Netzwerktechnik & OSI-Modell

OSI-7-Schichten-Modell

Das OSI-Modell (Open Systems Interconnection) beschreibt die Datenübertragung in einem Netzwerk in 7 aufeinander aufbauenden Schichten. Jede Schicht erledigt eine klar abgegrenzte Aufgabe und nutzt die Dienste der darunterliegenden Schicht. Merkhilfe von unten nach oben: Alle Systeme Vertrauen Täglich Schnellen Datenübertragungen.

Schicht	Name	Aufgabe	Beispiel
7	Anwendung	Schnittstelle zu Anwendungsprogrammen	HTTP, FTP, DNS, SMTP
6	Darstellung	Datenformat, Kompression, Verschlüsselung	JPEG, ASCII, TLS/SSL
5	Sitzung	Auf-, Ab- und Verwaltung von Sitzungen	RPC, NetBIOS, Session-Handling
4	Transport	Ende-zu-Ende-Verbindung, Segmentierung, Fehlerkontrolle	TCP, UDP
3	Vermittlung	Logische Adressierung, Routing zwischen Netzen	IP, ICMP, Router
2	Sicherung	Physische Adressierung (MAC), Fehlererkennung im Segment	Ethernet, Switch, MAC-Adresse
1	Bitübertragung	Übertragung roher Bits als elektrische/optische Signale	Kabel, Hub, Repeater, WLAN-Funk

Beim Senden werden Daten schichtweise von oben nach unten gekapselt (Encapsulation), beim Empfänger schichtweise wieder entkapselt. Jede Schicht fügt ihren eigenen Header (bzw. Trailer) hinzu.

TCP/IP-Referenzmodell im Vergleich

In der Praxis arbeiten reale Netzwerke nach dem schlankeren TCP/IP-Modell mit nur 4 Schichten. Es fasst mehrere OSI-Schichten zusammen, die Funktionen bleiben aber erhalten.

TCP/IP-Schicht	Entspricht OSI	Beispielprotokolle
Anwendung	7, 6, 5	HTTP, FTP, DNS, SMTP, DHCP
Transport	4	TCP, UDP
Internet	3	IP, ICMP, ARP
Netzzugang	2, 1	Ethernet, WLAN (802.11)

Für die Prüfung gilt: OSI ist das theoretische Referenzmodell zur Fehlersuche und Einordnung von Geräten/Protokollen, TCP/IP ist das praktisch implementierte Modell des Internets.

Wichtige Netzwerkprotokolle

Ethernet (Schicht 2) regelt die Adressierung im lokalen Netz über eindeutige 48-Bit-MAC-Adressen und die Rahmenbildung (Frames).

IP (Internet Protocol, Schicht 3) übernimmt die logische Adressierung und das Routing zwischen unterschiedlichen Netzen. IP selbst arbeitet verbindungslos und liefert keine Zustellgarantie.

TCP vs. UDP

TCP ist verbindungsorientiert: Vor der Datenübertragung wird per Drei-Wege-Handshake (SYN → SYN-ACK → ACK) eine Verbindung aufgebaut. TCP sorgt für Reihenfolge, Flusskontrolle und erneutes Senden verlorener Pakete – ideal für Webseiten, E-Mail oder Dateitransfer. UDP ist verbindungslos: Pakete (Datagramme) werden ohne Handshake und ohne Garantie auf Ankunft oder Reihenfolge verschickt. Dafür ist UDP schneller und hat weniger Overhead – genutzt bei DNS-Anfragen, Streaming oder VoIP.

Protokoll	Port	Funktion
HTTP / HTTPS	80 / 443	Übertragung von Webseiten (HTTPS zusätzlich TLS-verschlüsselt)
DNS	53	Auflösung von Domainnamen in IP-Adressen
DHCP	67 / 68	Automatische Vergabe von IP-Adressen (Ablauf: Discover, Offer, Request, Acknowledge – „DORA")
FTP	20 / 21	Dateitransfer (Steuerkanal 21, Datenkanal 20)
SMTP	25	Versand von E-Mails zwischen Mailservern
POP3	110	Abholen von E-Mails, wird i. d. R. lokal gespeichert/gelöscht
IMAP	143	Serverseitige Verwaltung, E-Mails bleiben synchron auf allen Geräten

IPv4-Adressierung

Eine IPv4-Adresse ist 32 Bit lang und wird in 4 Oktetten als Dezimalzahlen (0–255) dargestellt, z. B. 192.168.10.5. Jede Adresse besteht aus einem Netzanteil und einem Hostanteil, deren Grenze durch die Subnetzmaske festgelegt wird.

