# 7.1 OSI-Schicht 4 – Transportschicht Die Transportschicht ist Schicht 4 des OSI-Modells. Sie liegt zwischen: Schicht 3: Vermittlungsschicht / Netzwerkschicht und Schicht 5: Sitzungsschicht Die Hauptaufgabe von Schicht 4 ist: Daten zwischen Anwendungen auf Endgeräten transportieren. Dabei geht es besonders um: - TCP - UDP - Ports - Verbindungen - Zuverlässigkeit - Reihenfolge - Flusskontrolle - Fehlerbehandlung - Segmentierung Merksatz: Schicht 4 = Transport zwischen Anwendungen mit TCP, UDP und Ports. --- **Grundidee von Schicht 4** Schicht 3 bringt IP-Pakete von einem Gerät zu einem anderen Gerät. Schicht 4 sorgt dafür, dass die Daten zur richtigen Anwendung auf diesem Gerät gelangen. Beispiel: Ein Server hat eine IP-Adresse. Auf dem Server laufen mehrere Dienste. Zum Beispiel: Webserver SSH Mailserver Datenbank Damit klar ist, welcher Dienst gemeint ist, nutzt Schicht 4 Ports. Merksatz: IP bringt zum Gerät. Port bringt zur Anwendung. --- **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 4 sitzt über IP und unter den Anwendungsschichten. --- **Warum braucht man Schicht 4?** Schicht 3 kennt IP-Adressen. Eine IP-Adresse sagt: welches Gerät? Aber ein Gerät kann viele Dienste gleichzeitig anbieten. Beispiel Server: | Dienst | typischer Port | |---|---:| | HTTP | 80 | | HTTPS | 443 | | SSH | 22 | | DNS | 53 | | SMTP | 25 | | IMAP | 143 | | RDP | 3389 | Schicht 4 sorgt dafür, dass Daten beim richtigen Dienst landen. Merksatz: Ohne Ports wüsste ein Gerät nicht, für welchen Dienst die Daten bestimmt sind. --- **Ports** Ein Port ist eine logische Nummer auf Schicht 4. Ports werden verwendet, um Anwendungen oder Dienste auf einem Gerät zu unterscheiden. Beispiel: IP-Adresse: 192.168.10.50 Port: 443 Zusammen: 192.168.10.50:443 Das bedeutet: Dienst auf Port 443 auf dem Gerät 192.168.10.50 Merksatz: Port = logische Dienstnummer auf Schicht 4. --- **Port ist nicht gleich Switch-Port** Der Begriff Port kann verwirrend sein. | Begriff | Bedeutung | Schicht | |---|---|---:| | Switch-Port | physischer Anschluss am Switch | 1 / 2 | | TCP-Port | logische Dienstnummer | 4 | | UDP-Port | logische Dienstnummer | 4 | Beispiel: Switch-Port 5: Kabel steckt am Switch. TCP-Port 443: HTTPS-Dienst auf einem Server. Merksatz: Switch-Port = physisch. TCP-/UDP-Port = logisch. --- **TCP** TCP steht für: Transmission Control Protocol TCP ist ein verbindungsorientiertes Transportprotokoll. Das bedeutet: Vor der eigentlichen Datenübertragung wird eine Verbindung aufgebaut. TCP bietet unter anderem: - Verbindungsaufbau - zuverlässige Übertragung - Reihenfolge der Daten - Bestätigungen - erneute Übertragung bei Verlust - Flusskontrolle - Staukontrolle Merksatz: TCP = zuverlässig und verbindungsorientiert. --- **UDP** UDP steht für: User Datagram Protocol UDP ist ein verbindungsloses Transportprotokoll. Das bedeutet: Es wird keine Verbindung wie bei TCP aufgebaut. UDP sendet Datagramme ohne eingebaute Garantie für: - Zustellung - Reihenfolge - erneute Übertragung - Bestätigung UDP ist dadurch einfacher und schneller, aber weniger zuverlässig. Merksatz: UDP = schnell und verbindungslos. --- **TCP und UDP im