Test_12.10.26

Lernunterlage Systeme und Netze

Stoffumfang und Verwendung

Diese Lernunterlage verbindet die Inhalte der vier Präsentationen und des Skriptums: Netzstrukturen, Schichtenmodelle, Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht bis zu redundanten Topologien und Layer-2-Schleifen. Sie enthält Erklärungen, Vergleiche, Rechenbeispiele, die Packet-Tracer-Aufgabe und Fragen mit Lösungen.

Hinweis zum Stoffende: Die Präsentation „4. Sicherungsschicht – bis STP“ endet nach den Folgen von Layer-2-Schleifen. Auch der Haupttext des Skriptums endet dort. STP, RSTP und weiterführende VLAN-Themen stehen zwar im Titel oder in den Lernzielen, werden aber nicht vollständig ausgeführt. Abschnitt 5 ist deshalb eine ergänzende Einführung in STP und RSTP, kein Nachweis, dass diese Details tatsächlich geprüft werden. VLAN-Grundbegriffe sind enthalten, weil sie bereits für Frames, Switching und Broadcast Domains benötigt werden.

So lernst du damit: Lies zuerst die Kapitel 1 bis 4. Erkläre anschließend Beispiele ohne nachzuschauen und rechne die Aufgaben selbst. Beantworte die Fragen in Abschnitt 8, bevor du die Lösungen liest. Nutze Abschnitt 7 für die letzte Wiederholung.

Inhaltsverzeichnis

1. Netzstrukturen
2. Schichtenmodelle
3. Bitübertragungsschicht
4. Sicherungsschicht
5. STP und RSTP als Ergänzung
6. Praxisbeispiel mit zwei IP-Netzen
7. Kompakte Wiederholung und Begriffsfallen
8. Übungsfragen und Aufgaben
9. Lösungen
10. Lerncheck
11. Quellen und fachliche Präzisierungen

1 Netzstrukturen

1.1 Was ist ein Computernetz

Ein Computernetz verbindet mehrere Geräte, damit sie Daten austauschen und gemeinsame Ressourcen nutzen können. Die Verbindungen können kabelgebunden oder drahtlos sein.

Typische Zwecke:

• Datenaustausch: Dateien übertragen, gemeinsam speichern und bearbeiten.
• Gemeinsame Geräte: Drucker und andere Peripheriegeräte verwenden.
• Internetzugang: Eine Verbindung für mehrere Endgeräte bereitstellen.
• Serverdienste: Webseiten, E-Mail, DNS, DHCP und zentrale Anmeldung anbieten.
• Datenbanken: Strukturierte Informationen zentral abfragen und bearbeiten.
• Cloud-Anwendungen: Speicher und Anwendungen in entfernten Rechenzentren nutzen.

1.2 Klassifikation von Netzen

Netze lassen sich nach mehreren unabhängigen Merkmalen beschreiben:

Merkmal	Beispiele
Geografische Ausdehnung	PAN, LAN, MAN, WAN
Netzwerkmodell	Peer-to-Peer, Client-Server
Übertragungsmedium	Kupfer, Glasfaser, Funk
Eigentum und Verwaltung	Privatperson, Schule, Unternehmen, Provider
Einsatzzweck	Heimnetz, Schulnetz, Firmennetz

Ein Schulnetz kann gleichzeitig ein LAN, ein Client-Server-Netz und ein Netz mit Kupfer, Glasfaser und WLAN sein. Diese Begriffe beantworten unterschiedliche Fragen.

1.3 PAN LAN MAN und WAN

Abkürzung	Vollständiger Name	Typischer Bereich	Beispiele	Häufige Technik
PAN	Personal Area Network	Persönliches Umfeld	Smartphone mit Kopfhörern oder Smartwatch	Bluetooth, USB, NFC, WLAN Direct
LAN	Local Area Network	Raum, Gebäude, Standort oder kleiner Campus	Heimnetz, Schulnetz, Firmennetz an einem Standort	Ethernet, WLAN, Glasfaser
MAN	Metropolitan Area Network	Stadt oder größere Region	Verbindung kommunaler Gebäude oder städtischer Firmenstandorte	Metro Ethernet, Glasfaser, Richtfunk
WAN	Wide Area Network	Größere Entfernungen, mehrere Städte, Länder oder Kontinente	Internationales Firmennetz, Internet	Provider-Verbindungen, Standleitungen, VPN, MPLS, Mobilfunk, Satellit

PAN: Wenige Geräte im unmittelbaren Umfeld einer Person. NFC ermöglicht kontaktnahe Kommunikation, Bluetooth beispielsweise die Verbindung zu Kopfhörern.

LAN: Räumlich begrenztes Netz unter gemeinsamer Verwaltung. Eine Schule oder Firma betreibt ihre lokale Infrastruktur selbst. Ein Backbone ist eine zentrale Verbindungsstrecke zwischen Netzwerkbereichen, häufig aus Glasfaser.

MAN: Verbindet lokale Netze innerhalb einer Stadt oder Region. Der Begriff wird in der Praxis seltener verwendet als LAN und WAN.

WAN: Verbindet räumlich weit auseinanderliegende Netze. Häufig stellt ein Telekommunikationsanbieter die Verbindung bereit. Ein VPN ermöglicht eine geschützte logische Verbindung über das Internet. MPLS ist eine Technik zur gesteuerten Weiterleitung in Provider-Netzen.

Wichtig: Die Kategorien haben keine allgemein verbindlichen Kilometergrenzen. Ausdehnung, Einsatzzweck und organisatorische Kontrolle sind gemeinsam entscheidend.

Beispiel: Ein Unternehmen besitzt Standorte in Brixen, Bozen und Innsbruck. Jeder Standort hat sein eigenes LAN. Die Verbindung zwischen den Standorten bildet ein WAN.

WLAN steht für Wireless Local Area Network und beschreibt die drahtlose Technik eines lokalen Netzes. Ein LAN kann kabelgebundene und drahtlose Geräte enthalten.

1.4 Peer-to-Peer

Bei Peer-to-Peer, P2P, können Teilnehmer Dienste anbieten und zugleich Dienste anderer Teilnehmer nutzen. Die Peers sind grundsätzlich gleichberechtigt. Ein dauerhaft zentraler Server ist nicht zwingend erforderlich.

Beispiel: Computer A gibt einen Ordner frei, auf den B zugreift. B stellt gleichzeitig einen Drucker bereit, den A verwendet. Bei der Dateifreigabe bietet A einen Dienst an. Beim Druckauftrag nutzt A einen Dienst.

Weitere Beispiele sind BitTorrent und bestimmte dezentrale Kommunikationssysteme.

Vorteile:

• Geringe Kosten und schneller Einstieg für kleine Umgebungen.
• Kein eigener zentraler Server zwingend notwendig.
• Direkter Ressourcenaustausch.

Nachteile:

• Benutzerkonten und Berechtigungen sind häufig dezentral verteilt.
• Backups sind schwieriger zu koordinieren.
• Sicherheitsrichtlinien lassen sich schwerer einheitlich umsetzen.
• Viele Geräte erhöhen den Verwaltungsaufwand.
• Eine Freigabe kann verschwinden, sobald der entsprechende Peer ausgeschaltet wird oder ausfällt.

Geeignet: Wenige Geräte, einfacher Austausch, geringe Anforderungen an zentrale Verwaltung und Verfügbarkeit.

1.5 Client-Server

Beim Client-Server-Modell stellt ein Server einen Dienst bereit. Ein Client fordert diesen Dienst an.

• Server: Programm oder Prozess, der Dienste anbietet und Anfragen entgegennimmt.
• Client: Programm oder Prozess, der einen Dienst anfordert.

Client und Server beschreiben zunächst Software-Rollen. Ein physischer Computer kann gleichzeitig einen Browser als Client und eine Dateifreigabe als Server betreiben.

Ablauf:

1. Der Server startet seinen Dienst und wartet auf Anfragen.
2. Der Client sendet eine Anfrage.
3. Der Server verarbeitet sie und prüft gegebenenfalls Berechtigungen.
4. Der Server sendet ein Ergebnis oder eine Fehlermeldung.
5. Der Client zeigt das Ergebnis an oder verarbeitet es weiter.

Dienst	Aufgabe	Beispielprotokolle
Webserver	Webseiten und Web-APIs liefern	HTTP, HTTPS
Dateiserver	Dateien zentral bereitstellen	SMB, NFS
Mailserver	E-Mails versenden und Postfächer bereitstellen	SMTP, IMAP
DNS-Server	Namen in IP-Adressen auflösen	DNS
DHCP-Server	Netzwerkkonfiguration automatisch verteilen	DHCP
Datenbankserver	Strukturierte Daten und Abfragen verarbeiten	Datenbankspezifische Protokolle

DNS und DHCP unterscheiden: DNS beantwortet beispielsweise „Welche IP-Adresse gehört zu diesem Namen?“. DHCP liefert einem Gerät beispielsweise IP-Adresse, Netzmaske, Gateway und DNS-Server.

Vorteile: Zentrale Benutzer- und Rechteverwaltung, zentrale Datensicherung, einheitliche Sicherheitsrichtlinien, gezielte Überwachung und gute Skalierbarkeit.

Nachteile: Höhere Kosten, mehr Fachwissen und Abhängigkeit von zentralen Diensten. Ein Ausfall kann viele Benutzer gleichzeitig betreffen.

1.6 Vergleich und Auswahl

Merkmal	Peer-to-Peer	Client-Server
Organisation	Eher dezentral	Dienste eher zentral
Typischer Einsatz	Kleine, einfache Umgebungen	Mittlere und große Umgebungen
Benutzer und Rechte	Häufig auf mehreren Geräten	Zentral organisierbar
Datensicherung	Schwerer zu koordinieren	Zentral planbar
Kosten	Meist geringer	Meist höher
Skalierbarkeit	In einfachen P2P-Umgebungen begrenzt	In der Regel besser
Sicherheit	Schwerer einheitlich zu steuern	Zentraler steuerbar
Verfügbarkeit	Abhängig von den einzelnen Peers	Abhängig von Serverarchitektur und Ausfallvorsorge

Testantwort für ein Schulnetz: Client-Server eignet sich, weil viele Benutzerkonten, gemeinsame Dateiablagen, Druckdienste und Lernplattformen zentral verwaltet werden können. Zugriffsrechte und Backups lassen sich einheitlich organisieren. Wichtige Dienste benötigen Ausfallvorsorge.

Ein Single Point of Failure ist eine einzelne Komponente, deren Ausfall einen ganzen Dienst oder Bereich lahmlegt. Beispiel: Der einzige Dateiserver fällt aus.

Ausfallvorsorge umfasst:

• Redundanz: Ersatzkomponenten oder alternative Wege bereitstellen.
• Backup: Daten für eine Wiederherstellung sichern.
• Monitoring: Zustand und Fehler überwachen.
• Wiederherstellungsplan: Schritte zur Wiederinbetriebnahme festlegen.

Redundanz und Backup erfüllen verschiedene Zwecke: Ein zweiter Server kann die Verfügbarkeit erhöhen. Ein Backup hilft, gelöschte oder beschädigte Daten wiederherzustellen.

Reale Netze enthalten häufig Mischformen: zentrale Anmeldung und Dateiserver, daneben ein direkter Austausch zwischen zwei Geräten.

Merksatz: PAN, LAN, MAN und WAN beschreiben die Ausdehnung. P2P und Client-Server beschreiben die Zusammenarbeit.

2 Schichtenmodelle

2.1 Warum Schichten

Netzwerkkommunikation umfasst viele Aufgaben: Daten erzeugen, Anwendungen unterscheiden, Rechner adressieren, Wege bestimmen, Frames bilden und Signale übertragen.

Ein Schichtenmodell teilt diese Aufgaben in überschaubare Bereiche. Jede Schicht nutzt Dienste der darunterliegenden Schicht und bietet der darüberliegenden Schicht eigene Dienste an.

