# 6.1 OSI-Schicht 3 – Vermittlungsschicht / Netzwerkschicht Die Vermittlungsschicht ist Schicht 3 des OSI-Modells. Sie wird auch genannt: Netzwerkschicht Die wichtigste Aufgabe von Schicht 3 ist: Daten zwischen verschiedenen Netzwerken weiterleiten. Dabei geht es vor allem um: - IP-Adressen - IP-Pakete - Subnetze - Routing - Router - Standard-Gateway - Netzmaske - IPv4 - IPv6 - ICMP Merksatz: Schicht 3 = IP-Adressen, Pakete und Routing. --- **Grundidee von Schicht 3** Schicht 2 ist für die lokale Übertragung im LAN zuständig. Schicht 3 geht darüber hinaus. Schicht 3 ermöglicht Kommunikation zwischen unterschiedlichen Netzwerken. Beispiel: PC im LAN → Router → Internet → Webserver Dabei wird nicht mehr nur lokal mit MAC-Adressen gearbeitet, sondern mit IP-Adressen. Merksatz: Schicht 2 verbindet lokal. Schicht 3 verbindet Netze. --- **Einordnung im OSI-Modell** | OSI-Schicht | Name | Aufgabe | |---:|---|---| | 7 | Anwendungsschicht | Netzwerkdienste für Anwendungen | | 6 | Darstellungsschicht | Darstellung, Codierung, Verschlüsselung | | 5 | Sitzungsschicht | Sitzungen verwalten | | 4 | Transportschicht | Transport zwischen Anwendungen | | 3 | Vermittlungsschicht / Netzwerkschicht | IP-Adressierung und Routing | | 2 | Sicherungsschicht | Frames, MAC-Adressen, lokale Übertragung | | 1 | Bitübertragungsschicht | Bits als Signale übertragen | Merksatz: Schicht 3 liegt zwischen lokaler Übertragung und Transport. --- **Warum braucht man Schicht 3?** Ein lokales Netzwerk allein reicht nicht aus, wenn Geräte in unterschiedlichen Netzen kommunizieren sollen. Beispiel: PC A: 192.168.10.20 Server B: 192.168.30.50 Diese Geräte liegen in unterschiedlichen IP-Netzen. Damit sie kommunizieren können, braucht man Routing. Routing gehört zu Schicht 3. Merksatz: Unterschiedliche IP-Netze brauchen Schicht-3-Vermittlung. --- **Begriff: IP-Adresse** Eine IP-Adresse ist eine logische Adresse auf Schicht 3. Sie dient dazu, Geräte in IP-Netzen erreichbar zu machen. Beispiele: IPv4: 192.168.10.20 IPv6: 2001:db8::10 IP-Adressen werden für die netzübergreifende Kommunikation verwendet. Merksatz: IP-Adresse = logische Adresse auf Schicht 3. --- **MAC-Adresse und IP-Adresse unterscheiden** | Adresse | Schicht | Aufgabe | |---|---:|---| | MAC-Adresse | 2 | lokale Zustellung im LAN | | IP-Adresse | 3 | logische Adressierung zwischen Netzen | Wichtig: MAC-Adressen gelten nur lokal auf einem Netzwerkabschnitt. IP-Adressen dienen der Zustellung über Netzgrenzen hinweg. Merksatz: MAC = lokal. IP = netzübergreifend. --- **Begriff: IP-Paket** Ein IP-Paket ist die Datenübertragungseinheit auf Schicht 3. Ein IP-Paket enthält unter anderem: - Quell-IP-Adresse - Ziel-IP-Adresse - Nutzdaten - Steuerinformationen Vereinfacht: Ein IP-Paket ist der Datenbehälter für die Zustellung zwischen IP-Netzen. Merksatz: IP-Paket = Datenform auf Schicht 3. --- **Frame, Paket und Segment unterscheiden** | Begriff | Schicht | Bedeutung | |---|---:|---| | Frame | 2 | lokale Übertragung mit MAC-Adressen | | Paket | 3 | IP-Übertragung zwischen Netzen | | Segment | 4 | TCP-Datenübertragung | | Datagramm | 4 | UDP-Datenübertragung | Prüfungsfalle: Ethernet arbeitet mit Frames. IP arbeitet