Vergleich** | Merkmal | TCP | UDP | |---|---|---| | Verbindungsaufbau | ja | nein | | Zuverlässigkeit | hoch | keine eingebaute Garantie | | Reihenfolge | wird sichergestellt | keine eingebaute Garantie | | Bestätigung | ja | nein | | erneute Übertragung | ja | nein | | Overhead | höher | geringer | | typische Nutzung | Web, Mail, SSH | DNS, VoIP, Streaming, Gaming | Merksatz: TCP = sicherer Transport. UDP = schlanker Transport. --- **Verbindungsorientiert** Verbindungsorientiert bedeutet: Vor der Datenübertragung wird eine Verbindung aufgebaut. TCP arbeitet verbindungsorientiert. Dabei wird geprüft: Ist die Gegenstelle erreichbar? Können beide Seiten kommunizieren? Welche Anfangswerte werden verwendet? Erst danach werden Nutzdaten übertragen. Merksatz: Verbindungsorientiert = Verbindung vor Datenübertragung. --- **Verbindungslos** Verbindungslos bedeutet: Es wird keine feste Verbindung aufgebaut. UDP arbeitet verbindungslos. Ein UDP-Datagramm wird einfach gesendet. Der Sender weiß durch UDP allein nicht sicher: ob es angekommen ist ob es in richtiger Reihenfolge angekommen ist ob es mehrfach angekommen ist Wenn eine Anwendung Zuverlässigkeit braucht, muss sie das selbst lösen. Merksatz: Verbindungslos = senden ohne vorherigen Verbindungsaufbau. --- **TCP-Handshake** TCP baut eine Verbindung mit dem sogenannten Drei-Wege-Handshake auf. Die drei Schritte sind: 1. SYN 2. SYN-ACK 3. ACK Vereinfacht: Client: Ich möchte eine Verbindung aufbauen. Server: Einverstanden, ich bestätige. Client: Bestätigung erhalten. Danach beginnt die eigentliche Datenübertragung. Merksatz: TCP-Verbindung startet mit SYN, SYN-ACK, ACK. --- **Drei-Wege-Handshake** | Schritt | Richtung | Bedeutung | |---:|---|---| | 1 | Client → Server | SYN | | 2 | Server → Client | SYN-ACK | | 3 | Client → Server | ACK | SYN bedeutet: Synchronize ACK bedeutet: Acknowledgement Nach dem dritten Schritt gilt die TCP-Verbindung als aufgebaut. Merksatz: Drei-Wege-Handshake = SYN, SYN-ACK, ACK. --- **TCP-Bestätigungen** TCP arbeitet mit Bestätigungen. Wenn Daten ankommen, bestätigt der Empfänger den Empfang. Wenn Daten verloren gehen, können sie erneut übertragen werden. Dadurch erreicht TCP eine zuverlässige Datenübertragung. Beispiel: Sender sendet Daten. Empfänger bestätigt Empfang. Sender weiß: Daten sind angekommen. Merksatz: TCP nutzt ACKs zur Bestätigung. --- **Reihenfolge bei TCP** TCP sorgt dafür, dass Daten in der richtigen Reihenfolge an die Anwendung übergeben werden. Wenn Datenpakete unterwegs vertauscht ankommen, kann TCP sie wieder sortieren. Beispiel: gesendet: Teil 1, Teil 2, Teil 3 angekommen: Teil 1, Teil 3, Teil 2 TCP kann die Reihenfolge für die Anwendung wieder herstellen. Merksatz: TCP stellt die Reihenfolge der Daten sicher. --- **Sequenznummern** TCP nutzt Sequenznummern. Sie helfen dabei: - Daten in Reihenfolge zu bringen - fehlende Daten zu erkennen - Daten korrekt zu bestätigen Wichtig: Sequenznummern sind keine Ports. Ports zeigen den Dienst. Sequenznummern zeigen die Position von Daten im TCP-Datenstrom. Merksatz: Port = Dienst. Sequenznummer = Position im TCP-Datenstrom. --- **TCP-Segment** Die