Vorteile:

• Komplexe Abläufe werden verständlicher.
• Aufgaben und Schnittstellen sind klar abgegrenzt.
• Technologien können leichter ausgetauscht oder weiterentwickelt werden.
• Standards ermöglichen die Zusammenarbeit verschiedener Hersteller, also Interoperabilität.
• Geräte, Protokolle und Fehler lassen sich systematisch einordnen.

Beispiel: Wird eine Kupferverbindung durch Glasfaser ersetzt, müssen HTTP und der Browser normalerweise nicht neu entwickelt werden.

2.2 Dienst Protokoll und Schnittstelle

Begriff	Bedeutung	Beispiel
Dienst	Funktion, die eine Schicht einer höheren Schicht anbietet	TCP stellt einen zuverlässigen Transport bereit
Protokoll	Regeln für die Kommunikation gleichrangiger Schichten	TCP-Regeln zu Reihenfolge, Bestätigung und Wiederholung
Schnittstelle	Definierter Übergang zwischen benachbarten Schichten	Eine Anwendung übergibt Daten an die Transportfunktion

Ein Netzwerkprotokoll legt unter anderem fest:

• Aufbau von Nachrichten, Headern und Nutzdaten.
• Adressierung von Sender, Empfänger und Anwendungen.
• Bedeutung von Feldern und Statuswerten.
• Reihenfolge des Nachrichtenaustauschs.
• Reaktion auf Fehler.
• Beginn und Ende einer Kommunikation, sofern das Protokoll Verbindungen vorsieht.

2.3 Das OSI-Modell

OSI = Open Systems Interconnection. Das von der ISO, International Organization for Standardization, entwickelte Referenzmodell besitzt sieben Schichten. Es dient besonders der Erklärung, Planung und Fehlersuche.

Nr.	Deutsch	Englisch	Hauptaufgaben	Beispiele
7	Anwendungsschicht	Application Layer	Netzwerkdienste für Anwendungen	HTTP, DNS, SMTP, IMAP, SSH, DHCP, NTP, SNMP
6	Darstellungsschicht	Presentation Layer	Kodierung, Datenformate, Serialisierung, Kompression, Verschlüsselung	UTF-8, JSON, XML, JPEG, PNG, TLS als funktionales Beispiel
5	Sitzungsschicht	Session Layer	Logische Sitzungen aufbauen, steuern, synchronisieren, wiederaufnehmen und beenden	Sitzungssteuerung
4	Transportschicht	Transport Layer	Prozesse adressieren, Daten transportieren, je nach Protokoll Reihenfolge und Zuverlässigkeit sichern	TCP, UDP, QUIC als Transportmechanismus
3	Vermittlungsschicht	Network Layer	IP-Adressierung, Routing, Weiterleitung zwischen Netzen	IPv4, IPv6, ICMP, Router, Layer-3-Switch
2	Sicherungsschicht	Data Link Layer	Frames, lokale Adressierung, Medienzugriff, Fehlererkennung, Switching	Ethernet-MAC, WLAN, PPP, VLAN, Switch, Bridge, Access Point
1	Bitübertragungsschicht	Physical Layer	Bits als physische Signale übertragen	Kupfer, Glasfaser, Funk, Repeater, Hub, PHY

Reihenfolge von unten nach oben: Bitübertragung, Sicherung, Vermittlung, Transport, Sitzung, Darstellung, Anwendung.

Reihenfolge von oben nach unten: Anwendung, Darstellung, Sitzung, Transport, Vermittlung, Sicherung, Bitübertragung.

2.4 Aufgaben der sieben Schichten

Schicht 1: Überträgt Bits zwischen direkt verbundenen Interfaces. Sie betrifft Kabel, Stecker, Frequenzen, Signalpegel, Codierung, Bitrate und physische Verbindung. Sie wertet keine MAC-Adressen, IP-Adressen oder Portnummern aus.

Schicht 2: Bildet Frames, adressiert lokal mit MAC-Adressen, regelt Medienzugriff und erkennt beschädigte Frames. Switches leiten Frames im lokalen Netz weiter. VLANs erlauben die logische Trennung.

Schicht 3: Verwendet logische IP-Adressen und leitet Pakete über Netzgrenzen weiter. Ein Router entscheidet anhand der Ziel-IP-Adresse, welcher nächste Weg geeignet ist. TTL beziehungsweise Hop Limit begrenzt die Lebensdauer von IP-Paketen. ICMP liefert Fehler- und Statusmeldungen und wird bei Ping verwendet.

IP arbeitet verbindungslos nach Best Effort. Es garantiert weder Zustellung noch Reihenfolge oder einmalige Zustellung. IP fordert verlorene Pakete selbst nicht erneut an.

Schicht 4: Ordnet Daten mithilfe von Portnummern den richtigen Anwendungen beziehungsweise Prozessen zu. Sie übernimmt je nach Protokoll Segmentierung, Zusammensetzen, Reihenfolge, Wiederholung, Flusssteuerung und Staukontrolle.

• Flusssteuerung: Verhindert, dass der Sender den Empfänger überfordert.
• Staukontrolle: Passt das Senden an die Belastung des Netzwerks an.

Merkmal	TCP	UDP
Vollständiger Name	Transmission Control Protocol	User Datagram Protocol
Arbeitsweise	Verbindungsorientiert	Verbindungslos
Übertragung	Zuverlässiger, geordneter Byte-Strom	Einzelne Datagramme
Wiederholung verlorener Daten	Durch TCP	Keine eigene Wiederholung durch UDP
Reihenfolge	Geordnete Bereitstellung	Keine eigene Reihenfolgegarantie
Aufwand	Mehr Verwaltungsaufwand	Geringerer Protokollaufwand

QUIC ist ein Transportmechanismus auf Basis von UDP und wird unter anderem bei HTTP/3 verwendet. Eine Anwendung kann auf UDP zusätzliche Zuverlässigkeit aufbauen.

Schicht 5: Verwaltet logische Sitzungen, etwa deren Aufbau, Synchronisation, Wiederaufnahme und Ende. Eine logische Anwendungssitzung ist nicht automatisch dasselbe wie eine TCP-Verbindung.

Schicht 6: Legt die Darstellung und Umwandlung von Daten fest. Beispiele: UTF-8 für Zeichen, JSON/XML für strukturierte Daten, Kompression und Verschlüsselung. Serialisierung bedeutet, strukturierte Daten in eine übertragbare Darstellung umzuwandeln.

Schicht 7: Stellt Netzwerkdienste für Programme bereit.

Protokoll	Zweck
HTTP / HTTPS	Webinhalte übertragen, bei HTTPS geschützt
DNS	Namen auflösen
SMTP	E-Mails versenden
IMAP	Auf E-Mail-Postfächer zugreifen
SSH	Verschlüsselter Fernzugriff
DHCP	Automatische Netzwerkkonfiguration
NTP	Zeitsynchronisation
SNMP	Netzwerküberwachung und Verwaltung

Ein Browser ist ein ganzes Anwendungsprogramm. Er nutzt Protokolle der Anwendungsschicht und weitere Funktionen des Protokollstapels. Er ist deshalb nicht vollständig mit „Schicht 7“ gleichzusetzen.

2.5 Das TCP/IP-Modell

TCP/IP beschreibt die praktisch eingesetzte Architektur der Internetprotokollfamilie.

Klassische TCP/IP-Schicht	Entsprechende OSI-Schichten	Aufgaben und Beispiele
Anwendung	5, 6, 7	Dienste, Datenformate und Sitzungen, z. B. HTTP, DNS, SMTP
Transport	4	Prozesskommunikation, TCP und UDP
Internet	3	Adressierung und Weiterleitung, IPv4, IPv6, ICMP
Netzzugang	1 und 2	Lokale Frames und physische Übertragung, Ethernet, WLAN, PPP

Im Fünf-Schichten-Lehrmodell wird die Netzzugangsschicht aufgeteilt:

1. Bitübertragung
2. Sicherung
3. Vermittlung
4. Transport
5. Anwendung

Merken: OSI hat sieben Schichten, klassisches TCP/IP vier, das Lehrmodell fünf. Die Zuordnung ist eine didaktische Vereinfachung. Reale Protokolle passen nicht immer vollständig in genau eine OSI-Schicht. TLS wird hier seiner Verschlüsselungsfunktion entsprechend bei Darstellung eingeordnet. In TCP/IP-Systemen liegt diese Funktion häufig in Bibliotheken im Anwendungsbereich.

Historischer Überblick aus den Unterlagen:

Zeitpunkt	Ereignis
1969	ARPANET nimmt den Betrieb auf
1970er-Jahre	Entwicklung von TCP/IP, später Trennung von TCP und IP
1981	IPv4 in RFC 791 und TCP in RFC 793 spezifiziert
1. Januar 1983	ARPANET stellt auf TCP/IP um
Danach	Verbreitung in Forschungsnetzen, Betriebssystemen und Internet

Eine RFC, Request for Comments, ist ein Dokument der technischen Internetdokumentation. Die genannten RFCs sind historische Spezifikationen, keine Aussage über die jeweils neueste Fassung.

2.6 Vertikale und horizontale Kommunikation

Vertikal: Daten werden innerhalb eines Geräts zwischen benachbarten Schichten übergeben. Beispiel: Anwendung an TCP, TCP an IP, IP an Ethernet, Ethernet an die physische Übertragung.

Logisch horizontal: Gleichrangige Protokolle auf den Gegenstellen kommunizieren nach gemeinsamen Regeln. TCP auf dem Sender arbeitet logisch mit TCP auf dem Empfänger zusammen. Tatsächlich laufen die Daten durch die unteren Schichten.

Ethernet gilt für den jeweiligen lokalen Übertragungsabschnitt. Es ist bei einer gerouteten Verbindung kein durchgängiger Frame vom ursprünglichen Sender bis zum entfernten Ziel.

2.7 PDU und Kapselung

PDU = Protocol Data Unit, also Protokolldateneinheit.

Schicht	Bezeichnung
OSI 5 bis 7	Daten oder Nachricht
Transport mit TCP	Segment
Transport mit UDP	Datagramm
Vermittlung / Internet	IP-Paket oder IP-Datagramm
Sicherung	Frame
Bitübertragung	Bits beziehungsweise Signale

Kapselung, Encapsulation: Beim Sender ergänzt jede beteiligte Protokollebene eigene Steuerinformationen. Ein Header steht vor den Nutzdaten. Ethernet fügt zusätzlich einen Trailer mit FCS an.

Anwendungsnachricht: [ HTTP-Header | Daten ]
TCP-Segment:        [ TCP-Header | HTTP-Header | Daten ]
IP-Paket:           [ IP-Header | TCP-Header | HTTP-Header | Daten ]
Ethernet-Frame:     [ Ethernet-Header | IP-Paket | FCS ]
Physische Ebene:   Bits als elektrische, optische oder Funksignale

Die gesamte PDU der höheren Schicht wird zur Nutzlast der unteren Schicht. Das TCP-Segment ist beispielsweise die Nutzlast des IP-Pakets.

Entkapselung, Decapsulation: Der Empfänger geht in umgekehrter Richtung vor:

1. Signale empfangen und Bits bereitstellen.
2. Frame auswerten, einschließlich MAC-Informationen und FCS.
3. IP-Paket auswerten.
4. TCP-Segment oder UDP-Datagramm verarbeiten.
5. Nutzdaten an die Anwendung übergeben.

Jede Schicht wertet vor allem die für sie bestimmten Informationen aus.

2.8 MAC IP und Port

Information	Ebene	Welche Frage beantwortet sie
MAC-Adresse	Schicht 2	Welches Interface ist im aktuellen lokalen Abschnitt das Ziel?
IP-Adresse	Schicht 3	Welches IP-Ziel soll über Netze hinweg erreicht werden?
Portnummer	Schicht 4	Welcher Dienst oder Prozess soll die Daten erhalten?

