¶ Rechnernetze
Ein Rechnernetz (auch Computernetzwerk genannt) ist ein Zusammenschluss mehrerer Computer und anderer digitaler Geräte, um Daten auszutauschen und gemeinsame Ressourcen zu nutzen.
¶ Schichtmodelle
Hypothese Herr Tempel: Die Technologien aktueller Netzwerke sind so komplex, dass niemand die Datenübertragung komplett versteht.
Lösung: Teile und Herrsche (divide and conquer bzw. lateinisch divide et impera)
Ein Schichtmodell ist ein theoretisches Modell, das einen komplexen Aufbau oder Prozess in mehrere übereinanderliegende Ebenen (Schichten) unterteilt. Jede Schicht erfüllt dabei eine bestimmte Funktion und arbeitet mit den benachbarten Schichten zusammen.
Aufgabe: Informiert euch in folgender Quelle zu Schichtmodellen: https://informatik.mygymer.ch/g23c/008.rechnernetze-kommunikation/01.schichtenmodell.html#vorteile-des-schichtenmodells
Ziele von Schichtmodellen
- Reduktion von Komplexität
- Klare Trennung von Aufgaben
- Jede Schicht hat eine klare Aufgabe und eine feste Schnittstelle
- Standardisierung
- Schichten sind austauschbar
¶ TCP/IP-Schichtmodell / DoD-Schichtmodell
Das TCP/IP-Schichtmodell (auch Internet-Schichtenmodell genannt) ist ein Referenzmodell für den Aufbau und die Funktionsweise von Netzwerken, insbesondere des Internets.
Protokoll: festgelegtes Regelwerk, das definiert, wie Daten zwischen zwei oder mehr Kommunikationspartnern übertragen werden.
Folgende Tabelle beschreibt die Aufgaben der Schichten und gibt je Schicht mögliche Protokolle an
| Aufgabe | Mögliche Protokolle | |
|---|---|---|
| Anwendungsschicht | Bereitstellung der Funktion | HTTP, HTTPS FTP, SMTP, IMAP |
| Transportschicht | Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen Anwendungen. | TCP, UDP |
| Internetschicht | Adressierung, Routing, Aufteilung der Datenpackete | IP, ICMP |
| Netzzugangsschicht | Übertragung der Daten auf Hardwareebene | Ethernet, WLAN, ARP |
Quelle: https://www.learnj.de/11/doku.php?id=kommunikation:schichtenmodell:start
Aufgabe: Informiert euch in folgender Quelle, über die Aufgaben und Protokolle der Schichten: https://informatik.mygymer.ch/g23c/008.rechnernetze-kommunikation/02.tcp-ip.html#schicht-4-anwendungsschicht
¶ Übersicht TCP-IP (Zusammenfassung aus Quelle)
¶ Anwendungsschicht
-
Kommunikation nach dem Client/Server-Model: Client WebBrowser spricht mit WebServer
-
Eine URL (engl. Uniform Resource Locator) ist im Grunde die Adresse einer Ressource im Internet, also der genaue Ort, an dem sich etwas (z. B. eine Webseite, ein Bild, eine Datei oder ein Video) befindet.
-
Über HTTP (HyperTextTransferProtocol) werden Ressourcen ausgetauscht (zum Beispiel GET-Request zur Anfrage von Ressourcen oder Post-Request zum Senden)
-
HTML (HyperTextMarkupLanguage): Sprache zur Beschreibung von Internetseiten
-
Weitere Begriffe aus dem Video: Cookie, HTTPs (Nutzt Zertifikate und symmetrische Verschlüsselung)
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Hello World Page</title>
</head>
<body>
<h1>Hello, World!</h1>
</body>
</html>
¶ Transportschicht
- Information in Pakete aufgeteilt, jedes Paket
- hat Ziel- und Absender-Adresse
- kann anderen Weg nehmen
- Router: entscheiden über Route und leiten Pakete zum nächsten Router weiter
¶ TCP-Protokol
- TCP (TransmissionControlProtocol): Stellt Vollständigkeit und richtige Reihenfolge der Pakete sicher. Spiel zu TCP: https://www.csfieldguide.org.nz/en/interactives/packet-attack/
- TCP Verbindungsaufbau über 3-Wege-Handschlag:
Jedes TCP Paket enthält - eine Sequenz-Nummer (Seq), über die die Reihenfolge der Pakete sichergestellt werden kann
- eine Annerkennung (ACK=Acknologement) = die Seq des letzten lückenlos erhaltenen Paketes + 1
Gesendete Pakete, die nicht bestätigt werden, werden nach bestimmter Zeit erneut gesendet (Sender muss Kopie bis zur Bestätigung vorhalten)
¶ Internetschicht
Aus Video
- Internet = "Network of Networks" und "Internet is design philsophy" (Vint Cerf)
- Protocol = "well-known set of rules and standards used to communicate between machines"
- ISP = InternetServiceProvide (Internetanbieter)
- IP Adresse (Beispiel: 192.168.2.1, hierarchischer Aufbau (Land.Stadt.Straße.Hausnummer)
- IPv4 (32 bit) vs IPv6 (128 bit)
- DNS (DomainNameService) wandeln URL in IP-Adresse. (Wie Telefonbuch)
¶ Netzzugangsschicht (Physikalische Schicht)
Physikalische Übertragung von Bits über Medium.