mit Paketen. TCP arbeitet mit Segmenten. Merksatz: Schicht 2 = Frame. Schicht 3 = Paket. Schicht 4 = Segment oder Datagramm. --- **Quell-IP und Ziel-IP** Ein IP-Paket enthält normalerweise: - Quell-IP-Adresse - Ziel-IP-Adresse Die Quell-IP-Adresse gibt an: Von welchem Gerät stammt das Paket? Die Ziel-IP-Adresse gibt an: Zu welchem Gerät soll das Paket? Beispiel: PC sendet an Webserver. Quell-IP: IP-Adresse des PCs Ziel-IP: IP-Adresse des Webservers Merksatz: Quell-IP = woher. Ziel-IP = wohin. --- **IP-Adresse bleibt über Router hinweg erhalten** Wenn ein IP-Paket über mehrere Router läuft, bleibt die Ziel-IP-Adresse grundsätzlich gleich. Beispiel: PC → Router 1 → Router 2 → Server Die Ethernet-Frames ändern sich auf jedem Abschnitt. Die IP-Adressen im IP-Paket bleiben grundsätzlich erhalten. Ausnahme: NAT oder PAT kann IP-Adressen verändern. Merksatz: MAC ändert sich pro Abschnitt. IP bleibt grundsätzlich Ende-zu-Ende erhalten. --- **Router** Ein Router ist ein typisches Gerät auf Schicht 3. Aufgabe: IP-Pakete zwischen unterschiedlichen Netzwerken weiterleiten. Ein Router entscheidet anhand der Ziel-IP-Adresse, wohin ein Paket weitergeleitet werden soll. Dafür nutzt er eine Routing-Tabelle. Merksatz: Router = Schicht-3-Gerät für IP-Weiterleitung. --- **Switch und Router unterscheiden** | Gerät | typische Schicht | Arbeitsweise | |---|---:|---| | Switch | 2 | leitet Frames anhand von MAC-Adressen weiter | | Router | 3 | leitet IP-Pakete anhand von IP-Adressen weiter | Wichtig: Ein Switch verbindet Geräte im lokalen Netz. Ein Router verbindet verschiedene IP-Netze. Merksatz: Switch = MAC. Router = IP. --- **Standard-Gateway** Das Standard-Gateway ist der Router, den ein Gerät verwendet, wenn das Ziel nicht im eigenen IP-Netz liegt. Beispiel: PC: 192.168.10.20/24 Gateway: 192.168.10.1 Wenn der PC ein Ziel außerhalb von 192.168.10.0/24 erreichen möchte, sendet er das Paket an das Standard-Gateway. Merksatz: Standard-Gateway = Ausgang in andere Netze. --- **Wann braucht ein Gerät das Gateway?** Ein Gerät braucht das Gateway, wenn die Ziel-IP-Adresse nicht im eigenen Subnetz liegt. Beispiel: PC: 192.168.10.20/24 Ziel: 192.168.10.30 Das Ziel liegt im gleichen Netz. Kein Gateway nötig. Beispiel: PC: 192.168.10.20/24 Ziel: 8.8.8.8 Das Ziel liegt nicht im gleichen Netz. Gateway nötig. Merksatz: Gleiches Subnetz = direkt. Anderes Subnetz = über Gateway. --- **Subnetz** Ein Subnetz ist ein Teilbereich eines IP-Netzes. Beispiel: 192.168.10.0/24 Dieses Subnetz enthält IP-Adressen von: 192.168.10.1 bis 192.168.10.254 Die Netzadresse ist: 192.168.10.0 Die Broadcast-Adresse ist: 192.168.10.255 Merksatz: Subnetz = logischer IP-Adressbereich. --- **Netzadresse** Die Netzadresse bezeichnet das Netzwerk selbst. Beispiel: 192.168.10.0/24 Die Netzadresse ist: 192.168.10.0 Diese Adresse wird normalerweise nicht einem Endgerät zugewiesen. Merksatz: Netzadresse = Adresse des Netzes. --- **Broadcast-Adresse** Die Broadcast-Adresse ist die Adresse für alle Geräte im Subnetz. Beispiel: 192.168.10.0/24 Broadcast-Adresse: 192.168.10.255 Diese Adresse wird normalerweise nicht einem einzelnen Endgerät zugewiesen. Merksatz: Broadcast-Adresse = alle Geräte