Merksatz: MAC für den lokalen Abschnitt, IP für das Ziel über Netzgrenzen hinweg, Port für den Prozess.

Beim Routing:

• Der Router entfernt die bisherige Layer-2-Verpackung.
• Er verarbeitet das IP-Paket und bestimmt den nächsten Weg.
• Er bildet für den nächsten Abschnitt einen neuen Frame mit neuen lokalen MAC-Adressen.
• Quell- und Ziel-IP bleiben bei normaler Weiterleitung ohne NAT grundsätzlich erhalten. Der IP-Header kann sich trotzdem ändern, beispielsweise die TTL.

Ein normaler Layer-2-Switch ersetzt die Quell- und Ziel-MAC eines weitergeleiteten Frames dagegen nicht durch seine eigene MAC-Adresse.

2.9 Beispiel eines HTTPS-Aufrufs

1. Der Browser benötigt die IP-Adresse zum eingegebenen Namen. DNS kann sie liefern, sofern sie nicht bereits bekannt ist.
2. Die Anwendung erzeugt eine HTTP-Anfrage. TLS schützt die HTTPS-Kommunikation.
3. Bei HTTPS über TCP wird eine TCP-Verbindung verwendet. Der Zielport ist normalerweise 443, der Quellport ein dynamischer Clientport. HTTP/3 verwendet QUIC über UDP.
4. IP ergänzt Quell- und Ziel-IP-Adresse.
5. Liegt das Ziel außerhalb des lokalen Netzes, adressiert der erste Ethernet-Frame das Standardgateway als lokales Ziel.
6. Der Frame wird als Signale übertragen.
7. Jeder Router bildet für den nächsten Abschnitt einen neuen Frame.
8. Das Zielsystem entkapselt die Daten und verarbeitet die Anfrage.

2.10 Fehlersuche nach Schichten

Schicht	Was prüfen	Werkzeuge oder Hinweise
1	Kabel, Stecker, Link, Funkverbindung, Signalstärke	Sichtprüfung, Link-LED, Kabeltester
2	Adapter, Access Point, VLAN, MAC-Tabelle	Adapterstatus, Switch-Tabelle, VLAN-Zuordnung
3	IP-Adresse, Präfix/Netzmaske, Gateway, Routing	ipconfig, ip, ping, tracert, traceroute
4	Port, Verbindung, Firewall	Test-NetConnection, nc, ss, netstat
7	DNS, URL, Webdienst, Anwendungsantwort	nslookup, dig, Browser, curl

Typische Interpretation:

• Kein Link: Kabel, Port, Adapter oder Modul untersuchen.
• Gateway nicht erreichbar: Lokale Übertragung und IP-Konfiguration prüfen, besonders Schicht 2 und 3.
• Ziel-IP erreichbar, Name funktioniert nicht: DNS untersuchen.
• Ping funktioniert, TCP-Port 443 nicht: Firewall, Dienst und Port prüfen.
• Port erreichbar, HTTP-Fehler: Anwendung, URL und Antwort prüfen.

Ein einzelnes Testergebnis ist ein Hinweis. Ein fehlgeschlagener Ping kann beispielsweise auch durch eine ICMP-Filterung entstehen. Ein erfolgreicher Ping beweist weder die Funktion der Webanwendung noch die volle Leistung des Links.

3 Bitübertragungsschicht

3.1 Ethernet IEEE und PHY

Ethernet ist eine Familie von Standards für kabelgebundene lokale Netze. Sie umfasst Funktionen auf OSI-Schicht 1 und 2.

• Schicht 1: Übertragungsmedien, Stecker, Signale, Codierung, Datenraten und Reichweiten.
• Schicht 2: Frames, MAC-Adressen, Medienzugriff und Fehlererkennung.

Ethernet besteht aus einer gemeinsamen MAC-Spezifikation und unterschiedlichen PHY-Varianten. PHY bezeichnet die physische Übertragungstechnik. Ein Ethernet-Frame kann über unterschiedliche physische Medien übertragen werden.

IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers. Die 1963 gegründete Fachorganisation entwickelt unter anderem Standards für Elektrotechnik, Elektronik, Telekommunikation und Informatik. IEEE 802 behandelt lokale und städtische Netze.

Standardfamilie	Zuordnung
IEEE 802.3	Ethernet
IEEE 802.11	WLAN
IEEE 802.1Q	Bridges und VLANs, einschließlich zugehöriger Verfahren
IEEE 802.1D	Historische Grundlagen von Bridging und klassischem STP
IEEE 802.1w	Historische RSTP-Erweiterung, später in Bridge-Standards übernommen

3.2 Übertragung von Bits

Die Bitübertragungsschicht überträgt Bits zwischen direkt verbundenen Interfaces. Dafür werden Bitfolgen codiert und als physische Signale gesendet. Die Gegenstelle erkennt und decodiert diese Signale.

Bits beim Sender -> Codierung -> Signal im Medium -> Decodierung -> Bits beim Empfänger

Medium	Signalform	Typische Verwendung
Kupfer	Elektrische Signale	Ethernet-Anschluss von Endgeräten
Glasfaser	Optische Signale	Backbone, Gebäude- und Standortverbindungen
Funk	Elektromagnetische Wellen	WLAN, Bluetooth, Mobilfunk

Schicht 1 legt auch Übertragungsgeschwindigkeit, Leitungslänge, Steckverbindungen und Duplexbetrieb fest. Sie trifft keine Entscheidung anhand von MAC oder IP.

3.3 Kupfer und Twisted Pair

Twisted Pair bedeutet verdrillte Adernpaare. Typische Ethernet-Patchkabel enthalten vier Paare, also acht Adern. Die Verdrillung reduziert äußere Störeinflüsse und das Übersprechen zwischen Adernpaaren.

Typischer Stecker: 8P8C, im Alltag meist RJ45 genannt.

Vorteile: Kostengünstig, flexibel, einfach zu installieren und weit verbreitet.

Grenzen: Elektromagnetische Störungen, Dämpfung, beschädigte Kontakte und schlechte Installation können die Übertragung beeinträchtigen. Die zulässige Länge hängt vom Standard und vom gesamten Kanal ab.

Kategorie	Einordnung aus den Unterlagen
Cat 5e	Häufig für 1000BASE-T, also 1 Gbit/s
Cat 6	1 Gbit/s, 10 Gbit/s auf begrenzten Strecken
Cat 6A	10GBASE-T über die übliche Kanallänge
Cat 7 / 7A	Geschirmte Installationskabel, passende Stecksysteme und Normumgebung beachten
Cat 8	25/40-Gbit/s-Kupferverbindungen auf kurzen Rechenzentrumsstrecken

Wichtig: Die aufgedruckte Kabelkategorie allein garantiert keine Datenrate. Kabel, Dosen, Patchfelder, Patchkabel, Länge und Installationsqualität bilden gemeinsam den Übertragungskanal.

3.4 Glasfaser

Glasfaser überträgt Lichtsignale. Die Faser ist elektrisch nicht leitend und ermöglicht galvanische Trennung, also eine Verbindung ohne leitende elektrische Verbindung zwischen den Geräten.

Vorteile: Hohe Datenraten, große Reichweiten und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.

Zu beachten: Saubere Stecker und Faserenden, zulässiger Biegeradius, Zugbelastung, kompatible Faser und Optik. Verschmutzte Stirnflächen können einen optischen Link verhindern oder instabil machen.

Merkmal	Multimode	Singlemode
Kern	Größer	Kleiner
Typischer Einsatz	Kürzere Gebäudestrecken, Rechenzentrum	Große Entfernungen
Typische Wellenlängen in den Folien	Häufig 850 nm	Häufig 1310 oder 1550 nm
Faserbezeichnung	OM-Faser	OS-Faser

Die Wellenlängen sind typische Beispiele. Faserart, Wellenlänge, Geschwindigkeit und Transceiver müssen zusammenpassen. Eine passende Steckform allein reicht nicht.

3.5 Geräte und Komponenten

Komponente	Aufgabe
Repeater	Empfängt, regeneriert und überträgt ein physisches Signal weiter
Hub	Gibt ein empfangenes Signal an alle anderen Ports weiter, ohne Zieladressauswertung
Medienkonverter	Verbindet unterschiedliche Übertragungsmedien, etwa Kupfer und Glasfaser
Transceiver	Sende- und Empfangsmodul zur Anbindung an das Medium, bei optischen Modulen Umwandlung elektrischer und optischer Signale
Kabel und Steckverbinder	Stellen die physische Verbindung her

Beispiele für Modulbauformen sind SFP, SFP+ und QSFP. Ein inkompatibles Modul kann trotz passender Steckform zu einem fehlenden Link führen.

Ein Switch arbeitet hauptsächlich auf Schicht 2, besitzt aber auch physische Ports und PHY-Komponenten. Die Zuordnung bezeichnet seine wesentliche Weiterleitungsfunktion.

3.6 Ethernet-Bezeichnungen lesen

Beispiel 1000BASE-T:

• 1000: 1000 Mbit/s = 1 Gbit/s.
• BASE: Basisbandübertragung.
• T: Twisted-Pair-Kupfer.

Bezeichnung	Datenrate	Medium
100BASE-T als Familienbezeichnung	100 Mbit/s	Kupfer, konkrete Variante z. B. 100BASE-TX
1000BASE-T	1 Gbit/s	Twisted Pair
10GBASE-T	10 Gbit/s	Twisted Pair
1000BASE-SX	1 Gbit/s	Multimode-Glasfaser
10GBASE-SR	10 Gbit/s	Multimode-Glasfaser

Präzisierung der Unterlagen: Dort stehen verkürzt „1000BASE-S“ und „10GBASE-S“. Für die gemeinten optischen Varianten sind 1000BASE-SX und 10GBASE-SR die vollständigen Bezeichnungen. Die Einordnung nach Geschwindigkeit und Medium bleibt erhalten. Siehe die Ethernet-Übersicht der IEEE.

Die Reichweite ergibt sich aus der konkreten PHY-Variante, dem Kabel- oder Fasertyp und der Installation.

3.7 Bit Byte und Datenrate

Bit: Einzelner binärer Wert, 0 oder 1. Byte: Gruppe aus acht Bit.

Umrechnung	Ergebnis
1 Byte	8 Bit
1 Mbit/s	1.000.000 bit/s
1 Gbit/s	1.000 Mbit/s
100 Mbit/s in MB/s	100 / 8 = 12,5 MB/s
1 Gbit/s in MB/s	1.000 / 8 = 125 MB/s

Kleines b bezeichnet Bit, großes B Byte. MB/s und Mbit/s unterscheiden sich um den Faktor acht.

Hier gelten dezimale Einheiten: 1 MB = 1.000.000 Byte und 1 GB = 1.000 MB. Binäre Einheiten wie MiB und GiB müssen bei entsprechend formulierten Aufgaben gesondert umgerechnet werden.

3.8 Bandbreite Durchsatz und Latenz

Begriff	Bedeutung	Beispiel
Bandbreite	Theoretisch verfügbare Übertragungskapazität im Sinn der Unterlagen	Ein Link ist für 1 Gbit/s ausgelegt
Durchsatz	Tatsächlich übertragene Datenmenge pro Zeit	Für die Datei stehen effektiv 800 Mbit/s zur Verfügung
Latenz	Verzögerung bis Daten ihr Ziel erreichen	Eine Anfrage braucht einige Millisekunden bis zur Gegenstelle

Hohe Bandbreite bedeutet nicht automatisch niedrige Latenz. Der Weg kann lang sein oder Warteschlangen können Verzögerungen verursachen.

