2.7 Schichtenmodelle: Merksätze und Prüfungswissen Diese Seite fasst die wichtigsten Punkte zu OSI-Modell, TCP/IP-Modell, Kapselung und Datenweg zusammen. Sie dient als Wiederholungsseite für AP1 und AP2. Ziel ist nicht, jeden Sonderfall auswendig zu lernen, sondern die Grundstruktur sicher zu beherrschen. Wichtig für die Prüfung: Schichtenmodelle helfen, Netzwerkkommunikation fachlich einzuordnen, Protokolle und Geräte zuzuordnen und Fehler systematisch zu suchen. Grundidee von Schichtenmodellen Ein Schichtenmodell teilt Netzwerkkommunikation in mehrere Ebenen ein. Jede Schicht hat eine bestimmte Aufgabe. Fachlich wichtig: Eine Schicht nutzt die Dienste der darunterliegenden Schicht und stellt der darüberliegenden Schicht eigene Dienste bereit. Vereinfacht gesagt: Jede Schicht kümmert sich um einen bestimmten Teil der Kommunikation. Beispiele: Aufgabe typische Schicht Bits übertragen Schicht 1 Frames im LAN übertragen Schicht 2 IP-Pakete routen Schicht 3 Daten zwischen Anwendungen transportieren Schicht 4 Netzwerkdienste für Anwendungen bereitstellen Schicht 7 Merksatz: Schichtenmodelle machen Netzwerktechnik übersichtlicher. OSI-Modell: die 7 Schichten Das OSI-Modell ist ein Referenzmodell mit 7 Schichten. Schicht Deutscher Name Englischer Name Kurzaufgabe 7 Anwendungsschicht Application Layer Netzwerkdienste für Anwendungen 6 Darstellungsschicht Presentation Layer Darstellung, Codierung, Kompression, Verschlüsselung 5 Sitzungsschicht Session Layer Sitzungen aufbauen, verwalten und beenden 4 Transportschicht Transport Layer Transport zwischen Anwendungen 3 Vermittlungsschicht / Netzwerkschicht Network Layer logische Adressierung und Routing 2 Sicherungsschicht Data Link Layer lokale Übertragung mit Frames und MAC-Adressen 1 Bitübertragungsschicht Physical Layer Übertragung von Bits als Signale IHK-sichere Kurzformulierung: Das OSI-Modell ist ein Referenzmodell, das Netzwerkkommunikation in sieben Schichten einteilt. Merksatz für das OSI-Modell Von oben nach unten: Alle Deutschen Schüler Trinken Verschiedene Sorten Brause Das bedeutet: Wort OSI-Schicht Alle Anwendungsschicht Deutschen Darstellungsschicht Schüler Sitzungsschicht Trinken Transportschicht Verschiedene Vermittlungsschicht Sorten Sicherungsschicht Brause Bitübertragungsschicht Fachlich ausgeschrieben: Anwendung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung Bitübertragung OSI-Schichten von unten nach oben Von unten nach oben merkt man sich besonders gut die technische Verarbeitung: Schicht Name typische Begriffe 1 Bitübertragungsschicht Bits, Signale, Kabel, Glasfaser, Funk 2 Sicherungsschicht MAC-Adresse, Frame, Switch, VLAN 3 Vermittlungsschicht IP-Adresse, Routing, Router, ICMP 4 Transportschicht TCP, UDP, Ports, Segment, Datagramm 5 Sitzungsschicht Sitzung, Dialogsteuerung 6 Darstellungsschicht Codierung, Kompression, Verschlüsselung 7 Anwendungsschicht HTTP, DNS, DHCP, SMTP, IMAP Merksatz: Unten wird übertragen. In der Mitte wird adressiert und transportiert. Oben arbeiten