| Method | Pro | Con | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Elektrizität (Kupferkabel) | günstig | geringe Reichweite | LAN |
| Licht | schnell, hohe Reichweite | teuer, aufwendig | Glasfaser |
| Radiowelle | flexibel | kurze Reichweite | WLAN |
¶ Topologien (Netzzugangsschicht)
Die Topologie eines Netzwerks ist die Struktur der Verbindungen zwischen den Rechnern.
¶ Arten von Topologien
| Art | Beschreibung | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|---|
| Baum | - mehrere Sternnetzwerke sind hierarchisch miteinander verbunden meist über ein Hauptknoten - wird oft in größeren Netzwerken verwendet |
- gut erweiterbar - übersichtliche Struktur - Fehler leicht lokalisierbar |
- Abhängigkeit vom Hauptknoten - Aufwendigere Verkabelung als beim Busnetz - Kosten steigen mit der Größe des Netzes |
| Stern | - Alle Geräte sind über einzelne Leitungen mit einem zentralen Knoten verbunden - Knoten verteilt die Daten an die richtigen Geräte |
- Einfache Installation und Verwaltung - Fehler leicht erkennbar - Hohe Leistung, da keine Kollisionen auf dem Hauptkabel entstehen |
- Abhängigkeit von zentralen Punkt |
| Vermascht | - jedes Gerät ist mit mehreren oder allen anderen Geräten direkt verbunden - Teilvermascht vs vollvermascht |
- sehr ausfallsicher, da Daten viele Wege nehmen können - Hohe Stabilität und Übertragungssicherheit - ideal für kritische Netzwerke |
- Hoher Verkabelungs- und Kostenaufwand (abh. vom Grad der Vermaschung) - Komplexe Verwaltung |
¶ Simulation von Rechennetzen
Ab Seite 11 "Vernetzung über einen Switch"
https://www.lernsoftware-filius.de/downloads/Einfuehrung_Filius_2015.pdf
Wichtige Consolenbefehle
| Befehl | Bedeutung |
|---|---|
| ipconfig | |
| ping | |
| traceroute | |
| route | |
| arp | |
| arpsend | |
| netstat | |
| nslookup | |
| tcpdump |
Weitere: pwd, ls, cd, copy, del, mkdir, move, touch
¶ Adressierung
¶ IP-Adressierung
- IP steht für Internet Protocol
- logische Adressierung auf Internetschicht
- es existieren 2 Versionen des Protokolls
- Wird manuell von einem Administrator eingestellt oder automatisch vergeben (Protokoll DHCP)
| Merkmal | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| Adresslänge | 32 Bit | 128 Bit |
| Darstellung | Dezimal (z. B. 192.168.0.1) |
Hexadezimal (z. B. 2001:0db8::1) |
| Anzahl möglicher Adressen | 232 = ca. 4,3 Milliarden | 2128 = ca. 3,4 × 10³⁸ |
| Einführung | 1983 | 1998 |
→ Wir werden uns auf IPv4 beschränken.