Der Durchsatz fällt unter anderem geringer aus wegen:

• Headern, Trailern, Präambel und Übertragungspausen.
• CPU, Speicher, Laufwerken und Treibern der Endgeräte.
• Pufferung und Auslastung der Netzgeräte.
• Fehlern und Wiederholungen durch übergeordnete Protokolle.
• Begrenzter Server- oder Anwendungsleistung.
• Parallelverkehr anderer Benutzer oder Programme.

3.9 Übertragungszeit berechnen

Zeit = Datenmenge / effektive Datenrate

Einheiten zuerst angleichen. Bei einer Datenrate in Mbit/s muss die Datenmenge in Mbit vorliegen. Für die tatsächliche Dauer verwende den effektiven Nutzdatendurchsatz. Mit der nominellen Linkrate berechnest du eine ideale Untergrenze.

Beispiel 1: 100 MB bei idealen 100 Mbit/s

100 MB * 8 = 800 Mbit
800 Mbit / 100 Mbit/s = 8 s

Mindestens acht Sekunden. Praktisch dauert es aufgrund zusätzlicher Anteile meist länger.

Beispiel 2: 1 GB bei effektiv 800 Mbit/s

1 GB = 8 Gbit = 8.000 Mbit
8.000 Mbit / 800 Mbit/s = 10 s

Beispiel 3: 500 MB bei effektiv 50 MB/s

500 MB / 50 MB/s = 10 s

Hier stimmen die Einheiten bereits überein. Eine Umrechnung in Bit ist nicht notwendig.

3.10 Halbduplex Vollduplex und CSMA/CD

Merkmal	Halbduplex	Vollduplex
Senden und Empfangen	Beide Richtungen möglich, zeitlich abwechselnd	Gleichzeitig möglich
Gewöhnliche Ethernet-Kollisionen	Möglich bei gemeinsamem Medium	Treten nicht auf
Typische Umgebung	Ältere Ethernet-Netze mit Hubs	Moderne Switch-Verbindungen
CSMA/CD	Bei gemeinsam genutztem Halbduplex-Ethernet erforderlich	Im normalen Betrieb nicht erforderlich

CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.

1. Carrier Sense: Medium abhören, bevor gesendet wird.
2. Multiple Access: Mehrere Stationen teilen das Medium.
3. Collision Detection: Trotz vorherigem Abhören kann gleichzeitiges Senden auftreten. Die Stationen erkennen die Kollision.
4. Sie brechen die kollidierte Übertragung ab und warten eine zufällige Zeit, den Backoff.
5. Anschließend versuchen sie erneut zu senden.

CSMA/CD gehört zum historischen Shared-Media-Ethernet. Moderne vollduplexe Switch-Verbindungen benötigen dieses Verfahren für den normalen Datenverkehr nicht.

3.11 Auto-Negotiation und Link Up

Auto-Negotiation: Direkt verbundene Ethernet-Ports tauschen ihre Fähigkeiten aus und wählen eine gemeinsam unterstützte Geschwindigkeit und Duplexart.

Vereinfachter Ablauf:

1. Medium anschließen.
2. Gegenstelle und Signal erkennen.
3. Fähigkeiten austauschen und gemeinsamen Modus bestimmen.
4. PHY-Training und Synchronisation durchführen, soweit für die Variante erforderlich.
5. Link Up melden.

Ein Duplex-Mismatch kann trotz vorhandenem Link schlechte Leistung und Fehler verursachen.

Link Up bestätigt die physische Verbindung. Es beweist keine korrekte IP-Adresse, kein richtiges Gateway und keinen funktionierenden Anwendungsdienst.

3.12 Typische Fehler und Fehlersuche

Symptom	Mögliche Ursachen	Sinnvoller nächster Schritt
Keine Link-LED	Kabel getrennt, Port deaktiviert, defekter Adapter, inkompatibles Modul	Kabel, Portstatus und Gegenstelle prüfen
Link bricht wiederholt ab	Wackelkontakt, beschädigtes Kabel, verschmutzte oder mechanisch belastete Faser	Sichtprüfung, Stecker prüfen, funktionierendes Medium einsetzen
Nur 100 Mbit/s statt erwarteter 1 Gbit/s	Kabelpaare, Installation, Geräteeigenschaften oder Aushandlung	Kabeltester und Interfacewerte prüfen
Viele CRC/FCS- oder Symbolfehler	Schlechte Signalqualität, Dämpfung, Störung, defekte Kontakte oder Duplexproblem	Beide Enden, Einstellungen und Fehlerzähler vergleichen
Optischer Link fehlt oder ist einseitig	Tx/Rx vertauscht, falsche Optik, falsche Wellenlänge oder Schmutz	Faserführung, Module und Stirnflächen prüfen

Dämpfung bedeutet Abschwächung eines Signals. Tx bezeichnet Senden, Rx Empfangen. Bei einer gewöhnlichen Zweifaserverbindung muss der Sender einer Seite zum Empfänger der anderen Seite führen.

Systematisch vorgehen:

1. Kabel, Stecker, Verriegelung, Beschädigungen und Biegeradius ansehen.
2. Linkstatus an beiden Seiten vergleichen.
3. Portaktivierung, Geschwindigkeit und Duplex prüfen.
4. Fehlerzähler und Linkwechsel beobachten.
5. Ein bekannt funktionierendes Kabel oder Modul einsetzen.
6. Bei Bedarf Kabeltester, Zertifizierer oder optische Leistungsmessung verwenden.

Immer nur eine Änderung gleichzeitig durchführen und danach erneut prüfen.

4 Sicherungsschicht

4.1 Aufgaben und Abgrenzung

Die Sicherungsschicht organisiert die strukturierte Übertragung innerhalb eines lokalen Netzabschnitts.

Ihre Aufgaben sind Frames, lokale Adressierung, Protokollkennzeichnung, Medienzugriff, Fehlererkennung und Weiterleitung durch Switches beziehungsweise Bridges. VLANs strukturieren logische Netze, Spanning Tree vermeidet Schleifen.

Schicht	Dateneinheit	Entscheidende Information	Hauptfunktion
1	Bits / Signale	Physische Eigenschaften	Übertragen
2	Frame	MAC-Adresse, gegebenenfalls VLAN	Lokal weiterleiten
3	IP-Paket	IP-Adresse	Zwischen Netzen weiterleiten

4.2 MAC und LLC

Die IEEE-802-Sicherungsschicht wird funktional in zwei Bereiche unterteilt:

MAC, Media Access Control: MAC-Adressierung, Frameaufbau, Medienzugriff, FCS und Übergabe an die physische Ebene.

LLC, Logical Link Control: Logische Schnittstelle zu den höheren Schichten und mögliche Protokollzuordnung. In Ethernet-II-Netzen zeigt meist das EtherType-Feld direkt an, welches Protokoll transportiert wird.

4.3 Aufbau eines Ethernet-Frames

Der Frame besteht aus Header, Nutzdaten und Trailer. Präambel und SFD werden für die physische Übertragung vorangestellt.

Physisch davor: [ Präambel 7 B | SFD 1 B ]
 
MAC-Frame ohne VLAN-Tag:
[ Ziel-MAC 6 B | Quell-MAC 6 B | Type/Length 2 B | Nutzdaten + Pad 46–1500 B | FCS 4 B ]
 
Danach: Interpacket Gap als Pause bis zur nächsten Übertragung

Feld	Größe	Aufgabe
Präambel	7 Byte	Wiederkehrendes Bitmuster zur Synchronisation des Empfängers
SFD, Start Frame Delimiter	1 Byte	Ende der Präambel und Beginn des MAC-Frames kennzeichnen
Ziel-MAC	6 Byte	Lokaler Empfänger, steht zuerst im eigentlichen Frame
Quell-MAC	6 Byte	Lokaler Absender
Type/Length	2 Byte	Transportiertes Protokoll oder Nutzdatenlänge kennzeichnen
Nutzdaten und Padding	46 bis 1500 Byte beim ungetaggten Standardframe	Höhere PDU transportieren und Mindestgröße erreichen
FCS, Frame Check Sequence	4 Byte	CRC-Prüfwert zur Fehlererkennung

Header ohne VLAN-Tag: 6 + 6 + 2 = 14 Byte. Trailer: 4 Byte FCS.

Präambel und SFD gehören bei der hier verwendeten Größenberechnung nicht zum MAC-Frame. Auch das Interpacket Gap gehört nicht dazu.

4.4 Quelladresse und Zieladresse

Ziel-MAC: Bezeichnet den Empfänger im aktuellen Abschnitt. Sie kann Unicast, Multicast oder Broadcast sein. Der Switch verwendet sie für seine Weiterleitungsentscheidung.

Quell-MAC: Bezeichnet das Interface, das den Frame im aktuellen Abschnitt sendet. Der Switch verwendet sie zum Lernen. Eine Broadcast-Adresse ist als Quelladresse unzulässig.

Wichtigster Switching-Merksatz: Lernen mit der Quelladresse, Weiterleiten mit der Zieladresse.

4.5 Type/Length und EtherType

Zahlenwert	Interpretation
Bis einschließlich 1500	Länge der Nutzdaten
1501 bis 1535	Bewusst nicht verwendeter Bereich
Ab 1536, also 0x0600	EtherType, Kennzeichnung des Protokolls

EtherType	Bedeutung
0x0800	IPv4
0x0806	ARP
0x86DD	IPv6
0x8100	IEEE-802.1Q-Tag folgt

ARP, Address Resolution Protocol, ermittelt im lokalen IPv4-Netz die MAC-Adresse zu einer IP-Adresse. Bei einem entfernten Ziel wird die MAC des nächsten lokalen Routers gesucht, nicht die MAC des entfernten Rechners über das gesamte Internet.

4.6 Nutzdaten Padding und Framegrößen

Die Nutzdaten enthalten beispielsweise ein IP-Paket oder eine ARP-Nachricht. Sind zu wenige Nutzdaten vorhanden, ergänzt der Sender Padding, also Fülldaten.

Für den üblichen Frame ohne VLAN-Tag:

Minimum: 6 + 6 + 2 + 46 + 4 = 64 Byte
Maximum: 6 + 6 + 2 + 1500 + 4 = 1518 Byte

Größe	Bedeutung
64 Byte	Mindestgröße vom Ziel-MAC-Feld bis einschließlich FCS
1518 Byte	Übliches Maximum ohne VLAN-Tag
1522 Byte	Übliches Maximum mit einem 4-Byte-802.1Q-Tag
1500 Byte	Übliche maximale Ethernet-Nutzlast

Rechenbeispiel: Ein ungetaggter Frame enthält eine Nutzlast von 28 Byte. Es fehlen 46 − 28 = 18 Byte Padding. Die Gesamtgröße beträgt 14 + 28 + 18 + 4 = 64 Byte.

Die 1500 Byte sind die Nutzlastgrenze, nicht die Größe des gesamten Frames. Präambel, SFD und Interpacket Gap zählen bei 64/1518/1522 Byte nicht mit. Die angegebene Nutzdatenuntergrenze 46 Byte bezieht sich auf den hier dargestellten ungetaggten Frame.

4.7 Fehlererkennung mit FCS

FCS = Frame Check Sequence. CRC = Cyclic Redundancy Check. Die Ethernet-FCS enthält einen 32-Bit-CRC-Wert, also vier Byte.

1. Der Sender berechnet den Prüfwert und fügt ihn an.
2. Der Frame wird übertragen.
3. Der Empfänger berechnet den Prüfwert erneut und überprüft die FCS.
4. Bei erkannter Beschädigung wird der Frame normalerweise verworfen.

Ethernet erkennt Übertragungsfehler. Es repariert die Nutzdaten nicht und fordert selbst keine erneute Zustellung an. Ein höheres Protokoll wie TCP kann verlorene Daten erneut übertragen.

Eine passende FCS ist eine Fehlerprüfung des Frames. Sie garantiert nicht, dass die Anwendung insgesamt korrekt funktioniert.

4.8 MAC-Adressen

Eine typische Ethernet-MAC-Adresse hat 48 Bit = 6 Byte = 12 Hexadezimalstellen.