Datenform bei TCP auf Schicht 4 heißt: Segment Ein TCP-Segment enthält unter anderem: - Quell-Port - Ziel-Port - Sequenznummer - Bestätigungsnummer - Steuerbits - Nutzdaten Merksatz: TCP arbeitet mit Segmenten. --- **UDP-Datagramm** Die Datenform bei UDP auf Schicht 4 heißt: Datagramm Ein UDP-Datagramm enthält unter anderem: - Quell-Port - Ziel-Port - Länge - Prüfsumme - Nutzdaten UDP ist einfacher aufgebaut als TCP. Merksatz: UDP arbeitet mit Datagrammen. --- **Segment und Datagramm unterscheiden** | Protokoll | Datenform auf Schicht 4 | |---|---| | TCP | Segment | | UDP | Datagramm | Wichtig: In der Praxis wird oft allgemein von Paketen gesprochen. Fachlich genauer sollte man unterscheiden. Merksatz: TCP = Segment. UDP = Datagramm. --- **Portnummern** Portnummern liegen im Bereich: 0 bis 65535 Warum? Ports sind 16 Bit groß. 16 Bit ermöglichen: 65536 verschiedene Werte Von: 0 bis: 65535 Merksatz: Portnummern gehen von 0 bis 65535. --- **Well-Known Ports** Well-Known Ports sind bekannte, standardisierte Ports. Sie liegen im Bereich: 0 bis 1023 Beispiele: | Dienst | Protokoll | Port | |---|---|---:| | FTP | TCP | 21 | | SSH | TCP | 22 | | SMTP | TCP | 25 | | DNS | TCP / UDP | 53 | | HTTP | TCP | 80 | | HTTPS | TCP | 443 | Merksatz: Well-Known Ports = 0 bis 1023. --- **Registered Ports** Registered Ports liegen im Bereich: 1024 bis 49151 Sie werden häufig von Anwendungen, Herstellern oder Diensten genutzt. Beispiele können je nach Anwendung unterschiedlich sein. Für die Prüfung ist meistens wichtiger: Well-Known Ports kennen und Portbereiche grob einordnen. Merksatz: Registered Ports = 1024 bis 49151. --- **Dynamic oder Ephemeral Ports** Dynamic Ports werden auch genannt: Ephemeral Ports Sie liegen im Bereich: 49152 bis 65535 Clients nutzen solche Ports oft als temporäre Quell-Ports. Beispiel: Client öffnet Webseite. Quell-Port: 52344 Ziel-Port: 443 Der Quell-Port wird temporär für diese Verbindung genutzt. Merksatz: Ephemeral Port = temporärer Client-Port. --- **Quell-Port und Ziel-Port** Ein TCP- oder UDP-Paket enthält: - Quell-Port - Ziel-Port Beispiel HTTPS-Aufruf: Client: 192.168.10.20:52344 Server: 93.184.216.34:443 Der Ziel-Port 443 zeigt: Der Client möchte HTTPS erreichen. Der Quell-Port 52344 hilft dem Client, die Antwort der richtigen Verbindung zuzuordnen. Merksatz: Ziel-Port = gewünschter Dienst. Quell-Port = Rückzuordnung beim Absender. --- **Socket** Ein Socket beschreibt eine Kombination aus: IP-Adresse und Port Beispiel: 192.168.10.20:52344 Oder: 93.184.216.34:443 Bei TCP-Verbindungen betrachtet man oft die Kombination aus: Quell-IP Quell-Port Ziel-IP Ziel-Port Protokoll Diese Kombination macht eine Verbindung eindeutig. Merksatz: Socket = IP-Adresse plus Port. --- **Typische Dienste und Ports** | Dienst | Protokoll | Port | |---|---|---:| | FTP Steuerverbindung | TCP | 21 | | SSH | TCP | 22 | | Telnet | TCP | 23 | | SMTP | TCP | 25 | | DNS | TCP / UDP | 53 | | DHCP Server | UDP | 67 | | DHCP Client | UDP | 68 | | HTTP | TCP | 80 | | POP3 | TCP | 110 | | IMAP | TCP | 143 | | HTTPS | TCP | 443 | | RDP | TCP | 3389 | Merksatz: Die wichtigsten Standardports sollte