im Subnetz. --- **Host-Adresse** Host-Adressen sind die nutzbaren Adressen für Geräte im Subnetz. Beispiel: 192.168.10.0/24 Nutzbare Host-Adressen: 192.168.10.1 bis 192.168.10.254 Diese Adressen können Geräten zugewiesen werden. Beispiele: PC Server Drucker Router-Interface Access Point Merksatz: Host-Adresse = nutzbare Adresse für ein Gerät. --- **Subnetzmaske** Die Subnetzmaske legt fest, welcher Teil einer IP-Adresse zum Netz gehört und welcher Teil zum Host gehört. Beispiel: IP-Adresse: 192.168.10.20 Subnetzmaske: 255.255.255.0 Das entspricht: /24 Merksatz: Subnetzmaske trennt Netzanteil und Hostanteil. --- **CIDR-Schreibweise** CIDR steht für: Classless Inter-Domain Routing Die CIDR-Schreibweise gibt an, wie viele Bits zur Netzadresse gehören. Beispiel: 192.168.10.20/24 Das bedeutet: Die ersten 24 Bit gehören zum Netzanteil. Häufige Beispiele: | CIDR | Subnetzmaske | |---:|---| | /24 | 255.255.255.0 | | /25 | 255.255.255.128 | | /26 | 255.255.255.192 | | /27 | 255.255.255.224 | | /28 | 255.255.255.240 | | /30 | 255.255.255.252 | Merksatz: /24 bedeutet: 24 Bit Netzanteil. --- **Netzanteil und Hostanteil** Eine IP-Adresse besteht aus: Netzanteil und Hostanteil Beispiel: 192.168.10.20/24 Bei /24 ist vereinfacht: Netzanteil: 192.168.10 Hostanteil: 20 Das Netz ist: 192.168.10.0/24 Merksatz: Netzanteil bestimmt das Netzwerk. Hostanteil bestimmt das Gerät im Netzwerk. --- **Routing** Routing bedeutet: IP-Pakete zwischen Netzwerken weiterleiten. Ein Router prüft die Ziel-IP-Adresse und entscheidet anhand seiner Routing-Tabelle, wohin das Paket weitergeleitet wird. Dabei interessiert ihn nicht die Ziel-MAC-Adresse des ursprünglichen Frames. Der Router arbeitet auf Schicht 3. Merksatz: Routing = Wegentscheidung für IP-Pakete. --- **Routing-Tabelle** Eine Routing-Tabelle enthält Informationen darüber, welche Netze über welchen Weg erreichbar sind. Vereinfacht enthält sie: - Zielnetz - Netzmaske oder Präfix - nächster Hop - Ausgangsschnittstelle - Metrik Beispiel: | Zielnetz | Nächster Hop | Schnittstelle | |---|---|---| | 192.168.10.0/24 | direkt verbunden | LAN | | 192.168.20.0/24 | 192.168.10.1 | LAN | | 0.0.0.0/0 | Provider-Router | WAN | Merksatz: Routing-Tabelle = Wegweiser für IP-Pakete. --- **Nächster Hop** Der nächste Hop ist das nächste Gerät, an das ein Router ein Paket weitergibt. Meist ist das ein anderer Router. Beispiel: Zielnetz: 10.20.30.0/24 nächster Hop: 192.168.1.1 Der Router sendet das Paket an den nächsten Hop, damit es dem Ziel näherkommt. Merksatz: Nächster Hop = nächster Router auf dem Weg zum Ziel. --- **Direkt verbundenes Netz** Ein Router kennt Netze, die direkt an seinen Schnittstellen angeschlossen sind. Beispiel: Router-Interface: 192.168.10.1/24 Dann kennt der Router direkt: 192.168.10.0/24 Für direkt verbundene Netze braucht der Router keinen weiteren Router als nächsten Hop. Merksatz: Direkt verbunden = Netz liegt an eigener Schnittstelle. --- **Default Route** Eine Default Route ist eine Standardroute für alle Ziele, für die keine genauere Route vorhanden ist. IPv4-Schreibweise: 0.0.0.0/0 Bedeutung: alle IPv4-Ziele Beispiel: Alles Unbekannte geht zum Provider-Router. Merksatz: Default Route = Route