die Netzwerkdienste. TCP/IP-Modell: die wichtigsten Schichten Das TCP/IP-Modell ist praxisnah und wird häufig mit 4 Schichten dargestellt. TCP/IP-Schicht Aufgabe Beispiele Anwendungsschicht Netzwerkdienste für Anwendungen HTTP, DNS, DHCP, SMTP, IMAP Transportschicht Transport zwischen Anwendungen TCP, UDP, Ports Internetschicht IP-Adressierung und Routing IP, ICMP Netzzugangsschicht Zugriff auf das lokale Netzwerk Ethernet, WLAN, MAC Wichtig: TCP/IP ist nicht nur TCP und IP. TCP/IP bezeichnet eine Protokollfamilie. Merksatz: TCP/IP ist das praxisnahe Modell für IP-Netzwerke und das Internet. OSI-Modell und TCP/IP-Modell vergleichen OSI-Modell TCP/IP-Modell Beispiele Schicht 7, 6, 5 Anwendungsschicht HTTP, DNS, DHCP, SMTP Schicht 4 Transportschicht TCP, UDP, Ports Schicht 3 Internetschicht IP, ICMP, Routing Schicht 2, 1 Netzzugangsschicht Ethernet, WLAN, MAC IHK-sichere Kurzformulierung: Das OSI-Modell ist ein theoretisches Referenzmodell mit sieben Schichten. Das TCP/IP-Modell ist praxisnäher und wird häufig mit vier Schichten dargestellt. Dabei fasst TCP/IP mehrere OSI-Schichten zusammen. Die wichtigsten Begriffe pro Schicht Begriff Schicht Erklärung Bit 1 kleinste Informationseinheit, 0 oder 1 Signal 1 physische Darstellung von Bits Frame 2 Dateneinheit im lokalen Netzwerk MAC-Adresse 2 Hardwareadresse im lokalen Netzwerk Paket 3 Dateneinheit auf IP-Ebene IP-Adresse 3 logische Adresse eines Hosts oder Netzes Segment 4 TCP-Dateneinheit Datagramm 4 UDP-Dateneinheit Port 4 Dienstadresse auf einem Host Protokoll allgemein Regelwerk für Kommunikation Merksatz: Bit → Frame → Paket → Segment/Datagramm → Daten Dateneinheiten der Schichten In Prüfungen wird häufig gefragt, welche Dateneinheit zu welcher Schicht gehört. OSI-Schicht typische Dateneinheit 7 Daten 6 Daten 5 Daten 4 Segment oder Datagramm 3 Paket 2 Frame 1 Bits Wichtig: TCP arbeitet mit Segmenten. UDP arbeitet mit Datagrammen. IP arbeitet mit Paketen. Ethernet arbeitet mit Frames. Schicht 1 überträgt Bits. Adressen und ihre Aufgaben In der Netzwerktechnik werden MAC-Adresse, IP-Adresse und Portnummer häufig verwechselt. Begriff Schicht Aufgabe MAC-Adresse Schicht 2 lokale Zustellung im LAN IP-Adresse Schicht 3 logische Adressierung über Netzwerke hinweg Portnummer Schicht 4 Zuordnung zu Dienst oder Anwendung Merksätze: MAC-Adresse = welches Gerät im lokalen Netzwerkabschnitt? IP-Adresse = welcher Host oder welches Netz? Portnummer = welcher Dienst auf dem Host? Geräte den Schichten zuordnen Gerät typische Schicht Begründung Hub Schicht 1 verteilt Signale ohne Auswertung Switch Schicht 2 leitet anhand von MAC-Adressen weiter Router Schicht 3 leitet anhand von IP-Adressen zwischen Netzen weiter Layer-3-Switch Schicht 3 verbindet Switching mit Routing Firewall mehrere Schichten prüft je nach Art IP, Ports, Zustände oder Anwendungen Access Point Schicht 1/2 Funkübertragung und WLAN-Zugriff Prüfungshinweis: Bei Geräten ist meistens die Hauptfunktion entscheidend. Beispiel: Ein Switch arbeitet