man sicher kennen. --- **DNS und TCP/UDP** DNS nutzt häufig UDP Port 53. Warum? Normale DNS-Anfragen sind meist klein und schnell. DNS kann aber auch TCP Port 53 verwenden. Zum Beispiel: - Zonentransfers - große Antworten - bestimmte DNS-Sicherheits- oder Sonderfälle Prüfungsfalle: DNS ist nicht nur UDP, sondern kann TCP und UDP 53 nutzen. Merksatz: DNS = UDP 53 häufig, TCP 53 ebenfalls möglich. --- **DHCP und UDP** DHCP nutzt UDP. Wichtige Ports: | Richtung | Port | |---|---:| | DHCP Server | UDP 67 | | DHCP Client | UDP 68 | DHCP wird genutzt, um IP-Konfiguration automatisch zu vergeben. Merksatz: DHCP nutzt UDP 67 und 68. --- **HTTP und HTTPS** HTTP nutzt typischerweise: TCP 80 HTTPS nutzt typischerweise: TCP 443 HTTPS ist HTTP über TLS-Verschlüsselung. Wichtig: HTTPS ist nicht einfach nur ein anderer Port, sondern nutzt Verschlüsselung über TLS. Merksatz: HTTP = TCP 80. HTTPS = TCP 443. --- **SSH und Telnet** SSH nutzt typischerweise: TCP 22 Telnet nutzt typischerweise: TCP 23 Wichtiger Unterschied: SSH ist verschlüsselt. Telnet ist unverschlüsselt. In modernen Netzen sollte SSH verwendet werden, nicht Telnet. Merksatz: SSH sicherer als Telnet. --- **Transport und Anwendung** Schicht 4 transportiert Daten zwischen Anwendungen. Die Anwendung selbst liegt höher. Beispiel: HTTPS nutzt TCP 443. Dabei ist: TCP = Schicht 4 HTTPS = Anwendungsschicht mit TLS-Bezug Merksatz: Port gehört zu Schicht 4. Dienst gehört zu höheren Schichten. --- **TCP und Firewall** Firewalls nutzen häufig Schicht-4-Informationen. Beispiel-Regel: Erlaube TCP 443 von Client-Netz zum Internet. Das bedeutet: HTTPS-Verbindungen nach außen sind erlaubt. Andere Ports können blockiert werden. Merksatz: Firewall-Regeln nutzen oft IP-Adressen und Ports. --- **UDP und Firewall** Auch UDP kann durch Firewalls erlaubt oder blockiert werden. Beispiele: DNS über UDP 53 DHCP über UDP 67/68 VoIP über UDP VPN über UDP NTP über UDP 123 Da UDP verbindungslos ist, muss eine Firewall den Verkehr anders verfolgen als bei TCP. Merksatz: UDP braucht passende Firewall-Regeln, auch ohne TCP-Verbindung. --- **TCP-Verbindungszustände** TCP kennt verschiedene Verbindungszustände. Beispiele: LISTEN SYN-SENT ESTABLISHED FIN-WAIT TIME-WAIT CLOSED Für AP1/AP2 ist besonders wichtig: LISTEN bedeutet: Dienst wartet auf eingehende Verbindungen. ESTABLISHED bedeutet: Verbindung besteht. Merksatz: LISTEN = Dienst wartet. ESTABLISHED = Verbindung steht. --- **Port offen oder geschlossen** Ein Port kann aus Sicht eines Clients unterschiedlich wirken. | Zustand | Bedeutung | |---|---| | offen | Dienst nimmt Verbindungen an | | geschlossen | kein Dienst hört auf diesem Port | | gefiltert | Firewall blockiert oder verwirft | Wichtig: Ein offener Port bedeutet, dass ein Dienst erreichbar ist. Ein geschlossener Port bedeutet nicht zwingend, dass das Gerät offline ist. Merksatz: Portstatus sagt etwas über den Dienst, nicht nur über das Gerät. --- **Typische Schicht-4-Fehler** Typische Fehler auf Schicht 4 sind: - falscher Port - Dienst hört nicht auf erwartetem Port - Firewall blockiert TCP oder UDP - TCP-Verbindung wird nicht aufgebaut - UDP-Antwort