00:1A:2B:3C:4D:5E
00-1A-2B-3C-4D-5E
001A.2B3C.4D5E

Alle drei Schreibweisen können dieselbe Adresse darstellen. Zwei Hexadezimalstellen ergeben ein Byte. Hexadezimal verwendet die Zeichen 0–9 und A–F.

Andere Bezeichnungen in den Unterlagen sind Hardware-Adresse, physische Adresse, LAN-Adresse, Ethernet-Adresse und BIA, Burned-In Address, für eine eingebrannte Adresse.

Universell verwaltete Adresse: Stammt aus einem IEEE-Adressblock. Bei der klassischen OUI-basierten Darstellung bilden die ersten drei Byte den OUI, Organizationally Unique Identifier, die letzten drei Byte vergibt der Hersteller innerhalb seines Blocks.

Lokal verwaltete Adresse: Wird beispielsweise durch Software, Administration oder eine virtuelle Umgebung gesetzt.

Präzisierung: EUI-48 bezeichnet den vollständigen 48-Bit-Identifier. Die letzten drei Byte heißen nicht für sich allein „EUI“. Außerdem sind MAC-Adressen nicht grundsätzlich unveränderlich oder garantiert weltweit einzigartig: Sie können geändert, virtualisiert oder dupliziert werden. Siehe die IEEE-Dokumentation zu EUI und OUI.

4.9 Unicast Multicast und Broadcast

Art	Empfänger	Behandlung durch den Switch
Unicast	Genau ein Interface	Bei bekanntem Ziel gezielt, bei unbekanntem Ziel Flooding
Multicast	Eine Empfängergruppe	Ohne Zusatzwissen häufig Flooding, mit Snooping gezielter
Broadcast	Alle Stationen derselben Broadcast Domain	Flooding innerhalb des VLANs

Broadcast-MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF.

Bei Flooding sendet der Switch Kopien an alle geeigneten weiterleitenden Ports desselben VLANs, außer an den Eingangsport.

IGMP Snooping: Ein Switch beobachtet Multicast-Gruppenmeldungen und kann daraus ableiten, welche Ports für bestimmte Gruppen interessiert sind. Dadurch lassen sich unnötige Kopien reduzieren.

Router leiten Ethernet-Broadcasts normalerweise nicht in andere IP-Netze weiter.

4.10 Wie ein Switch lernt

Ein Switch führt eine MAC-Adresstabelle. Weitere Namen sind Forwarding Database, FDB, und CAM Table.

Ein Eintrag verbindet:

MAC-Adresse -> Port -> VLAN
00:11:22:33:44:55 -> Gi0/3 -> VLAN 10

Lernablauf:

1. Ein Frame trifft an einem Port ein.
2. Der Switch liest die Quell-MAC.
3. Er speichert die Adresse mit Eingangsport und VLAN.
4. Bestehende Einträge werden aktualisiert. Dynamische Einträge können nach einer Aging-Zeit ohne Aktualisierung entfernt werden.

Die VLAN-Information ist wichtig, weil Weiterleitungsentscheidungen innerhalb des jeweiligen VLANs getroffen werden.

4.11 Weiterleitungsentscheidung

Nach dem Lernen untersucht der Switch die Ziel-MAC:

Situation	Verhalten
Bekannte Unicast-MAC an einem anderen geeigneten Port	Nur an diesen Port weiterleiten
Bekannte Ziel-MAC am Eingangsport	Nicht weiterleiten, da das Ziel schon im Eingangssegment liegt
Unbekannte Unicast-MAC	Innerhalb des VLANs fluten, Eingangsport ausnehmen
Broadcast	Innerhalb des VLANs fluten, Eingangsport ausnehmen
Multicast	Abhängig von Gruppenwissen fluten oder gezielt verteilen

Flooding ist ein Weiterleitungsverhalten. Broadcast ist eine Adressart. Ein Unknown-Unicast-Frame behält seine Unicast-Zieladresse, obwohl der Switch ihn an mehrere Ports kopiert.

4.12 Switching Schritt für Schritt

Annahme: A liegt an Port 1, B an Port 2 und C an Port 3. Alle Ports befinden sich im selben VLAN und leiten weiter. Die Tabelle ist anfangs leer.

Erster Frame von A an B:

1. Eingang an Port 1, Quell-MAC A, Ziel-MAC B.
2. Der Switch lernt A an Port 1.
3. B ist unbekannt. Der Switch sendet Kopien an Port 2 und 3.
4. B ist der adressierte Empfänger. C erhält zwar eine Kopie, verarbeitet den Unicast-Frame aber normalerweise nicht als eigenen Datenverkehr.

Antwort von B an A:

1. Eingang an Port 2, Quell-MAC B, Ziel-MAC A.
2. Der Switch lernt B an Port 2.
3. A ist bekannt. Der Switch leitet die Antwort nur an Port 1 weiter.

Die Tabelle enthält nun:

MAC	Port
A	1
B	2

C wurde noch nicht gelernt, weil von C noch kein Frame eingetroffen ist. Das bloße Empfangen einer Kopie erzeugt keinen Quelladresseneintrag für C.

4.13 Collision Domain und Broadcast Domain

Collision Domain: Bereich, in dem gleichzeitig gesendete Ethernet-Signale kollidieren können.

• Ein Hub bildet eine gemeinsame Collision Domain für seine angeschlossenen Geräte.
• Ein Switch trennt die Übertragungsabschnitte an seinen Ports. Im klassischen Unterrichtsschema bezeichnet man jeden Port als eigene Collision Domain.
• Bei Vollduplex treten dort keine gewöhnlichen Ethernet-Kollisionen auf.

Broadcast Domain: Bereich aller Geräte, die denselben Layer-2-Broadcast erhalten.

• Ein gewöhnlicher Switch trennt Broadcast Domains nicht automatisch.
• Ein VLAN bildet eine eigene Broadcast Domain und kann sich über mehrere Switches erstrecken.
• Router beziehungsweise Layer-3-Interfaces trennen Broadcast Domains.

Beispiele:

Aufbau	Broadcast Domains	Kollisionsbezogene Einordnung
Vier PCs an einem Hub	Eine	Eine gemeinsame Collision Domain
Vier PCs direkt an einem Switch, ein VLAN	Eine	Vier getrennte Abschnitte, bei Vollduplex ohne normale Kollisionen
Zwei miteinander verbundene Switches, überall dasselbe VLAN	Eine gemeinsame	Je Link getrennte Abschnitte
Ein Switch mit zwei VLANs	Zwei	Ports bilden getrennte Abschnitte
Zwei LANs über einen Router verbunden	Zwei, bei je einem VLAN pro LAN	Layer-2-Abschnitte werden am Router getrennt

4.14 VLAN-Grundbegriffe

VLAN = Virtual Local Area Network. Ein VLAN trennt ein Layer-2-Netz logisch in eigene Broadcast Domains.

• Frames werden innerhalb ihres VLANs weitergeleitet.
• Ein Access-Port dient typischerweise einem Endgerät in einem VLAN.
• Ein Trunk transportiert mehrere VLANs über eine gemeinsame Verbindung, üblicherweise mit IEEE-802.1Q-Kennzeichnung.
• Ein 802.1Q-Tag fügt dem Frame vier Byte hinzu. Dadurch erhöht sich das übliche Maximum von 1518 auf 1522 Byte.
• Kommunikation zwischen verschiedenen VLANs benötigt Routing, etwa durch einen Router oder einen Layer-3-Switch.

Die letzten drei Begriffe dienen hier der Orientierung. Ausführlicher Tagaufbau, Trunk-Konfiguration und Inter-VLAN-Routing werden im bereitgestellten Haupttext nicht behandelt.

4.15 Redundante Topologien und Layer-2-Schleifen

Redundanz bedeutet, dass mehrere mögliche Verbindungen oder Wege vorhanden sind. Sie erhöht die Verfügbarkeit, ermöglicht Ersatzwege bei Kabel- oder Portausfall und erleichtert Wartung. Link Aggregation kann zusätzlich mehrere Links zu einem logischen Bündel mit höherer Gesamtkapazität zusammenfassen.

Mehrere ungeordnet aktive Wege können jedoch eine Layer-2-Schleife bilden. Beispiel: Drei Switches sind im Dreieck miteinander verbunden.

        SW3
       /   \
     SW1---SW2

Ethernet-Frames besitzen kein allgemeines TTL- oder Hop-Limit-Feld. Ein gefluteter Frame kann daher erneut eintreffen und weitere Kopien erzeugen.

Broadcast Storm

Ein Broadcast läuft über mehrere Wege und wird auf jedem Switch erneut vervielfältigt. Die Kopien kreisen und beanspruchen immer mehr Ressourcen.

Folgen: Volle Links, hohe CPU-Auslastung, Verlust regulärer Frames, hohe Latenz und Ausfall der Broadcast Domain. Auch geflutete Unknown-Unicast-Frames können zu Schleifenproblemen beitragen.

MAC Flapping

Dieselbe Quell-MAC erscheint wegen der Schleife abwechselnd an verschiedenen Eingangsports. Der Switch aktualisiert die Zuordnung ständig. Die Tabelle wird instabil.

Beispiel nach der Topologie im Skriptum:

1. PC1 mit MAC AA:AA:AA:AA:AA:AA sendet an SW1 über Fa0/10.
2. SW1 lernt diese MAC an Fa0/10.
3. Wegen unbekannter Ziel-MAC flutet SW1 zu SW2 und SW3.
4. Eine Kopie kommt über einen anderen Switch an Fa0/3 von SW1 zurück.
5. Die Quell-MAC ist weiterhin die von PC1. SW1 lernt sie nun fälschlich an Fa0/3.
6. Ein neuer Frame direkt von PC1 korrigiert den Eintrag wieder zu Fa0/10. Weitere Schleifenkopien können ihn erneut verschieben.

Das Problem ist die ständig wechselnde Zuordnung. Dadurch können Antworten auf falsche Wege gelangen oder die Weiterleitung instabil werden.

Frame-Duplikate

Über mehrere Schleifenpfade können mehrere Kopien desselben Frames am Ziel eintreffen. Ethernet besitzt keine allgemeine Sequenznummer zur zuverlässigen Erkennung solcher Duplikate.

Merksatz: Redundanz braucht Schleifenschutz. Ohne ihn drohen Broadcast Storms, MAC Flapping und doppelte Frames.

5 STP und RSTP als Ergänzung

Dieser Abschnitt ergänzt die fehlende Erklärung nach dem Stoffende. Er orientiert sich an den STP-Begriffen, die in den Lernzielen genannt werden.

5.1 Grundprinzip

STP, Spanning Tree Protocol, erzeugt aus redundanten Layer-2-Verbindungen eine logisch schleifenfreie Baumstruktur. Bestimmte Ports blockieren normalen Datenverkehr. Die physische Ersatzverbindung bleibt vorhanden und kann nach einer Neuberechnung genutzt werden.

Switches tauschen BPDUs, Bridge Protocol Data Units, aus. Die Root Bridge ist der Switch mit der niedrigsten Bridge ID. Vereinfacht entscheidet zuerst die niedrigere Priorität, bei Gleichstand die niedrigere MAC-Adresse.

• Root Port: Bester Weg eines Nicht-Root-Switches zur Root Bridge, anhand der Pfadkosten.
• Designated Port: Gewählter weiterleitender Port eines Segments mit dem besten Weg zur Root.
• Andere redundante Wege bleiben blockiert.

Eine kürzere Anzahl von Links ist nicht automatisch der günstigste Weg. Pfadkosten sind entscheidend. Beim klassischen STP sind die Zustände Blocking, Listening, Learning, Forwarding und Disabled. In Learning lernt ein Port bereits MAC-Adressen, leitet aber noch keine normalen Datenframes weiter. Grundlage: Cisco zu STP.

