# 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.