kommt nicht zurück - Portweiterleitung auf falschen Port - NAT/PAT-Portzuordnung falsch - Anwendung nutzt anderes Protokoll als erwartet - TCP-Handshake scheitert Merksatz: Schicht-4-Fehler betreffen TCP, UDP und Ports. --- **Schicht 3 oder Schicht 4 unterscheiden** | Frage | eher Schicht | |---|---:| | Ist die IP-Adresse erreichbar? | 3 | | Funktioniert Ping auf IP? | 3 | | Gibt es eine Route? | 3 | | Ist TCP-Port 443 erreichbar? | 4 | | Ist UDP-Port 53 erreichbar? | 4 | | Baut TCP eine Verbindung auf? | 4 | | Antwortet der Webdienst korrekt? | 7 | Merksatz: IP erreichbar = Schicht 3. Port erreichbar = Schicht 4. --- **Beispiel: Ping geht, Webseite geht nicht** Fehlerbild: ping server funktioniert. Webseite funktioniert nicht. Dann ist Schicht 3 wahrscheinlich grundsätzlich erreichbar. Mögliche Ursachen: - TCP-Port 80 oder 443 blockiert - Webserver läuft nicht - Dienst hört auf anderer IP - Dienst hört auf anderem Port - Firewall blockiert - Reverse Proxy falsch - TLS-Problem Merksatz: Ping geht, Dienst nicht: Schicht 4 und 7 prüfen. --- **Beispiel: Port 443 blockiert** Ein Client möchte HTTPS nutzen. Ziel: server.example.local:443 Mögliche Fehler: - Server ist erreichbar, aber TCP 443 ist geschlossen - Firewall blockiert TCP 443 - Dienst läuft nur auf TCP 8443 - Portweiterleitung zeigt auf falschen Port Merksatz: HTTPS braucht erreichbaren TCP-Port 443. --- **Beispiel: DNS funktioniert nicht** DNS nutzt häufig UDP 53 und teilweise TCP 53. Wenn DNS nicht funktioniert, prüft man: - DNS-Server-IP korrekt? - DNS-Server erreichbar? - UDP 53 erlaubt? - TCP 53 erlaubt? - Firewall blockiert? - DNS-Dienst läuft? - Antwort kommt zurück? Merksatz: DNS-Probleme können Schicht 3, 4 oder 7 betreffen. --- **Beispiel: UDP-Dienst antwortet nicht** Bei UDP gibt es keinen TCP-Handshake. Wenn ein UDP-Dienst nicht antwortet, kann das viele Ursachen haben: - Dienst läuft nicht - Firewall blockiert - Antwortweg fehlt - NAT/PAT-Problem - Anwendung antwortet nur auf gültige Anfragen - Paketverlust - falscher Port Merksatz: UDP-Fehler sind oft schwerer eindeutig zu erkennen als TCP-Fehler. --- **Einordnung in das OSI-Modell** | Thema | Schicht | |---|---:| | IP-Adresse | 3 | | Routing | 3 | | ICMP | 3 | | TCP | 4 | | UDP | 4 | | Port | 4 | | Socket | 4 mit IP-Bezug | | TCP-Handshake | 4 | | DNS-Protokoll | 7, nutzt TCP/UDP 53 | | HTTP | 7, nutzt TCP 80 | | HTTPS | 7, nutzt TCP 443 und TLS | | DHCP | 7, nutzt UDP 67/68 | Merksatz: TCP, UDP und Ports = Schicht 4. --- **Was Schicht 4 nicht macht** Schicht 4 macht nicht: - IP-Routing zwischen Netzen - MAC-Adressen im LAN auflösen - DNS-Namen in IP-Adressen auflösen - Webseiten darstellen - Benutzer authentifizieren - Zertifikate prüfen - Inhalte interpretieren - Dateien speichern Diese Aufgaben liegen auf anderen Schichten. Merksatz: Schicht 4 transportiert, interpretiert aber keine Anwendung. --- **Typische IHK-Fragen** In AP1 und AP2 kann zum Beispiel gefragt werden: - Welche Aufgabe hat die Transportschicht? - Was ist ein Port? - Was ist der Unterschied zwischen Switch-Port und TCP-Port? - Was ist TCP? - Was ist UDP? - Was ist der Unterschied zwischen