Kleinste IPv4 = 0.0.0.0 (im Speicher 00000000.00000000.00000000.00000000)
Größte IPv4 = 255.255.255.255 (11111111.11111111.11111111.11111111)
Besondere IPs
192.168.0.1 (local IP Format)
127.0.0.1 (localhost / eigene Rechner)
¶ MAC-Adressierung
- MAC steht für Media Access Control
- pysikalische Adressierung auf Netzzugangsschicht
- Eindeutige Hardware-Adresse jeder Netzwerkkarte
- 48 Bit (6 Byte), meist in Hexadezimal dargestellt (z. B. 00:1A:2B:3C:4D:5E)
- Erste 24 Bit → Herstellerkennung
- Letzte 24 Bit → Gerätekennung (vom Hersteller vergeben)
- eigentlich nicht änderbar
¶ Subnetze
Subnetzmasken:
- Erlauben die Aufteilen von von großen Netzen in kleinere Subnetze (schon wieder Teile und Herrsche)
- Beginnen in Binärdarstellung mit 1en, enden mit 0
- Beispiele 255.255.255.0, 255.255.0.0 oder 255.255.255.224
Mit IP-Adesse und Subnetzmaske lassen sich folgende Dinge bestimmen
- Name des Netze
- Name des Hosts (Geräts)
- Anzahl möglicher Hosts
- Broadcastadresse
Der Netzanteil entsteht, indem die IP-Adresse bitweise mit der Netzwerkmaske verknüpfst (bitwise AND). Dabei werden die Host-Bits auf 0 gesetzt, die Netz-Bits bleiben erhalten.
Der Hostanteil ist der Anteil der IP, bei dem die Netzwerkmask 0en enthält.
Die Broadcast-Addresse ist der Netzanteil + 1er im Hostanteil.
Anzahl möglicher Hosts = 2n - 2, wobei n = Länge des Hostanteils
Nochmal ein Erklärvideo https://youtu.be/jgwWFKryrOw?t=149
¶ Beispiel:
IP: 192.168.1.2
Subnutzmakse: 255.255.0.0
In Binär
11000000.10101000.00000001.00000010
11111111.11111111.00000000.00000000
Netz:
11000000.10101000.00000000.00000000 = 192.168.0.0
Host:
00000000.00000000.00000001.00000010 = 0.0.1.2
Broadcast:
11000000.10101000.11111111.11111111 = 192.168.255.255
Anzahl Hosts
216 -2 = 65.534
¶ Geräte
Switch: Verbinden Geräte eines Netzes
Router: Verbinden Geräte verschiedener Netze
¶ Wie sendet ein Gerät ein Paket
Prüfe, ob Ziel im gleichen Netz ist (ermittele Netznamen aus eigener IP/Subnetzmaske und vergleiche mit Zieladresse)
1. WENN gleiches Netz -> sende direkt an Ziel
2. SONST sende an Gateway
Das Gateway (Router) bestimmt das nächste (Zwischen)-Ziel auf dem Weg
¶ IP Paket
- TTL = TimeToLive. 8bit zum Start auf 11111111 (255) gesetzt. Wird von jedem Router um 1 reduziert. Bei 0 wird Paket nicht weitergeleitet.
- Heder-Checksumme: Dient der Fehlererkennung in IP-Headern
- Quell-IP-Adresse: Absender
- Ziel-IP-Adresse: Empfänger
¶ Heimlerntag
Aufgaben
https://www.lernsoftware-filius.de/downloads/Skriptum_Netzwerk_Filius_2026.pdf
Wichtige Begriffe:
| Komponente | Beschreibung |
|---|---|
| ARP | AdressResolutionProtocol um für eine IP-Zieladresse die MAC Adressen herauszufinden. Ohne MAC ist Kommunikation auf Netzzugangsschicht nicht möglich. Kennt ein Teilnehmer die MAC-Adresse für eine IP noch nicht, fragt er über einen Broadcast an MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF die MAC für die IP-Zieladresse an. Das Gerät mit der entsprechende IP sendet seine MAC zurück. |
| Routing-Tabelle | Datenstruktur in einem Netzwerkgerät (z. B. Router), die festlegt, über welchen Weg (Route) Datenpakete zu ihrem Ziel weitergeleitet werden. |
| Traceroute | Ein Netzwerk-Tool, das den Weg von Datenpaketen durch ein Netzwerk zu einem Ziel verfolgt und dabei alle Zwischenstationen anzeigt. |
| Hops | Die einzelnen Zwischenstationen (Router), die ein Datenpaket auf seinem Weg zum Ziel durchläuft. |
| DHCP | DynamicHostConfigurationProtocol ist ein Netzwerkprotokoll, das Geräten automatisch eine IP-Adresse und weitere Netzwerkeinstellungen (z. B. Subnetzmaske, Gateway, DNS) zuweist. |
| DNS | DomainNameSystem -> "Telefonbuch des Internets". Wandelt Domain-Namen in IP Adressen. Dezentrales System. |
¶ Routing
Routing bedeutet die Weiterleitung von Daten von einem Ausgangspunkt zu einem Ziel über einen oder mehrere Zwischenknoten.