für alles, was nicht genauer bekannt ist. --- **Longest Prefix Match** Ein Router wählt bei mehreren passenden Routen die genaueste Route. Das nennt man: Longest Prefix Match Beispiel: Route A: 192.168.0.0/16 Route B: 192.168.10.0/24 Ziel: 192.168.10.50 Beide Routen passen. Die /24-Route ist genauer und wird gewählt. Merksatz: Genaueste passende Route gewinnt. --- **Statisches Routing** Beim statischen Routing werden Routen manuell eingetragen. Vorteile: - einfach bei kleinen Netzen - gut kontrollierbar - wenig Protokoll-Overhead Nachteile: - hoher Aufwand bei großen Netzen - Änderungen müssen manuell gepflegt werden - Ausfälle werden nicht automatisch umgangen Merksatz: Statische Route = manuell eingetragener Weg. --- **Dynamisches Routing** Beim dynamischen Routing tauschen Router automatisch Routing-Informationen aus. Dafür werden Routing-Protokolle verwendet. Beispiele: - OSPF - RIP - BGP Vorteile: - automatische Anpassung - besser für größere Netze - alternative Wege möglich Nachteile: - komplexer - muss geplant und abgesichert werden Merksatz: Dynamisches Routing = Router lernen Wege automatisch. --- **Routing-Protokolle kurz eingeordnet** | Protokoll | typischer Einsatz | |---|---| | RIP | einfach, älter, kleine Netze | | OSPF | interne Unternehmensnetze | | BGP | Internet und Provider-Routing | Für AP1/AP2 ist besonders wichtig: OSPF wird häufig in internen Netzen verwendet. BGP ist zentral für das Routing im Internet. Merksatz: OSPF intern. BGP zwischen großen Netzen im Internet. --- **ICMP** ICMP steht für: Internet Control Message Protocol ICMP gehört zum IP-Umfeld und wird für Kontroll- und Fehlermeldungen verwendet. Typische Nutzung: - Ping - Traceroute - Fehlermeldungen im IP-Netz Wichtig: ICMP nutzt keine TCP- oder UDP-Ports. Merksatz: ICMP = Kontrollmeldungen für IP. --- **Ping** Ping prüft, ob ein Ziel grundsätzlich per IP erreichbar ist. Dazu wird häufig ICMP Echo Request und Echo Reply verwendet. Vereinfacht: Echo Request: Bist du erreichbar? Echo Reply: Ja, ich antworte. Wichtig: Wenn Ping nicht funktioniert, heißt das nicht automatisch, dass das Ziel komplett unerreichbar ist. ICMP kann durch Firewalls blockiert werden. Merksatz: Ping prüft IP-Erreichbarkeit, aber ist kein vollständiger Diensttest. --- **Traceroute** Traceroute zeigt den Weg zu einem Ziel über mehrere Router. Je nach Betriebssystem heißt der Befehl zum Beispiel: tracert traceroute tracepath Traceroute hilft zu erkennen: über welche Router ein Paket läuft und wo die Verbindung möglicherweise stoppt. Merksatz: Traceroute zeigt den Weg durch das IP-Netz. --- **TTL** TTL steht für: Time To Live TTL begrenzt die Lebensdauer eines IP-Pakets. Jeder Router verringert den TTL-Wert. Wenn TTL 0 erreicht, wird das Paket verworfen. Zweck: Pakete sollen nicht endlos im Netz kreisen. Merksatz: TTL verhindert endloses Kreisen von IP-Paketen. --- **IPv4 und IPv6** Schicht 3 kann mit IPv4 oder IPv6 arbeiten. | Version | Beispiel | |---|---| | IPv4 | 192.168.10.20 | | IPv6 | 2001:db8::10 | IPv4 verwendet 32-Bit-Adressen. IPv6 verwendet 128-Bit-Adressen. Merksatz: IPv4 = 32 Bit. IPv6 = 128 Bit. --- **Private IPv4-Adressen** Private IPv4-Adressen werden in