Einführung

Zusammenfassung für die Klassenarbeit in LF3.

OSI Modell

Learning Apps

• Ordne die Schichten richtig zu
• Ordne die OSI- Layer in die jeweiligen Schichten des DoD-Modells
• Ordne alle Elemente richtig in der Tabelle zu

Die sieben Schichten des OSI-Modells

Open Systems Interconnection model

Die 4 Schichten des DoD-Modells

Department of Defense model

Eselsbrücken

Von 7 bis 1 (Englisch)

Alle Pfarrer saufen Tequila nach der Predigt

Von 7 bis 1 (Deutsch)

Alle deutschen Schüller trinken vormittags schon Bier

Von 1 bis 7 (Englisch)

Please Do Not Throw Salami Pizza Away

Links

Wikipedia

OSI Layers 1, 2 & 3

⚠️ Hinweis: Diesen Part noch mal im Hedgedoc LF3 nachprüfen.

Layer 1 – Bitübertragungsschicht (Physical Layer)

Die unterste Schicht des OSI-Modells. Sie definiert, wie Bits physisch über ein Übertragungsmedium übertragen werden.

Übertragungseinheit: Bit

Aufgaben:

• Definition von Kabeln und Steckern (z. B. RJ45)
• Definition der Signalübertragung (elektrisch, optisch, Funk)
• Festlegung von Übertragungsraten (z. B. 1 Gbit/s)

Übertragungsmedien: Kupferkabel (Twisted Pair), Glasfaser, Funk (WLAN)

Geräte auf Layer 1:

Fehlersuche Layer 1

Typische Probleme: Kabel nicht eingesteckt, Stecker locker, Kabel defekt.

ip link       # Physische Verbindung unter Linux prüfen

Auf NO-CARRIER achten → keine physische Verbindung vorhanden.

Prüfungsfragen: Welche Übertragungseinheit hat Layer 1? | Nennen Sie zwei Geräte auf Layer 1. | Was bedeutet NO-CARRIER?

Layer 2 – Sicherungsschicht (Data Link Layer)

Organisiert die Kommunikation innerhalb eines lokalen Netzwerks (LAN). Sorgt dafür, dass Frames gezielt an das richtige Gerät im selben Netzwerk gesendet werden.

Übertragungseinheit: Frame
Adressierung: MAC-Adresse (48 Bit, hardwareseitig vergeben)

Aufgaben:

• Aufbau und Auswertung von Ethernet-Frames
• MAC-Adressierung innerhalb eines LANs
• Fehlererkennung via Prüfsumme (FCS)
• Zugriffskontrolle auf das Übertragungsmedium (CSMA/CD, CSMA/CA)

Geräte auf Layer 2:

Hub vs. Switch

Fehlersuche Layer 2

ipconfig /all          # MAC-Adresse anzeigen (Windows)

ifconfig -a            # MAC-Adresse anzeigen (Linux)

Prüfungsfragen: Welche Übertragungseinheit hat Layer 2? | Welche Adressierung wird verwendet? | Unterschied Hub vs. Switch? | Was ist eine Kollisionsdomäne?

Layer 3 – Vermittlungsschicht (Network Layer)

Verantwortlich für den Zusammenschluss mehrerer Netze (LAN → MAN → WAN → GAN) und die Wegfindung von Paketen zum Zielhost.

Übertragungseinheit: Paket (Größe durch MTU begrenzt)
Adressierung: IP-Adresse (IPv4: 32 Bit, IPv6: 128 Bit)

Gerät auf Layer 3: Router (auch: Gateway) – verbindet unterschiedliche Netze und leitet Pakete anhand der IP-Adresse weiter.

Wichtige Protokolle:

IPv4-Adressierung

• IPv4-Adresse (32 Bit) wird durch die Subnetzmaske in Netz- und Hostanteil geteilt
• Netz-ID: IP & Subnetzmaske (alle Host-Bits = 0)
• Broadcast-ID: alle Host-Bits = 1
• CIDR: flexible Präfix-Notation (z. B. 192.168.1.0/24) ersetzt die alten Klassen A/B/C
• Mehr 1-Bits in der Maske → mehr Netze, weniger Hosts pro Netz (und umgekehrt)
• Pro Subnetz sind mind. 2 Adressen reserviert (Netz-ID + Broadcast)

Adressbereiche

Diagnose-Tools & Fehlersuche

ipconfig / ifconfig    # Lokale IP-Konfiguration anzeigen
ping <IP>              # Erreichbarkeit prüfen
tracert / traceroute   # Wegverfolgung der Pakete (max. 30 Hops)
arp -a                 # ARP-Cache anzeigen (IP ↔ MAC)

Empfohlene Reihenfolge bei der Fehlersuche: IP-Konfiguration prüfen → Erreichbarkeit testen → Wegverfolgung → ARP-Einträge kontrollieren.