typischerweise auf Schicht 2, auch wenn moderne Switches Zusatzfunktionen besitzen können. Protokolle den Schichten zuordnen Protokoll / Technik typische OSI-Schicht typische TCP/IP-Schicht Ethernet Schicht 2 Netzzugangsschicht WLAN Schicht 1/2 Netzzugangsschicht ARP Schicht 2 / Schicht-3-Bezug Netzzugangsschicht IP Schicht 3 Internetschicht ICMP Schicht 3 Internetschicht TCP Schicht 4 Transportschicht UDP Schicht 4 Transportschicht HTTP Schicht 7 Anwendungsschicht HTTPS Schicht 7 Anwendungsschicht DNS Schicht 7 Anwendungsschicht DHCP Schicht 7 Anwendungsschicht SMTP Schicht 7 Anwendungsschicht POP3 Schicht 7 Anwendungsschicht IMAP Schicht 7 Anwendungsschicht SSH Schicht 7 Anwendungsschicht Wichtig: Manche Protokolle haben Bezüge zu mehreren Schichten. Für die IHK ist meistens die typische Hauptzuordnung entscheidend. Kapselung kurz erklärt Kapselung bedeutet, dass Daten beim Senden von Schicht zu Schicht mit zusätzlichen Protokollinformationen ergänzt werden. Vereinfacht: Jede Schicht verpackt die Daten für ihre Aufgabe weiter. Beispiel: Anwendungsdaten TCP-Header + Anwendungsdaten IP-Header + TCP-Header + Anwendungsdaten Ethernet-Header + IP-Header + TCP-Header + Anwendungsdaten + Ethernet-Trailer Bits auf dem Medium Fachlich wichtig: Beim Sender findet Kapselung statt. Beim Empfänger findet Entkapselung statt. Merksatz: Sender kapselt ein. Empfänger kapselt aus. Entkapselung kurz erklärt Entkapselung bedeutet, dass die hinzugefügten Protokollinformationen beim Empfänger schrittweise ausgewertet und entfernt werden. Vereinfacht: Der Empfänger packt die Daten Schicht für Schicht wieder aus. Ablauf: Bits werden empfangen. Ethernet-Frame wird ausgewertet. IP-Paket wird ausgewertet. TCP-Segment oder UDP-Datagramm wird ausgewertet. Anwendung erhält die Nutzdaten. Merksatz: Entkapselung ist der umgekehrte Vorgang der Kapselung. Typischer Datenweg bei HTTPS Ein typischer Webseitenaufruf mit HTTPS kann vereinfacht so dargestellt werden: HTTPS → TCP → IP → Ethernet/WLAN → Bits Schichtbezug: Bestandteil OSI-Schicht HTTPS Schicht 7 TCP Schicht 4 IP Schicht 3 Ethernet/WLAN Schicht 1/2 Bits Schicht 1 Wichtig: HTTPS nutzt typischerweise TCP. TCP nutzt IP. IP nutzt Ethernet oder WLAN. Typischer Datenweg bei DNS Eine typische DNS-Anfrage kann vereinfacht so dargestellt werden: DNS → UDP → IP → Ethernet/WLAN → Bits Schichtbezug: Bestandteil OSI-Schicht DNS Schicht 7 UDP Schicht 4 IP Schicht 3 Ethernet/WLAN Schicht 1/2 Bits Schicht 1 Wichtig: DNS ist ein Anwendungsprotokoll. DNS nutzt häufig UDP. DNS kann aber auch TCP verwenden. Typischer Datenweg bei Ping Ping nutzt klassisch ICMP. ICMP steht für: Internet Control Message Protocol Schichtbezug: Bestandteil OSI-Schicht ICMP Schicht 3 IP Schicht 3 Ethernet/WLAN Schicht 1/2 Wichtig: ICMP nutzt keine Ports. ICMP gehört nicht zu TCP oder UDP. Merksatz: ICMP = Kontroll- und Fehlermeldungen im IP-Netz TCP kurz erklärt TCP steht für: Transmission Control Protocol TCP ist ein verbindungsorientiertes und zuverlässiges