Private und öffentliche Adressbereiche

Private Adressen (RFC 1918) sind nicht im Internet routbar und werden in internen Netzen frei verwendet:

• 10.0.0.0/8 – großes privates Netz
• 172.16.0.0/12 – mittleres privates Netz
• 192.168.0.0/16 – kleines privates Netz (typisch Heimrouter)

Öffentliche Adressen werden vom Provider vergeben und sind im Internet eindeutig erreichbar.

Sonderadressen

• 127.0.0.0/8 – Loopback, testet den eigenen Netzwerkstack (127.0.0.1 = „localhost")
• 255.255.255.255 – begrenzter Broadcast, erreicht alle Hosts im lokalen Netz
• 169.254.0.0/16 – APIPA/Link-Local, wird automatisch vergeben, wenn kein DHCP-Server antwortet

Subnetting-Grundlagen

Die Subnetzmaske legt fest, welcher Teil einer IP-Adresse zum Netz und welcher zum Host gehört (Bit-Einsen = Netzanteil). Statt der Maske in Punktschreibweise nutzt man meist die kürzere CIDR-Schreibweise: Die Zahl nach dem Schrägstrich gibt die Anzahl der Netzbits an, z. B. steht /26 für 26 Netzbits und damit 6 verbleibende Hostbits.

Durchgerechnetes Beispiel: 192.168.10.0/26

• Subnetzmaske: 255.255.255.192 (26 Einsen)
• Hostbits: 32 − 26 = 6 → 2⁶ = 64 Adressen im Block
• Netzadresse: 192.168.10.0 (erste Adresse des Blocks)
• Broadcastadresse: 192.168.10.63 (letzte Adresse des Blocks)
• Nutzbare Hostadressen: 192.168.10.1 bis 192.168.10.62 → 2⁶ − 2 = 62 Hosts

Die Formel für nutzbare Hosts lautet allgemein 2^h − 2 (h = Anzahl Hostbits), da Netz- und Broadcastadresse selbst nicht an Endgeräte vergeben werden dürfen.

Datenmengen & Übertragungszeiten berechnen

Für Berechnungsaufgaben rund um Übertragungszeiten muss man zunächst zwischen Bit und Byte unterscheiden: 1 Byte = 8 Bit. Dateigrößen werden fast immer in Byte angegeben (kB, MB, GB), Netzwerk- und Leitungsgeschwindigkeiten dagegen in Bit pro Sekunde (kbit/s, Mbit/s, Gbit/s). Diese Verwechslung ist eine der häufigsten Fehlerquellen in Prüfungsaufgaben.

Formel

Die Übertragungszeit ergibt sich aus dem Verhältnis von Datenmenge zu Übertragungsrate – wichtig ist dabei, dass beide Größen in derselben Einheit (Bit) vorliegen:

• Übertragungszeit = Datenmenge / Übertragungsrate

Durchgerechnetes Beispiel

Aufgabe: Wie lange dauert die Übertragung einer 500-MB-Datei über eine 16-Mbit/s-Leitung?

1. Datenmenge in Bit umrechnen: 500 MB × 8 = 4.000 Mbit (1 Byte = 8 Bit, beide Größen nutzen hier dezimal denselben Präfix „M")
2. Formel anwenden: 4.000 Mbit ÷ 16 Mbit/s = 250 s
3. Ergebnis umrechnen: 250 s ÷ 60 = 4,17 min ≈ 4 min 10 s

Die Übertragung dauert also rund 4 Minuten und 10 Sekunden. In der Praxis liegt die tatsächlich nutzbare Übertragungsrate meist unter der nominal angegebenen Leitungsgeschwindigkeit, da Protokoll-Overhead (Header, Bestätigungen, Fehlerkorrektur) einen Teil der Bandbreite verbraucht – die reale Übertragungszeit fällt also oft etwas länger aus.