Ethernet & Zugriff

Recap Ethernet

Ausblick: Nochmal sehr gut erklärt

Power over Ethernet

Power over Ethernet (PoE) bezeichnet ein Verfahren, welches durch die IEEE-Standards definiert ist und mit dem Netzwerk- geräte über das Ethernet-Kabel des lokalen Netzwerks mit Strom versorgt werden können. Es gibt verschiedene Standards für PoE.

Typische Verbraucher für PoE sind:

• IP-Telefonie
• Wireless Access Points (WAP)
• IP-Kameras
• Zeiterfassungsterminals

Netzwerkprotokolle

Learning Apps

• Netzwerkprotokolle Teil 1
• Netzwerkprotokolle Teil 2
• Protokolle -> DoD-Schichten zuordnen

Was sind Protokolle?

Protokolle definieren Regeln und Standards, die die Kommunikation und den Datenaustausch zwischen Geräten oder Systemen regeln.

Dynamic Host Configuration Protocol

Weist Geräten innerhalb des Netzwerks automatisch IP-Adressen zu ( die ganze IP-Konfiguration).
Ports: 67, 68, Layer: 7

Bild Quelle: geekflare.com

DHCP D-O-R-A Prinzip

Bild Quelle: networkingsignal.com

Was gehört alles zu IP-Configuration dazu?

• IP-Adresse, Subnetzmaske, DNS-Server

Was heißt es wenn du eine 169.254. ... /16 APIPA Adresse bekommen hast?

• Der DHCP Server ist im Netzwerk nicht erreichbar. Kein Internetzugang.

APIPA (Automatic Private IP Addressing) ist ein Mechanismus in Windows-Systemen, der automatisch eine IP-Adresse aus dem Bereich 169.254.0.0 bis 169.254.255.255 vergibt, wenn kein DHCP-Server gefunden wird. APIPA führt eine ARP-Prüfung und wenn möglich eine automatische DHCP-Rückkehr aus.

Adressen

Wichtig: IPv4, IPv6 & MAC-Adressen
Befehle: ipconfig / ipconfig /all

IPv6

Eine IPv6-Adresse hat 128 Bit und besteht aus drei Teilen:

• Routing-Präfix – identifiziert das Netzwerk/Subnetz; wird vom ISP zugewiesen
• Subnetz-ID – segmentiert interne Netzwerkbereiche; von Netzwerkadministratoren definiert
• Interface-ID – identifiziert ein einzelnes Gerät/Interface; automatisch generiert oder manuell zugewiesen

Pro 4er-Block: 2¹⁶ Adressen (16 Bit).

Adresskonfiguration (SLAAC)

Ein Gerät, das einem Netzwerk beitritt, konfiguriert sich in zwei Stufen:

1. Link-local – automatisch generierte lokale Adresse (nur im selben Netzwerksegment erreichbar), Präfix: fe80::/10
2. SLAAC (Stateless Address Autoconfiguration) – vollständige Selbstkonfiguration ohne DHCP-Server:
   • RS (Router Solicitation) – Gerät fragt den Router
   • RA (Router Advertisement) – Router antwortet mit Präfix, Gateway und DNS

Ablauf:
Gerät                          Router
  |                               |
  |----RS (Router Solicitation)-->|
  |<---RA (Router Advertisement)--|
  |    - Routing/ID-Präfix        |
  |    - Gateway                  |
  |    - DNS                      |
  |                               |
  v
Gerät baut IPv6-Adresse selbst:
Präfix (vom RA) + Interface-ID (vom Gerät)

IPv6-Kürzungsregeln

Merke: :: darf nur einmal pro Adresse vorkommen, sonst ist sie nicht eindeutig parsebar.
Bei Gleichstand: links vor rechts.

IPv4

32 Bit ~ 4,2 Mrd. Adressen

Private Adressbereiche

• Loopback-Adresse: 127.0.0.1 (von IANA festgelegt)
  • Testen der eigenen Netzwerkfähigkeit
  • Keine physischen Pakete beim PING

Adressarten nach Empfänger

Nützliche Befehle

Erreichbarkeit eines Servers prüfen (→ TTL: Time To Live):

ping beispiel.de

Route/Hops zu einem Server prüfen (→ max. 30 Hops):

tracert beispiel.de # traceroute auf linux

MAC-Adresse anzeigen (Layer 2):

ipconfig /all

Hub, Switch und Router

Hub

Ein Hub (Englisch für „Nabe“ oder „Knotenpunkt“) ist ein Netzwerkgerät, das mehrere Hosts innerhalb eines Ethernets miteinander verbindet. In der Netzwerktechnik dient er als Verteiler für die Datenpakete. Hubs arbeiten auf Schicht 1 (Bitübertragungsschicht) des OSI-Modells. Ihre Funktion ist rein auf das Verteilen beschränkt. Sie sind somit nichts anderes als eine einfache Form von Switches oder Routern.

Switch

Ein Netzwerk-Switch ist ein Gerät, das mehrere Computer, Drucker oder andere Netzwerkgeräte miteinander verbindet. Man könnte ihn sich wie eine Art Verteiler vorstellen, der aber nicht einfach nur alle Signale gleichzeitig weiterleitet, sondern ganz gezielt entscheidet, wohin die Datenpakete geschickt werden.