Transportprotokoll. TCP sorgt unter anderem für: - Verbindungsaufbau - Bestätigungen - Reihenfolgekontrolle - erneute Übertragung verlorener Daten - Verbindungsabbau Merksatz: TCP = zuverlässig und verbindungsorientiert UDP kurz erklärt UDP steht für: User Datagram Protocol UDP ist ein verbindungsloses Transportprotokoll. UDP sendet Daten ohne vorherigen Verbindungsaufbau. UDP bietet keine eingebaute Garantie für: - Zustellung - Reihenfolge - erneute Übertragung verlorener Daten Merksatz: UDP = verbindungslos und mit wenig Verwaltungsaufwand IP kurz erklärt IP steht für: Internet Protocol IP ist für logische Adressierung und Routing zuständig. IP sorgt dafür, dass Pakete anhand von IP-Adressen zum Ziel gelangen können. Wichtig: IP garantiert keine zuverlässige Zustellung wie TCP. IP kümmert sich vor allem um Adressierung und Weiterleitung. Merksatz: IP = Adressierung und Routing ICMP kurz erklärt ICMP steht für: Internet Control Message Protocol ICMP wird für Kontroll- und Fehlermeldungen im IP-Netz verwendet. Typische Beispiele: - Echo Request - Echo Reply - Destination Unreachable - Time Exceeded Wichtig: ICMP ist kein Transportprotokoll wie TCP oder UDP. ICMP verwendet keine Ports. Merksatz: ICMP = Diagnose, Kontrolle und Fehlermeldungen im IP-Netz DNS kurz erklärt DNS steht für: Domain Name System DNS löst Namen in IP-Adressen auf. Beispiel: www.example.org → IP-Adresse Wichtig: DNS ist ein Anwendungsprotokoll. DNS hat aber einen starken Bezug zur IP-Kommunikation, weil am Ende eine IP-Adresse benötigt wird. Merksatz: DNS = Namensauflösung DHCP kurz erklärt DHCP steht für: Dynamic Host Configuration Protocol DHCP weist einem Client automatisch Netzwerkkonfiguration zu. Typische Informationen: - IP-Adresse - Subnetzmaske - Standard-Gateway - DNS-Server Wichtig: DHCP ist ein Anwendungsprotokoll, auch wenn es IP-Konfiguration bereitstellt. Merksatz: DHCP = automatische IP-Konfiguration ARP kurz erklärt ARP steht für: Address Resolution Protocol ARP wird bei IPv4 verwendet, um zu einer IP-Adresse die passende MAC-Adresse im lokalen Netzwerk zu ermitteln. Vereinfacht fragt ARP: Wer hat diese IP-Adresse? Ich brauche die passende MAC-Adresse. Wichtig: ARP funktioniert im lokalen Netzwerk. ARP verbindet IP-Adresse und MAC-Adresse im LAN. Merksatz: ARP = IPv4-Adresse zu MAC-Adresse im lokalen Netzwerk Wichtige Unterschiede Vergleich Unterschied MAC-Adresse vs. IP-Adresse MAC lokal im LAN, IP logisch über Netzwerke IP-Adresse vs. Port IP = Host oder Netz, Port = Dienst TCP vs. UDP TCP zuverlässig, UDP verbindungslos Frame vs. Paket Frame Schicht 2, Paket Schicht 3 Paket vs. Segment Paket IP-Ebene, Segment TCP-Ebene Switch vs. Router Switch MAC-basiert, Router IP-basiert OSI vs. TCP/IP OSI 7 Schichten, TCP/IP häufig 4 Schichten Fehlersuche nach Schichten Das OSI-Modell hilft bei der systematischen Fehlersuche. Man prüft häufig von unten nach oben. Prüfung mögliche Schicht Kabel angeschlossen? Schicht 1 Link-Licht vorhanden? Schicht 1 MAC-Adresse