TCP und UDP? - Was bedeutet verbindungsorientiert? - Was bedeutet verbindungslos? - Wie funktioniert der TCP-Handshake? - Welche Ports haben HTTP, HTTPS, SSH, DNS und DHCP? - Warum nutzt DNS TCP und UDP? - Was bedeutet Socket? - Was ist ein Ephemeral Port? - Warum kann Ping funktionieren, aber HTTPS nicht? - Warum nutzt ICMP keine Ports? --- **Typische Prüfungsfallen** TCP gehört zu Schicht 4. UDP gehört zu Schicht 4. Ports gehören zu Schicht 4. ICMP nutzt keine TCP- oder UDP-Ports. Switch-Port ist nicht TCP-Port. TCP ist verbindungsorientiert. UDP ist verbindungslos. TCP ist zuverlässiger als UDP. UDP ist schlanker als TCP. TCP-Handshake = SYN, SYN-ACK, ACK. HTTP nutzt TCP 80. HTTPS nutzt TCP 443. SSH nutzt TCP 22. DNS nutzt UDP 53 und auch TCP 53. DHCP nutzt UDP 67 und 68. Ping funktioniert heißt nicht, dass ein TCP-Port offen ist. Port offen heißt nicht automatisch, dass die Anwendung korrekt funktioniert. --- **Wichtige Begriffe kurz erklärt** | Begriff | Kurze Erklärung | |---|---| | Transportschicht | OSI-Schicht 4 | | TCP | verbindungsorientiertes Transportprotokoll | | UDP | verbindungsloses Transportprotokoll | | Port | logische Dienstnummer | | TCP-Port | Port für TCP-Dienst | | UDP-Port | Port für UDP-Dienst | | Socket | IP-Adresse plus Port | | Segment | TCP-Datenform auf Schicht 4 | | Datagramm | UDP-Datenform auf Schicht 4 | | SYN | TCP-Verbindungsaufbau-Anfrage | | ACK | Bestätigung bei TCP | | Drei-Wege-Handshake | SYN, SYN-ACK, ACK | | Sequenznummer | Position im TCP-Datenstrom | | Well-Known Port | Port 0 bis 1023 | | Registered Port | Port 1024 bis 49151 | | Ephemeral Port | temporärer Client-Port | | LISTEN | Dienst wartet auf Verbindung | | ESTABLISHED | TCP-Verbindung besteht | --- **IHK-sichere Kurzformulierung** Die Transportschicht ist Schicht 4 des OSI-Modells. Sie ist für den Transport von Daten zwischen Anwendungen auf Endgeräten zuständig. Dafür werden vor allem TCP, UDP und Ports verwendet. TCP ist verbindungsorientiert und bietet zuverlässige Übertragung mit Verbindungsaufbau, Bestätigungen, Reihenfolge und erneuter Übertragung. UDP ist verbindungslos, schlanker und bietet keine eingebaute Garantie für Zustellung oder Reihenfolge. Ports dienen dazu, Dienste auf einem Gerät zu unterscheiden. Ein Socket besteht aus IP-Adresse und Port. Der TCP-Verbindungsaufbau erfolgt über den Drei-Wege-Handshake mit SYN, SYN-ACK und ACK. --- **Merksätze** Schicht 4 = Transportschicht. Schicht 4 = TCP, UDP und Ports. IP bringt zum Gerät. Port bringt zur Anwendung. Port = logische Dienstnummer. Switch-Port ist physisch. TCP-Port ist logisch. TCP = verbindungsorientiert. UDP = verbindungslos. TCP = zuverlässig. UDP = schlank und schnell. TCP-Handshake = SYN, SYN-ACK, ACK. TCP nutzt Segmente. UDP nutzt Datagramme. Portnummern gehen von 0 bis 65535. Well-Known Ports = 0 bis 1023. Ephemeral Ports = temporäre Client-Ports. HTTP = TCP 80. HTTPS = TCP 443. SSH = TCP 22. DNS = UDP 53 und TCP 53. DHCP = UDP 67 und 68. ICMP nutzt keine Ports. Ping prüft nicht, ob ein TCP-Port offen ist. IP erreichbar = Schicht 3. Port erreichbar = Schicht 4. Anwendung korrekt = höhere Schicht.