¶ 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
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 (Internetseiten), DNS (Domain in IP), FTP (Dateiaustausch), SMTP & IMAP (E-Mail) |
| Transportschicht | Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen Anwendungen (durch Port identifiziert). | TCP, UDP |
| Internetschicht | Adressierung, Routing, Aufteilung der Datenpakete | IP, ICMP |
| Netzzugangsschicht | Übertragung der Daten auf Hardwareebene | Ethernet, WLAN, ARP |
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
¶ Zusammenfassung aus Quelle
¶ Schicht 4: Anwendungsschicht
-
Kommunikation nach dem Client/Server-Model: Client WebBrowser spricht mit WebServer
-
URLs (UniformResourceLocator) geben die Adresse einer Ressource im Internet (Internetseite, Bild, Video, Drucker usw.) an. Beispiel: protokoll://subleveldomain.domain.topleveldomain:port/pfad?Parameter. Beispiel: http://gts.lernsax.de:80/klasse11/dateien/abgaben/loesung/datei.docx?Seite=1
-
Über HTTP (HyperTextTransferProtocol) werden Ressourcen ausgetauscht
- Requests: GET, POST (mit Daten), DELETE...
- Responses: 200 (OK) mit Daten, 404 (NotFound))
-
-
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>
¶ httpS
Die Kommunikation über HTTP passiert unverschlüsselt. HTTPS (für secure) ergänzt Sicherheitsmaßnahmen
- Zertifikate für Authentizität (siehe oben)
- Asymmetrischer Schlüsselaustauch und Symmetrische Verschlüsselung für Vertraulichkeit
¶ Schicht 3: Transportschicht
- Ende zu Ende Kommunikation (Client-App zu Server-App)
- TCP (TransmissionControlProtocol) stellt sicher, dass alle Pakete in der richtigen Reihenfolge ankommen. Dazu nummeriert es die Pakete durch und bestätigt erhaltene Pakete. Nicht bestätigte Pakete werden vom Sender erneut gesendet.
Aufgabe: Probiert es einmal spielerisch aus
https://www.csfieldguide.org.nz/en/interactives/packet-attack/
¶ Schicht 2: Internetschicht
Aufgaben
- Adressierung (logisch)
- Routing (finden von Wegen zum Ziel)
Protokol IP (Internet Protokol) existiert in Versionen v4 und v6
| 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)
¶ Schicht 1: Netzzugangssicht
Physikalische Kommunikation mit direkten Nachbarn.
Nutzt MAC-Adresse (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
¶ Netzwerksimulation mit Filius
Aufgabe
https://www.lernsoftware-filius.de/downloads/Skriptum_Netzwerk_Filius_2026.pdf
¶ Zusammenfassung Lektion 2
IP-Adressen bestehen aus Netzteil und Geräteteil. Die Subnetzmaske teil die IP in diese 2 Bereiche auf.
Der Netzteil entsteht, indem die IP- bitweise mit der Netzwerkmaske verknüpft wird (bitwise AND). Dabei werden die Host-Bits auf 0 gesetzt, die Netz-Bits bleiben erhalten. Der Geräteteil ist der Anteil der IP, bei dem die Netzwerkmask 0en enthält.
Die Broadcast-Addresse ist der Netzanteil + 1er im Hostanteil.
Anzahl möglicher Hosts in einem Netz = 2n - 2, wobei n = Länge des Hostanteils in bit. 2 Adressen werde abgezogen, die kleinste Adresse der Netzname und die größte die Broadcastadresse ist. Nachricht an diese Adresse werden an alle Teilnehmer im Netz versendet.
Beispiel:
IP: 192.168.0.11
Subnetzmaske 255.255.255.0
Quelle: https://www.lernsoftware-filius.de/downloads/Skriptum_Netzwerk_Filius_2026.pdf
Netzname: 192.168.0.0
Broadcastadresse: 192.168.0.255
Anzahl möglicher Hosts: 28 - 2 = 254
Wichtig: Geräte im selben Netzwerk können direkt miteinander kommunizieren. Geräte in unterschiedlichen Netzwerken benötigen einen Router (Default Gateway)
¶ Zusammenfassung Lektion 3
ARP-Prokoll (Address Resolution Protocol) ermöglicht die benötigte MAC-Adresse für die IP des Ziels zu erhalten.
- Gerät eine Anfrage als Broadcast (an FF:FF:FF:FF:FF:FF) an alle Geräte
- Nur das Gerät mit der gesuchten IP-Adresse antwortet und teilt seine MAC-Adresse mit.
- Wichtig: ARP funktioniert nur innerhalb eines lokalen Netzwerks und wird nicht über Router gesendet
¶ Zusammenfassung Lektion 4
Switch
- verbindet mehrere Geräte innerhalb eines lokalen Netzwerks (LAN)
- arbeitet mit MAC-Adressen und leitet Daten gezielt an den Anschluß weiter, an dem sich das Zielgerät befindet.
- ein Broadcast ist eine Nachricht, die an alle Geräte im gleichen LAN gesendet wird.
¶ Zusammenfassung Lektion 5
- Kommunikation zwischen verschiedenen IP-Netzen ist mit einem Switch allein nicht möglich. Dafür wird ein Router benötigt
- Ein Router verbindet verschiedene Netzwerke miteinander. Er entscheidet anhand der Ziel-IP-Adresse, wohin ein Paket weitergeleitet wird
- Ein Gerät braucht ein Default Gateway, um andere Netzwerke zu erreichen. Das Default Gateway ist die IP-Adresse des Router-Interfaces im eigenen Netzwerk
- Liegt die Ziel-IP außerhalb des eigenen Netzes, sendet der PC das Paket an das Default Gateway.