lokalen Netzwerken verwendet. Wichtige Bereiche: | Bereich | CIDR | |---|---| | 10.0.0.0 – 10.255.255.255 | 10.0.0.0/8 | | 172.16.0.0 – 172.31.255.255 | 172.16.0.0/12 | | 192.168.0.0 – 192.168.255.255 | 192.168.0.0/16 | Private Adressen sind im öffentlichen Internet nicht direkt geroutet. Merksatz: Private IPv4-Adressen werden im LAN genutzt. --- **NAT kurz eingeordnet** NAT steht für: Network Address Translation NAT verändert IP-Adressen beim Übergang zwischen Netzen. Typisches Beispiel: viele private Geräte im LAN teilen sich eine öffentliche IPv4-Adresse NAT wird besonders häufig am Internet-Router eingesetzt. Merksatz: NAT übersetzt IP-Adressen. --- **PAT kurz eingeordnet** PAT steht für: Port Address Translation PAT ist eine Form von NAT. Dabei teilen sich mehrere interne Geräte eine öffentliche IP-Adresse und werden über Port-Zuordnungen unterschieden. Typisch im Heimnetz: viele Geräte eine öffentliche IPv4-Adresse Merksatz: PAT = viele interne Geräte über eine öffentliche IP mit Ports unterscheiden. --- **Schicht 3 und VLANs** VLANs gehören zu Schicht 2. Wenn Geräte in unterschiedlichen VLANs kommunizieren sollen, braucht man Routing auf Schicht 3. Das nennt man: Inter-VLAN-Routing Dafür nutzt man: - Router - Layer-3-Switch - Firewall Merksatz: VLAN trennt auf Schicht 2. Routing verbindet auf Schicht 3. --- **Was Schicht 3 nicht macht** Schicht 3 macht nicht: - Ethernet-Frames lokal anhand von MAC-Adressen switchen - TCP-Verbindungen aufbauen - UDP-Ports auswerten - DNS-Namen auflösen - Webseiten bereitstellen - Benutzer anmelden - Dateifreigaben bereitstellen Diese Aufgaben liegen auf anderen Schichten. Merksatz: Schicht 3 routet IP-Pakete, aber stellt keine Anwendung bereit. --- **Typische Schicht-3-Fehler** Typische Fehler auf Schicht 3 sind: - falsche IP-Adresse - falsche Subnetzmaske - falsches Standard-Gateway - fehlende Route - falsche Route - doppelte IP-Adresse - NAT-Problem - Routing-Schleife - Firewall-Regel auf IP-Ebene - falsches VLAN-Subnetz-Zusammenspiel Merksatz: Schicht-3-Fehler betreffen IP, Subnetze, Gateway und Routing. --- **Einordnung bei der Fehlersuche** Eine sinnvolle Reihenfolge: 1. Schicht 1: Link, Kabel, Signal 2. Schicht 2: MAC, VLAN, ARP 3. Schicht 3: IP-Adresse, Subnetzmaske, Gateway, Route 4. Schicht 4: TCP-/UDP-Port 5. Schicht 7: Anwendung, DNS, Dienst Merksatz: Erst Link, dann MAC/VLAN, dann IP/Routing. --- **Typische IHK-Fragen** In AP1 und AP2 kann zum Beispiel gefragt werden: - Welche Aufgabe hat die Vermittlungsschicht? - Was ist eine IP-Adresse? - Was ist ein IP-Paket? - Was macht ein Router? - Was ist ein Standard-Gateway? - Wann wird ein Gateway benötigt? - Was ist ein Subnetz? - Was bedeutet CIDR? - Was ist eine Routing-Tabelle? - Was bedeutet Default Route? - Was bedeutet Longest Prefix Match? - Was ist der Unterschied zwischen statischem und dynamischem Routing? - Was ist ICMP? - Wofür wird Ping verwendet? - Was zeigt Traceroute? - Was ist TTL? - Was ist der Unterschied zwischen MAC-Adresse und IP-Adresse? --- **Typische Prüfungsfallen** Schicht 3 arbeitet mit IP-Paketen. Schicht 2 arbeitet mit Frames. MAC-Adressen gehören zu Schicht 2. IP-Adressen gehören zu Schicht 3. Switch = Schicht 2. Router = Schicht 3. Gateway wird benötigt, wenn das Ziel nicht im eigenen Subnetz liegt. Gleiches Subnetz = direkte lokale Zustellung. Anderes Subnetz = über Gateway. Default Route = 0.0.0.0/0. Genaueste passende Route gewinnt. Ping nutzt ICMP, nicht TCP oder UDP. ICMP hat keine TCP- oder UDP-Ports. IPv4 hat 32 Bit. IPv6 hat 128 Bit. VLAN ist Schicht 2. Inter-VLAN-Routing ist Schicht 3. --- **Wichtige Begriffe kurz erklärt** | Begriff | Kurze Erklärung | |---|---| | Vermittlungsschicht | OSI-Schicht 3 | | Netzwerkschicht | anderer Begriff für Schicht 3 | | IP-Adresse | logische Adresse auf Schicht 3 | | IP-Paket | Datenform auf Schicht 3 | | Quell-IP | Absender-IP-Adresse | | Ziel-IP | Empfänger-IP-Adresse | | Router | Gerät zur Weiterleitung zwischen Netzen | | Standard-Gateway | Router für Ziele außerhalb des eigenen Netzes | | Subnetz | logischer IP-Adressbereich | | Netzadresse | Adresse des Netzes | | Broadcast-Adresse | Adresse für alle Hosts im Subnetz | | Host-Adresse | nutzbare Adresse für ein Gerät | | Subnetzmaske | trennt Netzanteil und Hostanteil | | CIDR | Schreibweise für Präfixlänge | | Routing | Weiterleitung zwischen IP-Netzen | | Routing-Tabelle | Tabelle mit Wegen zu Zielnetzen | | Nächster Hop | nächster Router auf dem Weg | | Default Route | Standardroute für unbekannte Ziele | | Longest Prefix Match | genaueste passende Route gewinnt | | ICMP | Kontroll- und Fehlermeldungen für IP | | Ping | ICMP-Erreichbarkeitstest | | Traceroute | zeigt Weg über Router | | TTL | begrenzt Lebensdauer eines IP-Pakets | | NAT | Übersetzung von IP-Adressen | | PAT | Übersetzung mit Port-Zuordnung | --- **IHK-sichere Kurzformulierung** Die Vermittlungsschicht beziehungsweise Netzwerkschicht ist Schicht 3 des OSI-Modells. Sie ist für die logische Adressierung und Weiterleitung von IP-Paketen zwischen verschiedenen Netzwerken zuständig. Dafür werden IP-Adressen, Subnetzmasken, Gateways und Routing-Tabellen verwendet. Ein Router arbeitet typischerweise auf Schicht 3 und entscheidet anhand der Ziel-IP-Adresse, wohin ein Paket weitergeleitet wird. Befindet sich ein Ziel nicht im eigenen Subnetz, wird das Paket an das Standard-Gateway gesendet. ICMP gehört zum IP-Umfeld und wird unter anderem für Ping und Traceroute verwendet. --- **Merksätze** Schicht 3 = Vermittlungsschicht / Netzwerkschicht. Schicht 3 = IP-Adressen, Pakete und Routing. IP-Adresse = logische Adresse. IP-Paket = Datenform auf Schicht 3. MAC = Schicht 2. IP = Schicht 3. MAC gilt lokal. IP gilt netzübergreifend. Switch = MAC. Router = IP. Gateway = Ausgang in andere Netze. Gleiches Subnetz = direkt. Anderes Subnetz = über Gateway. Subnetzmaske trennt Netzanteil und Hostanteil. CIDR gibt die Präfixlänge an. Routing = Weiterleitung zwischen IP-Netzen. Routing-Tabelle = Wegweiser für Pakete. Default Route = 0.0.0.0/0. Genaueste passende Route gewinnt. ICMP = Kontrollmeldungen für IP. Ping nutzt ICMP. ICMP nutzt keine TCP- oder UDP-Ports. Traceroute zeigt den Weg durch das IP-Netz. TTL verhindert endloses Kreisen von IP-Paketen. IPv4 = 32 Bit. IPv6 = 128 Bit. VLAN = Schicht 2. Inter-VLAN-Routing = Schicht 3. Erst Link, dann MAC/VLAN, dann IP/Routing.