5.2 RSTP und einfaches Beispiel

RSTP, Rapid Spanning Tree Protocol, beschleunigt die Anpassung an Topologieänderungen. Es unterscheidet die Zustände Discarding, Learning und Forwarding. Ein Alternate Port bietet einen alternativen Weg zur Root und ist normalerweise im Discarding-Zustand. Portrolle und Portzustand beschreiben verschiedene Eigenschaften. Quelle: Cisco zu RSTP.

Beispiel: Drei Switches bilden ein Dreieck. S1 hat die niedrigste Bridge ID. Alle Links haben gleiche Kosten, und S2 hat eine niedrigere Bridge ID als S3.

Verbindung	Vereinfachte Rollen nach der Wahl
S1–S2	S1: Designated, S2: Root
S1–S3	S1: Designated, S3: Root
S2–S3	S2: Designated, S3: Alternate bei RSTP

Der Port von S3 in Richtung S2 blockiert normalen Verkehr. Fällt S3–S1 aus, kann der Ersatzweg über S2 nach Anpassung genutzt werden. Das Beispiel setzt getrennte Punkt-zu-Punkt-Links voraus und wendet die Wahlregeln aus Ciscos STP-Konfigurationsleitfaden auf dieses Dreieck an.

6 Praxisbeispiel mit zwei IP-Netzen

6.1 Aufbau und Adressierung

Die Schichtenmodell-Präsentation enthält eine Packet-Tracer-Aufgabe mit einem Router, zwei Switches und vier PCs.

PC-A1 -- Switch A -- Router -- Switch B -- PC-B1
PC-A2 --/                              \-- PC-B2
 
Netz A: 192.168.10.0/24       Netz B: 192.168.20.0/24

/24 entspricht der Netzmaske 255.255.255.0. In diesen Netzen bestimmen die ersten drei Oktette den Netzanteil.

Gerät / Interface	IPv4-Adresse	Netzmaske	Standardgateway
Router G0/0	192.168.10.1	255.255.255.0	Für dieses Beispiel keines einzutragen
PC-A1	192.168.10.10	255.255.255.0	192.168.10.1
PC-A2	192.168.10.20	255.255.255.0	192.168.10.1
Router G0/1	192.168.20.1	255.255.255.0	Für dieses Beispiel keines einzutragen
PC-B1	192.168.20.10	255.255.255.0	192.168.20.1
PC-B2	192.168.20.20	255.255.255.0	192.168.20.1

Das Standardgateway ist der Router für Ziele außerhalb des eigenen lokalen IP-Netzes.

Die tatsächlichen MAC-Adressen liest du am jeweiligen Interface ab, etwa mit ipconfig /all. Die Folien geben keine festen MAC-Adressen vor. Die Kürzel A1, A2, B1, R-A und R-B stehen im folgenden Beispiel für diese realen Interface-Adressen.

6.2 Aufbau in Packet Tracer

1. Einen Router, zwei Switches und vier PCs platzieren.
2. PCs mit ihrem Switch und beide Switches mit dem Router verbinden.
3. Routerinterfaces gemäß Tabelle adressieren und aktivieren. In der Kommandozeile bedeutet no shutdown, ein Interface administrativ einzuschalten.
4. IP-Adresse, Maske und Gateway der PCs einstellen.
5. Gerätename, Interface, IP und tatsächliche MAC sichtbar beschriften.
6. Links prüfen und anschließend Pings durchführen.
7. Im Simulation Mode ARP und ICMP beobachten. Mit Add Simple PDU einen Ping erzeugen und die PDU-Informationen auswerten.

Der erste Ping kann in der Simulation wegen der zunächst notwendigen ARP-Auflösung fehlschlagen. Nach Prüfung der Konfiguration gegebenenfalls wiederholen.

6.3 Lokale Übertragung von PC-A1 an PC-A2

Beide PCs liegen in 192.168.10.0/24.

1. PC-A1 erkennt anhand von IP-Adresse und Maske, dass PC-A2 im selben Netz liegt.
2. Falls nötig, ermittelt ARP die MAC-Adresse von PC-A2.
3. Der Frame hat Quell-MAC A1 und Ziel-MAC A2.
4. Das IP-Paket enthält 192.168.10.10 als Quelle und 192.168.10.20 als Ziel.
5. Switch A leitet lokal weiter. Der Router wird für diesen Datenweg nicht benötigt.

6.4 Geroutete Übertragung von PC-A1 an PC-B1

PC-B1 liegt in einem anderen Netz.

1. PC-A1 erkennt das entfernte Ziel anhand von Maske und Ziel-IP.
2. Er sendet an sein Gateway 192.168.10.1 und ermittelt bei Bedarf dessen MAC mittels ARP.
3. Im ersten Frame steht als Ziel die MAC des Routerinterfaces in Netz A.
4. Der Router entfernt den Frame, prüft das IP-Paket und wählt das Interface nach Netz B.
5. Er ermittelt bei Bedarf die MAC von PC-B1 und erstellt einen neuen Frame.
6. Switch B leitet an PC-B1 weiter.

Abschnitt	Quell-MAC	Ziel-MAC	Quell-IP	Ziel-IP
PC-A1 bis Router in Netz A	A1	R-A	192.168.10.10	192.168.20.10
Router bis PC-B1 in Netz B	R-B	B1	192.168.10.10	192.168.20.10

Die IP-Zieladresse bleibt die von PC-B1, obwohl der erste Frame an den Router adressiert ist. Der Layer-2-Empfänger ist der nächste lokale Knoten. Der Layer-3-Empfänger ist das IP-Ziel.

Dieses Beispiel verwendet normales Routing ohne NAT. Der Router vermindert die TTL, weshalb „gleiche IP-Adressen“ nicht „vollständig unveränderter IP-Header“ bedeutet.

6.5 ARP Ping und Transport unterscheiden

• ARP: Lokale Zuordnung einer IPv4-Adresse zu einer MAC-Adresse. Eine gewöhnliche ARP-Anfrage ist ein Broadcast, die Antwort meist Unicast.
• Ping: Erreichbarkeitstest mit ICMP auf Schicht 3.
• TCP/UDP: Transportprotokolle auf Schicht 4 mit Portnummern.

Ein Ping verwendet weder ein TCP-Segment noch ein UDP-Datagramm. ICMP liegt direkt im IP-Paket. Die Kapselung lautet in diesem Fall: Ethernet-Frame enthält IP-Paket, IP-Paket enthält ICMP-Nachricht.

7 Kompakte Wiederholung und Begriffsfallen

7.1 Die wichtigsten Fakten

Thema	Unbedingt merken
Netzgrößen	PAN persönlich, LAN lokal, MAN Stadt/Region, WAN große Entfernungen
Netzwerkmodelle	P2P: Teilnehmer bieten und nutzen Dienste, Client-Server: Client fordert Serverdienst an
Rollen	Client und Server sind zunächst Programme oder Prozesse
OSI	7 Schichten
TCP/IP	Klassisch 4, im Lehrmodell 5 Schichten
Datenweg	Beim Sender kapseln, beim Empfänger entkapseln
PDU	Daten, Segment/Datagramm, Paket, Frame, Bits
Adressen	MAC lokal, IP über Netzgrenzen, Port für Prozess
Ethernet	IEEE 802.3, Funktionen auf Schicht 1 und 2
Signalformen	Kupfer elektrisch, Glasfaser optisch, Funk elektromagnetisch
Leistung	Bandbreite theoretisch, Durchsatz tatsächlich, Latenz Verzögerung
Umrechnung	1 Byte = 8 Bit, 1 Gbit/s = 1000 Mbit/s
Übertragungszeit	Datenmenge / passende effektive Datenrate
Duplex	Halbduplex abwechselnd, Vollduplex gleichzeitig
CSMA/CD	Kollisionsbehandlung für gemeinsam genutztes Halbduplex-Ethernet
Link Up	Physische Verbindung vorhanden
Frame	Ziel 6 B, Quelle 6 B, Type/Length 2 B, Daten/Pad 46–1500 B, FCS 4 B
Framegröße	64 bis 1518 B ohne VLAN-Tag, übliches Maximum 1522 B mit Tag
MAC	48 Bit, 6 Byte, 12 Hexadezimalstellen
Broadcast	FF:FF:FF:FF:FF:FF
Switch	Lernt Quelle, entscheidet anhand Ziel
Unbekanntes Ziel	Flooding im VLAN außer Eingangsport
Domains	Hub gemeinsame Collision Domain, VLAN eigene Broadcast Domain
Schleifen	Broadcast Storm, MAC Flapping, Frame-Duplikate
STP-Zusatz	Redundante Pfade logisch blockieren, Ersatzwege erhalten

7.2 Häufige falsche Aussagen

Falsche oder ungenaue Aussage	Präzise Formulierung
„Ein LAN endet immer nach einer festen Kilometerzahl.“	Die Kategorien haben keine allgemein festen Entfernungsgrenzen.
„WLAN ist das Gegenteil von LAN.“	WLAN ist drahtlose Technik, die zu einem LAN gehören kann.
„Ein Computer ist immer entweder Client oder Server.“	Verschiedene Programme desselben Computers können beide Rollen haben.
„Ethernet ist nur das Kabel.“	Ethernet standardisiert physische Übertragung und Layer-2-Funktionen.
„Alle Dateneinheiten heißen Pakete.“	Je Schicht Daten, Segment/Datagramm, Paket, Frame oder Bits verwenden.
„TCP adressiert den Zielrechner.“	IP adressiert das IP-Ziel, TCP verwendet Ports für Prozesse.
„Ping verwendet TCP.“	Ping verwendet ICMP.
„MAC-Adressen bleiben beim Routing gleich.“	Jeder geroutete Abschnitt erhält eine neue lokale Layer-2-Verpackung.
„Jeder Switch setzt seine MAC als Quell-MAC ein.“	Ein normaler Layer-2-Switch bewahrt beim Weiterleiten die MAC-Adressen des Frames.
„Eine MAC-Adresse kann niemals geändert werden.“	Sie kann lokal vergeben, geändert oder virtualisiert werden.
„Der Switch lernt die Zieladresse.“	Er lernt die Quelladresse und den Eingangsport.
„Unknown Unicast wird zu Broadcast.“	Die Zieladresse bleibt Unicast, nur die Weiterleitung wird geflutet.
„Ein Switch trennt immer Broadcast Domains.“	Erst VLANs oder Layer-3-Grenzen trennen sie.
„FCS repariert Frames oder fordert Wiederholung an.“	Ethernet erkennt beschädigte Frames und verwirft sie.
„1518 Byte sind die Nutzdaten.“	Der vollständige ungetaggte Standardframe hat bis 1518 Byte, seine Nutzlast bis 1500 Byte.
„Link Up bedeutet, dass das Internet funktioniert.“	Link Up bestätigt zunächst nur die physische Verbindung.
„1 Gbit/s sind 1 GB/s.“	1 Gbit/s sind ideal 125 MB/s.
„Vollduplex braucht CSMA/CD.“	Gewöhnliche Kollisionen treten dort nicht auf.
„Ethernet-Schleifen enden nach Ablauf einer TTL.“	Ethernet-Frames besitzen kein allgemeines TTL-Feld.

8 Übungsfragen und Aufgaben

Beantworte die Fragen zunächst ohne Lösungen. Bei Aufgaben mit Zahlen müssen Rechenweg und Einheiten stimmen.