Netzwerkstörungen systematisch eingrenzen

Bei der Fehlersuche im Netzwerk hilft das OSI- bzw. TCP/IP-Modell als Leitfaden, um eine Störung schrittweise einzugrenzen, statt wahllos zu testen. Man geht dabei entweder Bottom-up (von Schicht 1 aufwärts) oder Top-down (von der Anwendung abwärts) vor.

Bottom-up-Vorgehen

1. Physische Ebene prüfen: Kabel richtig gesteckt, Link-LED aktiv, Verbindung besteht (Schicht 1)
2. IP-Konfiguration prüfen: korrekte IP-Adresse, Subnetzmaske, Gateway vorhanden (Schicht 3)
3. Erreichbarkeit prüfen: lässt sich das Ziel im Netzwerk erreichen, funktioniert das Routing dorthin?
4. Anwendungsebene prüfen: läuft der benötigte Dienst, ist der Port offen, antwortet die Anwendung? (Schicht 7)

Beim Top-down-Vorgehen startet man umgekehrt bei der Anwendung und arbeitet sich bis zur Bitübertragungsschicht durch, falls sich der Fehler nicht sofort eingrenzen lässt.

Wichtige Diagnosewerkzeuge

• ping – prüft die grundsätzliche Erreichbarkeit eines Zielsystems
• tracert / traceroute – zeigt den Weg (alle Zwischenstationen) zu einem Ziel und hilft, die Stelle einer Unterbrechung zu finden
• ipconfig / ifconfig – zeigt die lokale IP-Konfiguration (Adresse, Maske, Gateway) an
• nslookup – prüft die Namensauflösung über DNS

Grundgedanke der systematischen Fehlersuche ist stets der Vergleich zwischen dem Ist-Zustand und einem bekannten Soll-Zustand bzw. einer dokumentierten Baseline (z. B. „normalerweise antwortet der Server in unter 10 ms"). Nur so lässt sich eine Abweichung objektiv erkennen, nachvollziehbar eingrenzen und für die Dokumentation festhalten.

Topologien, Übertragungsmedien & Komponenten

Netzwerktopologien

• Stern – alle Geräte an einem zentralen Switch. Vorteil: einfache Fehlersuche, Ausfall eines Kabels betrifft nur ein Gerät. Nachteil: zentrales Gerät ist Single Point of Failure.
• Bus – alle Geräte an einem gemeinsamen Kabelstrang. Vorteil: geringer Verkabelungsaufwand. Nachteil: ein Kabelbruch legt das gesamte Segment lahm, gemeinsame Kollisionsdomäne.
• Ring – Geräte in geschlossenem Kreis verbunden, Daten laufen von Knoten zu Knoten. Vorteil: definierte Übertragungszeiten (z. B. Token Ring). Nachteil: Ausfall eines Knotens kann den ganzen Ring stören, heute kaum noch im Einsatz.
• Mesh (Vermascht) – jedes Gerät ist mit mehreren/allen anderen verbunden. Vorteil: hohe Ausfallsicherheit durch Redundanz. Nachteil: hoher Verkabelungs- und Verwaltungsaufwand.

Übertragungsmedien und WLAN

Bei Kupferkabeln (Twisted Pair) bestimmt die Kategorie die maximale Geschwindigkeit: Cat5e (bis 1 Gbit/s), Cat6/Cat6a (bis 10 Gbit/s), jeweils bei max. 100 m Segmentlänge. Glasfaser überträgt Licht statt Strom, erreicht deutlich größere Distanzen und ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen – unterschieden wird zwischen Multimode (kurze/mittlere Strecken) und Singlemode (Fernverbindungen). Bei WLAN definiert der Standard IEEE 802.11 (mit Zusätzen a/b/g/n/ac/ax) Übertragungsraten und genutzte Frequenzbänder, üblich sind 2,4 GHz (größere Reichweite, mehr Störungen) und 5 GHz (höhere Geschwindigkeit, geringere Reichweite).

Netzwerkkomponenten

Komponente	OSI-Schicht	Funktion
Hub / Repeater	1	Signal verstärken/verteilen, alle Ports bilden eine gemeinsame Kollisionsdomäne
Switch	2	Leitet Frames anhand der MAC-Adresstabelle gezielt weiter, eigene Kollisionsdomäne je Port
Access Point	2	Bindet WLAN-Clients an ein kabelgebundenes Netz an
Router	3	Verbindet unterschiedliche Netze, trifft Routing-Entscheidungen anhand der IP-Adresse