sichtbar? Schicht 2 VLAN korrekt? Schicht 2 IP-Adresse korrekt? Schicht 3 Subnetzmaske korrekt? Schicht 3 Standard-Gateway korrekt? Schicht 3 Ziel-IP erreichbar? Schicht 3 Zielport erreichbar? Schicht 4 DNS-Auflösung möglich? Schicht 7 Anwendung antwortet? Schicht 7 Merksatz: Ein Fehler auf einer unteren Schicht kann alle oberen Schichten beeinflussen. Typische Werkzeuge zur Fehlersuche Werkzeug Zweck ipconfig IP-Konfiguration unter Windows anzeigen ip addr IP-Konfiguration unter Linux anzeigen ping Erreichbarkeit testen tracert Weg zum Ziel unter Windows anzeigen traceroute Weg zum Ziel unter Linux anzeigen nslookup DNS-Auflösung prüfen dig DNS-Auflösung detailliert prüfen netstat Netzwerkverbindungen anzeigen ss Netzwerkverbindungen unter Linux anzeigen Test-NetConnection Verbindung und Port unter Windows prüfen nc Verbindung und Port testen Wireshark Pakete grafisch analysieren tcpdump Pakete auf der Konsole analysieren Wichtig: Das Werkzeug muss zur vermuteten Schicht passen. Typische IHK-Fragen In AP1 oder AP2 können Aufgaben zum Beispiel so aussehen: - Nennen Sie die 7 Schichten des OSI-Modells. - Ordnen Sie Protokolle den OSI-Schichten zu. - Ordnen Sie Geräte den OSI-Schichten zu. - Erklären Sie den Unterschied zwischen OSI-Modell und TCP/IP-Modell. - Beschreiben Sie den Vorgang der Kapselung. - Unterscheiden Sie Frame, Paket und Segment. - Erklären Sie den Unterschied zwischen MAC-Adresse, IP-Adresse und Port. - Erklären Sie die Aufgabe von TCP. - Erklären Sie die Aufgabe von UDP. - Erklären Sie die Aufgabe von IP. - Beschreiben Sie den Weg eines Datenpakets durch die Schichten. - Grenzen Sie einen Fehler anhand der Schichten ein. Typische Prüfungsfallen TCP/IP ist nicht nur TCP und IP. TCP/IP bezeichnet eine Protokollfamilie. DNS ist ein Anwendungsprotokoll, auch wenn es IP-Adressen liefert. DHCP ist ein Anwendungsprotokoll, auch wenn es IP-Konfiguration vergibt. ICMP gehört nicht zu TCP oder UDP. ICMP nutzt keine Ports. Ein Switch arbeitet typischerweise auf Schicht 2. Ein Router arbeitet typischerweise auf Schicht 3. Eine Firewall kann je nach Art mehrere Schichten betreffen. Eine MAC-Adresse ist keine IP-Adresse. Eine Portnummer ist keine IP-Adresse. Ein Frame ist nicht dasselbe wie ein Paket. Ein Paket ist nicht dasselbe wie ein Segment. Schicht 7 ist nicht einfach der Benutzer, sondern die Anwendungsschicht mit Netzwerkdiensten. Prüfungstabelle: sehr wichtige Zuordnungen Thema richtige Zuordnung Kabel, Glasfaser, Funk Schicht 1 Bit Schicht 1 MAC-Adresse Schicht 2 Ethernet-Frame Schicht 2 Switch Schicht 2 VLAN Schicht 2 IP-Adresse Schicht 3 Router Schicht 3 Routing Schicht 3 ICMP Schicht 3 Port Schicht 4 TCP Schicht 4 UDP Schicht 4 HTTP Schicht 7 DNS Schicht 7 DHCP Schicht 7 SMTP Schicht 7 IMAP Schicht 7 SSH Schicht 7 Prüfungstabelle: Kurzdefinitionen Begriff IHK-taugliche Kurzdefinition OSI-Modell Referenzmodell zur Einordnung von Netzwerkkommunikation in sieben Schichten TCP/IP-Modell praxisnahes Schichtenmodell für IP-basierte Netzwerke