Während ein Hub noch stumpf alles an jedes angeschlossene Gerät schickt, ist ein Switch viel intelligenter. Er „merkt sich“, welches Gerät an welchem Anschluss steckt, und kann dadurch Datenpakete direkt zustellen. So landen die Informationen dort, wo sie gebraucht werden, ohne dass die anderen Geräte gestört werden.

Layer 2 vs Layer 3 Switch

Ein Layer-2-Switch leitet die Datenpakete auf Basis der MAC-Adressen (OSI-Layer-2) weiter. Ein Layer-3-Switch hingegen liest die Ziel-IP-Adresse aus dem Header des IP-Pakets und leitet es zum richtigen Port, er routet also auf OSI-Layer-3.
(Ein Layer-4-Switch kann auch andere Informationen aus dem Header verwenden.)

Mehr dazu: Layer 2 Switch erklärt

Router

Der Router verbindet mindestens zwei Netzwerke (z. B. lokales LAN mit dem Internet/WAN) und entscheidet basierend auf IP-Adressen, wohin Datenpakete gesendet werden. Er arbeitet damit auf der Vermittlungsschicht (Schicht 3) des OSI-Modells.

Aktive vs Passive Netzwerkkomponenten

• aktive Netzwerkkomponenten benötigen eine Stromversorgung
• passive Netzwerkkomponenten benötigen keine Stromversorgung

Videos

Deutsche Erklärung:

Englische Erklärung

Datenmengen berechnen

Dezimal, Hexadezimal und Binär Umrechnungen

Ummrechnung sollte man können. Hoffentlich würd davon ausgegangen das wir dass das zu einfach für uns ist ;)

Datenübertragung

Datengrößen

Rolle von Hertz (Hz) in Aufgaben

Hertz = 1s
→ 44.100 Hz bedeutet:
44.100 Abtastungen pro Sekunde pro Kanal

Übertragungsmedien & Verkabelung

Netzwerkmedien

Leitungsgebunden

• Elektrische Signale (Kupfer)
  • Twisted-Pair-Leitung
  • Koaxial-Leitung
• Optische Signale (Lichtwellenleiter)
  • Multimode-Faser
  • Singlemode-Faser

Nicht leitungsgebunden

• Funk
  • WLAN / WiFi
  • Richtfunk
• Optisch
  • Laserlink

Kollisionserkennung (CSMA)

Entweder:
CSMA/CD (Collision Detection) – Erkennung von Bit-Kollisionen → für Kabel
Oder:
CSMA/CA (Collision Avoidance) – Verhindern von Kollisionen durch Protokoll → für Kabel und Funk

Ablauf CSMA/CD: Leitung abhören → wenn frei: senden → bei Kollision: JAM-Signal senden → Übertragung abbrechen → erneut versuchen (zufällige Wartezeit, festgelegte Anzahl).

Kollisionsdomäne: Bereich eines Netzwerks, in dem Datenkollisionen auftreten können, wenn mehrere Geräte gleichzeitig dasselbe Medium nutzen.

Glasfaser: Multimode vs. Singlemode

• Vorteile Multimode: Einfachere Verbindungstechnik, günstigere Herstellung, Stufen- und Gradientenindexprofil verfügbar.

• Nachteile Multimode: Größere Signaldämpfung, Laufzeitverschiebung, nur kürzere Distanzen.

• Vorteile Singlemode: Geringe Dämpfung, kaum Laufzeitverschiebungen, hohe Bandbreiten, große Distanzen.

• Nachteile Singlemode: Teurere Laser, aufwändigere Herstellung, hohe Präzision beim Verbinden nötig.

Allgemeine Vor- und Nachteile von Lichtwellenleitern

• Vorteile: hohe Übertragungsraten, sehr hohe Reichweite, keine elektromagnetischen Störeinflüsse, höhere Abhörsicherheit.
• Nachteile: hohe mechanische Empfindlichkeit, teurer als Kupfer, kein Power over Ethernet möglich.

CAT-Kabel (Twisted-Pair)

Ein CAT-Kabel ist ein Twisted-Pair-Netzwerkkabel – die Adern sind paarweise verdrillt, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren.

Merke: Ab CAT 6a für Neuinstallationen empfohlen.

Schirmungsarten (Twisted-Pair)

UTP und U/UTP werden in der Praxis oft gleich verwendet – U/UTP ist die präzisere ISO/IEC-Normbezeichnung.

Bilder:

SF/UTP:
F/UTP:

Strukturierte Verkabelung

GF = Glasfaser, TP = Twisted-Pair

Faustregel Primär: 50 % Reserve zum aktuellen Bedarf einplanen.

Ziele der strukturierten Verkabelung:

• Zuverlässige Grundlage für zukünftige Netzwerke
• Einfache Installation von Netzwerkkomponenten
• Flexible Erweiterbarkeit
• Einheitliche, allgemeingültige Verkabelungsstruktur