- Statisches Routing: Routen über Admin konfiguriert
- Dynamisch: Automatische Ermittlung und Aktualisierung durch Protokolle
¶ Statisches Routing
WICHTIG: Bei der Verbindung zwischen Routern, müssen die IP-Adressen der Schnittstellen im gleichen Netz sein, sonst ist eine Kommunikation nicht möglich. Beispiel 1.0.0.1/1.0.0.2 oder 2.0.0.3/2.0.0.2
Router entscheidet mit Routingtabelle. Wird mein manuellen Routing händisch vom Admin erstellt.
Hier ein Beispiel für Router 1.
Ein Erklärvideo, welches im Detail durchgeht: https://www.youtube.com/watch?v=4Hpvfy7Ra9k
¶ Dynamisches Routing
Aufgabe: https://inf-schule.de/rechnernetze/vermittlung/fachkonzept_routing und https://inf-schule.de/rechnernetze/vermittlung/routerspiel
| Protokolart | Beschreibung |
|---|---|
| Distanzvektor | Router kommunizieren nur mit Nachbarn und tauschen Informationen über Entfernung (Kosten) und Richtung (Nächster Hop) |
| Link-State | Jeder Router kennt eine vollständige Karte des Netzwerks (Topologiedatenbank) |
¶ Datenstruktur Graph
In Link-State-Protokollen, kennen die Router die gesamte Topologie des Netzes. Diese lässt sich als ungerichteter, gewichteter Graph darstellen. Ein Graph besteht aus Knoten (Router) und Kanten (Verbindungen). Die Gewichte sind Attribute der Kanten und können für Distanzen, Kosten, Bandbreite oder Ähnliches stehen. Beispiel:
¶ Dijkstra Algorithmus
Damit ein Router sinnvolle Routing-Entscheidungen treffen kann, benötigt er Algorithmen auf der Datenstruktur Graph.
Der Dijkstra-Algorithmus ist ein Verfahren aus der Graphentheorie, mit dem man in einem gewichteten Graphen die kürzesten Wege von einem Startknoten zu allen anderen Knoten berechnet. Der Algorithmus arbeitet schrittweise und folgt dem Prinzip: „Wähle immer den aktuell nächstgelegenen, noch nicht besuchten Knoten.“
¶ Ablauf des Dijkstra-Algorithmus
-
Initialisierung
- Setze die Distanz des Startknotens auf
0 - Setze die Distanz aller anderen Knoten auf
∞ - Markiere alle Knoten als unbesucht
- Setze die Distanz des Startknotens auf
-
Wiederhole solange unbesuchte Knoten existieren:
- Wähle den unbesuchten Knoten mit der kleinsten Distanz
- Für jeden Nachbarn dieses Knotens:
- Berechne:
neue Distanz = aktuelle Distanz + Kantengewicht - Falls die neue Distanz kleiner ist:
- Aktualisiere die Distanz des Nachbarn
- Speichere den aktuellen Knoten als Vorgänger
- Berechne:
- Markiere den aktuellen Knoten als besucht
-
Abbruchbedingung
- Alle Knoten wurden besucht
Ergebnis: Für jeden Knoten:
- Die kürzeste Distanz vom Startknoten
- Der Vorgängerknoten (zur Rekonstruktion des kürzesten Pfads)
Aufgabe:
- Seht euch folgendes Video zum Dijkstra-Algorithmus an: https://www.youtube.com/watch?v=KiOso3VE-vI
- Wendet den Algorithmus auf folgende Abbildung an, um die kürzesten Distanzen ausgehend von Knoten A zu berechnen.
- Dijkstra Visualisierung: https://www.youtube.com/shorts/X7EMDd82ZmI
¶ Fehlerekennung
- Hamming Code: https://www.youtube.com/watch?v=X8jsijhllIA&t=1s
¶ Später
- zentrale und dezentrale Netzwerkdienste
- VPN
- HTTPs