Protokoll Regelwerk für die Kommunikation zwischen Systemen Kapselung Ergänzen von Daten um Protokollinformationen beim Durchlaufen der Schichten Entkapselung Auswerten und Entfernen von Protokollinformationen beim Empfänger Frame Dateneinheit der Sicherungsschicht Paket Dateneinheit der Vermittlungsschicht Segment Dateneinheit bei TCP auf der Transportschicht Datagramm Dateneinheit bei UDP MAC-Adresse Adresse zur lokalen Zustellung im LAN IP-Adresse logische Adresse zur Kommunikation über Netzwerke Port Nummer zur Zuordnung eines Dienstes oder einer Anwendung Routing Weiterleitung von Paketen zwischen Netzwerken Mini-Wiederholung Frage Antwort Welche Schicht überträgt Bits? Schicht 1 Welche Schicht nutzt MAC-Adressen? Schicht 2 Welche Schicht nutzt IP-Adressen? Schicht 3 Welche Schicht nutzt Ports? Schicht 4 Welche Schicht enthält HTTP? Schicht 7 Welche Schicht enthält TCP? Schicht 4 Welche Schicht enthält UDP? Schicht 4 Welche Schicht enthält ICMP? Schicht 3 Welche Schicht enthält Ethernet? Schicht 2 Welche Schicht enthält DNS? Schicht 7 Welche Schicht enthält DHCP? Schicht 7 Welche Schicht ist ein Switch? Schicht 2 Welche Schicht ist ein Router? Schicht 3 IHK-sichere Gesamtformulierung Das OSI-Modell ist ein Referenzmodell, das Netzwerkkommunikation in sieben Schichten einteilt. Jede Schicht übernimmt bestimmte Aufgaben und stellt der darüberliegenden Schicht Dienste bereit. Die unteren Schichten kümmern sich vor allem um Übertragung, lokale Zustellung und Adressierung. Die mittleren Schichten kümmern sich um Routing und Transport. Die oberen Schichten stellen Netzwerkdienste für Anwendungen bereit. Das TCP/IP-Modell ist ein praxisnahes Modell für IP-basierte Netzwerke und das Internet. Es wird häufig mit vier Schichten dargestellt: Anwendungsschicht, Transportschicht, Internetschicht und Netzzugangsschicht. Dabei fasst das TCP/IP-Modell mehrere OSI-Schichten zusammen. Beim Senden werden Daten durch die Schichten von oben nach unten verarbeitet und mit Protokollinformationen ergänzt. Dieser Vorgang heißt Kapselung. Beim Empfänger werden diese Informationen in umgekehrter Reihenfolge ausgewertet und entfernt. Dieser Vorgang heißt Entkapselung. Wichtigste Merksätze OSI = 7 Schichten. TCP/IP = häufig 4 Schichten. OSI ist ein Referenzmodell. TCP/IP ist praxisnah und internetbezogen. Schicht 1 = Bits und Signale. Schicht 2 = MAC-Adresse und Frame. Schicht 3 = IP-Adresse und Routing. Schicht 4 = TCP, UDP und Ports. Schicht 5 = Sitzung. Schicht 6 = Darstellung, Codierung, Kompression, Verschlüsselung. Schicht 7 = Netzwerkdienste für Anwendungen. Switch = Schicht 2. Router = Schicht 3. TCP und UDP = Schicht 4. IP und ICMP = Schicht 3. HTTP, DNS, DHCP, SMTP, IMAP = Schicht 7. MAC-Adresse = lokaler Netzwerkabschnitt. IP-Adresse = logische Netzwerkadresse. Port = Dienst oder Anwendung. Frame = Schicht 2. Paket = Schicht 3. Segment oder Datagramm = Schicht 4. Sender kapselt ein. Empfänger kapselt aus. Bei der Fehlersuche zuerst die unteren Schichten prüfen.