A Netzstrukturen

1. Was ist ein Computernetz? Nenne vier Einsatzbereiche.
2. Nach welchen fünf Kriterien lassen sich Netze klassifizieren?
3. Erkläre PAN, LAN, MAN und WAN jeweils mit einem Beispiel. Warum gibt es keine feste Kilometergrenze?
4. Wie kann ein Schulnetz gleichzeitig LAN, WLAN und Client-Server-Kommunikation enthalten?
5. Erkläre P2P mit einem Beispiel und je drei Vor- und Nachteilen.
6. Beschreibe Client und Server als Rollen. Kann ein Computer beide Rollen gleichzeitig haben?
7. Beschreibe den Ablauf einer Client-Server-Kommunikation.
8. Unterscheide DNS und DHCP. Wofür stehen Web-, Datei-, Mail- und Datenbankdienste?
9. Begründe die Auswahl eines Netzwerkmodells für eine Schule mit vielen Benutzern.
10. Was ist ein Single Point of Failure? Wie unterscheiden sich Redundanz und Backup?

B Schichtenmodelle

11. Nenne vier Vorteile eines Schichtenmodells. Erkläre einen anhand eines Medienwechsels.
12. Unterscheide Dienst und Protokoll. Was kann ein Protokoll festlegen?
13. Nenne alle sieben OSI-Schichten von unten nach oben mit Hauptaufgaben.
14. Ordne zu: HTTP, DNS, TCP, UDP, IPv6, ICMP, Switch, Router, Glasfaser, Repeater.
15. Unterscheide OSI, klassisches TCP/IP und das Fünf-Schichten-Lehrmodell.
16. Welche OSI-Schichten fasst TCP/IP zusammen? Wann stellte ARPANET auf TCP/IP um?
17. Was ist vertikale und was logisch horizontale Kommunikation?
18. Erkläre Kapselung und Entkapselung. Wie heißt die PDU bei TCP, UDP, IP, Ethernet und physischer Übertragung?
19. Beschreibe die Aufgaben von MAC-Adresse, IP-Adresse und Portnummer.
20. Was ändert sich beim Routing an Frame, MAC-Adressen und IP-Paket?
21. Unterscheide TCP und UDP. Was bedeutet Best Effort bei IP?
22. Beschreibe einen HTTPS-Aufruf vom Namen bis zu den übertragenen Signalen.
23. Warum ist ein Browser nicht vollständig mit OSI-Schicht 7 gleichzusetzen?
24. Eine IP ist erreichbar, der zugehörige Name funktioniert aber nicht. Was prüfst du? Was, wenn Ping funktioniert, aber TCP-Port 443 nicht?

C Bitübertragung

25. Warum gehört Ethernet zu Schicht 1 und 2? Wofür stehen IEEE und PHY?
26. Ordne IEEE 802.3, 802.11, 802.1Q, 802.1D und 802.1w zu.
27. Vergleiche Kupfer, Glasfaser und Funk. Warum sind Twisted-Pair-Adern verdrillt?
28. Unterscheide Multimode und Singlemode. Welche Eigenschaften müssen beim optischen Link zusammenpassen?
29. Welche Aufgaben haben Repeater, Hub, Medienkonverter und Transceiver?
30. Erkläre 1000BASE-T. Nenne passende vollständige Bezeichnungen für 1- und 10-Gbit/s-Multimode-Ethernet.
31. Unterscheide Bandbreite, Durchsatz und Latenz. Nenne vier Ursachen für geringeren Durchsatz.
32. Unterscheide Halbduplex und Vollduplex. Beschreibe CSMA/CD.
33. Was ist Auto-Negotiation? Was beweist Link Up?
34. Berechne bei dezimalen Einheiten: a) 250 MB bei 100 Mbit/s ideal, b) 2 GB bei effektiv 800 Mbit/s, c) 80 Mbit/s in MB/s.
35. Ein Link erreicht statt 1 Gbit/s nur 100 Mbit/s. Nenne mögliche Ursachen und einen sinnvollen Prüfablauf.

D Sicherungsschicht

36. Nenne die Aufgaben von Schicht 2. Unterscheide MAC und LLC.
37. Zeichne den ungetaggten Ethernet-Frame mit Feldern, Größen und Reihenfolge. Was liegt davor und danach?
38. Wann ist Type/Length eine Länge, wann EtherType? Ordne 0x0800, 0x0806, 0x86DD und 0x8100 zu.
39. Ein ungetaggter Frame enthält 30 Byte Nutzlast. Wie viel Padding ist nötig und wie groß wird der Frame? Wie groß ist ein ungetaggter Frame mit 1000 Byte Nutzlast?
40. Wie funktioniert FCS? Korrigiert Ethernet den Fehler oder fordert es eine Wiederholung an?
41. Wie viele Bit, Byte und Hexadezimalstellen hat eine MAC-Adresse? Unterscheide universell und lokal verwaltete Adressen.
42. Unterscheide Unicast, Multicast und Broadcast. Was ist die Broadcast-MAC? Wie kann IGMP Snooping helfen?
43. Welche Informationen speichert eine MAC-Tabelle? Wie lernt der Switch und was bedeutet Aging?
44. Erkläre Known Unicast, Unknown Unicast, Flooding und den Fall „Ziel am Eingangsport“.
45. Ein Switch hat A an Port 1, B an Port 2, C an Port 3 und D an Port 4. Alle sind im selben VLAN, die Tabelle ist leer. a) A sendet an C. b) C antwortet an A. c) B sendet an C. Welche Adressen werden jeweils gelernt und wohin wird weitergeleitet?
46. Unterscheide Collision Domain und Broadcast Domain. Wie viele Broadcast Domains haben zwei verbundene Switches mit einem gemeinsamen VLAN? Wie viele hat ein Switch mit drei VLANs?
47. Was bedeutet Redundanz? Erkläre Broadcast Storm, MAC Flapping und Frame-Duplikate. Warum stoppt eine TTL diese Schleifen nicht?

E Anwendungsaufgaben

48. PC-A1 = 192.168.10.10/24, PC-A2 = 192.168.10.20/24. Welche MAC- und IP-Adressen stehen bei einem Ping im Frame beziehungsweise Paket? Wird der Router benötigt?
49. PC-A1 pingt PC-B1 = 192.168.20.10/24 über den Router. Gateway A = 192.168.10.1. Beschreibe die Adressen vor und nach dem Router. Ist der Ping ein TCP-Segment?
50. STP-Zusatz: Drei Switches bilden ein Dreieck. S1 hat die niedrigste Bridge ID, alle Links haben gleiche Kosten, S2 hat eine niedrigere Bridge ID als S3. Bestimme die Root Bridge und die Rollen auf den drei Verbindungen. Wozu dient der blockierte Pfad?

9 Lösungen

A Netzstrukturen

1. Ein Computernetz verbindet Geräte zum Datenaustausch und zur gemeinsamen Ressourcennutzung. Beispiele: Dateien, Drucker, Internetzugang, Serverdienste, Datenbanken oder Cloud.

2. Geografische Ausdehnung, Netzwerkmodell, Übertragungsmedium, Eigentum/administrative Zuständigkeit und Einsatzzweck.

3. PAN: Smartphone und Kopfhörer. LAN: Schulgebäude unter gemeinsamer Verwaltung. MAN: verbundene kommunale Gebäude einer Stadt. WAN: internationale Unternehmensstandorte. Die Kategorien sind typische Größenordnungen und berücksichtigen Organisation und Einsatzzweck, keine allgemeingültigen Kilometergrenzen.

4. LAN beschreibt den lokalen Netzbereich. WLAN beschreibt eine dort verwendete drahtlose Technik. Client-Server beschreibt beispielsweise den Zugriff auf zentrale Anmeldung und Dateiablagen.

5. Gleichberechtigte Peers können Dienste anbieten und nutzen. Beispiel: gegenseitige Datei- und Druckerfreigabe. Vorteile: geringe Kosten, direkter Austausch, einfacher Einstieg. Nachteile: dezentrale Rechte, schwierige Backupkoordination, hoher Verwaltungsaufwand bei vielen Geräten. Außerdem hängt eine Freigabe vom jeweiligen Peer ab.

6. Client fordert einen Dienst an, Server bietet ihn an. Ein Computer kann mit dem Browser Client sein und gleichzeitig über einen anderen Prozess Dateien als Server anbieten.

7. Server startet und wartet, Client fragt an, Server verarbeitet, Server antwortet, Client nutzt das Ergebnis.

8. DNS löst Namen auf. DHCP verteilt Netzwerkkonfiguration. Webdienste liefern Webinhalte, Dateidienste gemeinsame Dateien, Maildienste Versand und Postfächer, Datenbankdienste strukturierte Daten und Abfragen.

9. Client-Server ermöglicht zentrale Konten, Rechte, Dateidienste, Backups und Überwachung. Viele Benutzer lassen sich leichter verwalten. Kritische Server benötigen Redundanz und Wiederherstellungsplanung.

10. Eine einzelne kritische Komponente, deren Ausfall einen Dienst lahmlegt. Redundanz stellt Ersatzkomponenten oder Wege bereit. Backup ermöglicht die Wiederherstellung von Daten. Monitoring und ein Wiederherstellungsplan ergänzen die Vorsorge.

B Schichtenmodelle

11. Übersicht, Austauschbarkeit, Interoperabilität, unabhängige Weiterentwicklung und systematische Fehlersuche. Beim Wechsel von Kupfer zu Glasfaser ändern sich hauptsächlich die unteren Schichten, HTTP bleibt verwendbar.

12. Dienst: angebotene Funktion nach oben. Protokoll: Regeln zwischen gleichrangigen Schichten. Es legt Nachrichtenaufbau, Adressen, Bedeutung von Feldern, Reihenfolge, Fehlerreaktion und gegebenenfalls Verbindungsbeginn und -ende fest.

13. 1 Bitübertragung: Signale. 2 Sicherung: Frames und lokale MAC-Adressierung. 3 Vermittlung: IP und Routing. 4 Transport: Prozesskommunikation und Ports. 5 Sitzung: logische Sitzungen. 6 Darstellung: Formate, Kodierung, Kompression, Verschlüsselung. 7 Anwendung: Netzwerkdienste für Programme.

14. HTTP/DNS: 7. TCP/UDP: 4. IPv6/ICMP/Router: 3. Layer-2-Switch: 2. Glasfaser/Repeater: 1. Ethernet insgesamt umfasst Schicht 1 und 2.

15. OSI hat sieben Schichten und ist ein Referenzmodell. TCP/IP ist die reale Internetarchitektur und wird klassisch mit Anwendung, Transport, Internet und Netzzugang dargestellt. Das Lehrmodell trennt Netzzugang in Sicherung und Bitübertragung und besitzt dadurch fünf Schichten.

16. OSI 5–7 werden zur TCP/IP-Anwendungsschicht, OSI 1–2 zur Netzzugangsschicht zusammengefasst. ARPANET stellte am 1. Januar 1983 auf TCP/IP um.

17. Vertikal: Übergabe zwischen benachbarten Schichten desselben Systems. Logisch horizontal: Kommunikation gleichrangiger Protokolle auf unterschiedlichen Systemen nach gemeinsamen Regeln.

18. Kapselung ergänzt Steuerinformationen auf dem Weg nach unten. Entkapselung wertet sie auf dem Weg nach oben aus und entfernt die jeweilige Verpackung. TCP: Segment, UDP: Datagramm, IP: Paket/IP-Datagramm, Ethernet: Frame, physisch: Bits/Signale.

19. MAC bezeichnet lokale Interfaces im aktuellen Abschnitt. IP bezeichnet das IP-Ziel über Netzgrenzen hinweg. Ports ordnen Daten Prozessen oder Diensten zu.

20. Der alte Frame wird entfernt und für den nächsten Abschnitt neu gebildet. Lokale Quell- und Ziel-MAC ändern sich. Quell- und Ziel-IP bleiben ohne NAT grundsätzlich gleich. Die TTL wird reduziert, der gesamte IP-Header bleibt daher nicht unverändert.

21. TCP bietet einen zuverlässigen, geordneten, verbindungsorientierten Byte-Strom und Wiederholungen. UDP überträgt verbindungslos Datagramme ohne eigene Zustell- oder Reihenfolgegarantie. Best Effort bedeutet bei IP keine Garantie für Ankunft, Reihenfolge, einmalige Zustellung oder Wiederholung.

