bitübertragungsschicht werden die Daten als Bits über ein Medium übertragen. Beim Empfänger werden die Informationen in umgekehrter Reihenfolge ausgewertet und entfernt. Dieser Vorgang heißt Entkapselung.
Merksätze
Sender kapselt ein.
Empfänger kapselt aus.
Anwendung erzeugt Daten.
TCP oder UDP transportiert zwischen Anwendungen.
IP adressiert und routet zwischen Netzwerken.
Ethernet oder WLAN überträgt im lokalen Netzwerk.
Schicht 1 überträgt Bits als Signale.
Port = welcher Dienst?
IP-Adresse = welcher Host oder welches Netz?
MAC-Adresse = welches Gerät im lokalen Netzwerkabschnitt?
Switch = Schicht 2
Router = Schicht 3
TCP und UDP = Schicht 4
ICMP = Schicht 3
DNS = Anwendungsschicht mit starkem IP-Bezug
MAC-Adressen können sich auf dem Weg ändern.
IP-Adressen bleiben grundsätzlich für die Ende-zu-Ende-Kommunikation erhalten.
NAT/PAT ist ein Sonderfall,
weil dabei IP-Adressen oder Ports verändert werden können.
Bei der Fehlersuche zuerst die unteren Schichten prüfen.