22. DNS liefert bei Bedarf die IP. HTTP erzeugt die Anfrage, TLS schützt HTTPS. Transport über TCP oder QUIC, Zielport normalerweise 443. IP enthält Quell- und Ziel-IP. Ethernet enthält lokale MAC-Adressen, bei entferntem Ziel zunächst die des Gateways. PHY überträgt Signale. Router bauen neue lokale Frames. Das Ziel entkapselt.

23. Ein Browser ist ein vollständiges Programm mit vielen Funktionen. Er nutzt Anwendungsschicht-Protokolle und den übrigen Protokollstapel.

24. Bei funktionierender Ziel-IP und fehlerhaftem Namen DNS-Konfiguration und Dienst prüfen. Wenn Ping funktioniert, aber Port 443 nicht, Firewall, Port, Dienst und Verbindungsaufbau untersuchen. Ping allein beweist keine funktionierende Anwendung.

C Bitübertragung

25. Ethernet standardisiert physische Signale/Medien und Layer-2-Frames/MAC/FCS. IEEE heißt Institute of Electrical and Electronics Engineers, PHY bezeichnet die physische Übertragungstechnik.

26. 802.3 Ethernet, 802.11 WLAN, 802.1Q Bridges/VLANs, 802.1D historische Bridge- und STP-Grundlagen, 802.1w historische RSTP-Erweiterung.

27. Kupfer: elektrische Signale, günstig, störanfällig. Glasfaser: Licht, hohe Reichweite und Störfestigkeit. Funk: elektromagnetische Wellen, flexible drahtlose Verbindung. Verdrillung verringert Einkopplung und Übersprechen.

28. Multimode hat einen größeren Kern und wird typischerweise für kürzere Strecken genutzt. Singlemode hat einen kleineren Kern und eignet sich für große Distanzen. Faserart, Wellenlänge, Geschwindigkeit, Transceiver und Stecksystem müssen kompatibel sein.

29. Repeater regeneriert Signale. Hub wiederholt sie an alle anderen Ports. Medienkonverter verbindet unterschiedliche Medien. Transceiver ist ein Sende-/Empfangsmodul zur Anbindung des Mediums.

30. 1000 = 1000 Mbit/s, BASE = Basisband, T = Twisted Pair. Gemeinte optische Varianten: 1000BASE-SX und 10GBASE-SR.

31. Bandbreite ist theoretische Kapazität, Durchsatz tatsächliche Datenmenge pro Zeit, Latenz Verzögerung. Ursachen: Protokollanteile, Geräte-/Servergrenzen, Parallelverkehr, Fehler/Wiederholungen und Pufferung.

32. Halbduplex: beide Richtungen abwechselnd, Kollisionen bei gemeinsamem Medium möglich. Vollduplex: gleichzeitig senden und empfangen, keine normalen Ethernet-Kollisionen. CSMA/CD hört das Medium ab, erkennt Kollisionen, bricht ab, wartet zufällig und versucht erneut.

33. Auto-Negotiation handelt gemeinsam unterstützte Geschwindigkeit und Duplexart aus. Link Up bestätigt eine betriebsbereite physische Verbindung, keine vollständige IP- oder Anwendungskonfiguration.

34. a) 250 MB × 8 = 2000 Mbit. 2000 / 100 = 20 s als ideale Untergrenze. b) 2 GB = 16.000 Mbit. 16.000 / 800 = 20 s bei konstantem effektivem Durchsatz. c) 80 / 8 = 10 MB/s.

35. Mögliche Ursachen: beschädigte oder unvollständige Kabelpaare, ungeeigneter Kanal, Gerätegrenze oder Einstellungen. Beide Interfaces und Aushandlung prüfen, Kabel/Stecker ansehen, Fehlerzähler auswerten, bekannt funktionierendes Kabel einsetzen und gegebenenfalls messen. Immer nur eine Änderung pro Prüfschritt.

D Sicherungsschicht

36. Frames, lokale Adressierung, Protokollzuordnung, Medienzugriff, Fehlererkennung, Switching, VLANs und Schleifenschutz. MAC übernimmt Frameaufbau, Adressierung und Medienzugriff. LLC bildet die logische Schnittstelle nach oben. Ethernet II kennzeichnet das höhere Protokoll meist direkt durch EtherType.

37. Ziel-MAC 6 B, Quell-MAC 6 B, Type/Length 2 B, Nutzdaten/Pad 46–1500 B, FCS 4 B. Davor Präambel 7 B und SFD 1 B, danach Interpacket Gap. Letztere zählen nicht zur normalen MAC-Framegröße.

38. ≤1500 Länge, ≥1536 EtherType, dazwischen ungenutzter Bereich. 0x0800 IPv4, 0x0806 ARP, 0x86DD IPv6, 0x8100 802.1Q-Tag.

39. 46 − 30 = 16 B Padding. 14 + 30 + 16 + 4 = 64 B Framegröße. Bei 1000 B Nutzlast ist kein Padding nötig: 14 + 1000 + 4 = 1018 B. Präambel und SFD nicht mitrechnen.

40. Sender berechnet CRC-32 und fügt FCS an, Empfänger prüft neu. Beschädigte Frames werden normalerweise verworfen. Ethernet korrigiert sie nicht und fordert keine Wiederholung an. TCP kann auf höherer Ebene erneut übertragen.

41. 48 Bit, 6 Byte, 12 Hexadezimalstellen. Universell verwaltete Adressen stammen aus IEEE-Adressblöcken, lokal verwaltete können durch Software/Administration gesetzt werden. Klassisch: OUI in den ersten drei Byte, Hersteller vergibt die weiteren drei. Die vollständige Kennung heißt EUI-48.

42. Unicast ein Interface, Multicast eine Gruppe, Broadcast alle Stationen der Broadcast Domain. Broadcast-MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF. IGMP Snooping hilft, interessierte Multicast-Ports zu erkennen und Kopien zu begrenzen.

43. MAC, Port und VLAN. Der Switch lernt die Quell-MAC eines eintreffenden Frames am Eingangsport. Aging entfernt dynamische Einträge nach Ablauf der festgelegten Zeit ohne Aktualisierung.

44. Bekanntes Unicast-Ziel: gezielt zum Zielport. Unbekanntes: Flooding an geeignete Ports desselben VLANs außer Eingang. Die Unicast-Zieladresse bleibt erhalten. Ziel am Eingangsport: keine Weiterleitung nötig.

45.

Schritt	Gelernte oder aktualisierte Quelle	Weiterleitung	Tabelle danach
a) A an C	A an Port 1	Ports 2, 3 und 4, weil C unbekannt ist	A → 1
b) C an A	C an Port 3	Nur Port 1	A → 1, C → 3
c) B an C	B an Port 2	Nur Port 3	A → 1, C → 3, B → 2

D wird nicht gelernt, weil kein Frame von D eingetroffen ist.

46. Collision Domain ist der Bereich möglicher Kollisionen. Hub: gemeinsame Domain. Switch: getrennte Abschnitte, vollduplex ohne normale Kollisionen. Broadcast Domain umfasst die Empfänger eines Layer-2-Broadcasts. Zwei Switches mit demselben verbundenen VLAN bilden eine Broadcast Domain. Drei VLANs bilden drei.

47. Redundanz bietet Ersatzkomponenten oder Wege. Broadcast Storm: Frames kreisen und vervielfältigen sich. MAC Flapping: dieselbe Quelle wird wechselnden Ports zugeordnet. Duplikate: mehrere Kopien erreichen das Ziel. Ethernet besitzt kein allgemeines TTL-Feld, das die Schleife begrenzt.

E Anwendungsaufgaben

48. Quell-IP 192.168.10.10, Ziel-IP 192.168.10.20. Quell-MAC von PC-A1, Ziel-MAC von PC-A2. Beide PCs sind im selben /24-Netz, daher ist der Router für diesen Datenweg nicht nötig. ARP kann zuvor die Ziel-MAC ermitteln.

49. Vor dem Router: Quell-MAC PC-A1, Ziel-MAC Routerinterface Netz A. Nach dem Router: Quell-MAC Routerinterface Netz B, Ziel-MAC PC-B1. Quell-IP bleibt 192.168.10.10 und Ziel-IP 192.168.20.10. Der Router reduziert die TTL. Ping verwendet ICMP, daher kein TCP-Segment und keine TCP-/UDP-Portnummern für diesen Ping.

50. Root Bridge S1. Auf S1–S2: S1 Designated, S2 Root. Auf S1–S3: S1 Designated, S3 Root. Auf S2–S3: S2 Designated wegen niedrigerer Bridge ID bei gleichen Root-Pfadkosten; S3 Alternate bei RSTP und blockiert normalen Verkehr. Der Pfad verhindert die Schleife und bleibt als Ersatzweg nutzbar. Zusatzthema gemäß Abschnitt 5.

10 Lerncheck

Du bist für den enthaltenen Stoff gut vorbereitet, wenn du Folgendes ohne Nachschauen kannst:

• Einen Netztyp und ein Netzwerkmodell für ein Beispiel bestimmen und begründen.
• Client und Server als Rollen erklären und DNS von DHCP unterscheiden.
• Zentrale Verwaltung, Single Point of Failure, Redundanz und Backup erläutern.
• Alle sieben OSI-Schichten nennen und ihre Aufgaben erklären.
• Das Vier- und Fünf-Schichten-Modell von TCP/IP mit OSI vergleichen.
• Dienst, Protokoll, vertikale und horizontale Kommunikation unterscheiden.
• Kapselung und Entkapselung mit den richtigen PDU-Namen erklären.
• MAC, IP und Port unterscheiden und einen Weg über einen Router erklären.
• TCP, UDP und Best Effort bei IP vergleichen.
• Einen HTTPS-Aufruf und typische Fehler schichtweise erläutern.
• Ethernet und die genannten IEEE-Standardfamilien zuordnen.
• Kupfer, Glasfaser, Multimode und Singlemode vergleichen.
• Ethernet-Bezeichnungen lesen und typische Komponenten erklären.
• Datenraten umrechnen und Übertragungszeiten korrekt berechnen.
• Bandbreite, Durchsatz und Latenz unterscheiden.
• Duplex, CSMA/CD, Auto-Negotiation und Link Up erklären.
• Den Ethernet-Frame mit Größen aus dem Gedächtnis aufzeichnen.
• EtherTypes, Padding, FCS und Framegrößen erklären.
• MAC-Aufbau, Adressarten und Broadcast-Adresse kennen.
• Für eine Framefolge die MAC-Tabelle und Ausgangsports bestimmen.
• Collision und Broadcast Domains unterscheiden und zählen.
• Broadcast Storm, MAC Flapping und Frame-Duplikate erklären.
• Die beiden IP-Netze aus der Praxisaufgabe adressieren und den Paketweg beschreiben.
• Falls STP geprüft wird: Root Bridge, Root Port, Designated und Alternate erklären.

Bei Lücken: Lies den betreffenden Abschnitt nochmals und beantworte danach die passende Übungsfrage erneut. Beim Switching und Routing zählt besonders die Begründung jeder Entscheidung.

11 Quellen und fachliche Präzisierungen

Bereitgestellte Unterrichtsunterlagen

Unterlage	Umfang	Verwendung
1. Netzstrukturen.pptx	29 Folien	Netzklassifikation, P2P, Client-Server, Dienste, Ausfallvorsorge und Mischformen
2. Schichtenmodelle.pptx	38 Folien	Modelle, Protokolle, PDUs, Kapselung, Diagnose und Packet-Tracer-Aufgabe
3. Bitübertragungsschicht.pptx	29 Folien	Ethernet, IEEE, Medien, Datenraten, Duplex und physische Fehlersuche
4. Sicherungsschicht – bis STP.pptx	20 Folien	Frames, MAC-Adressen, Switching, Domains und Schleifenprobleme
Skriptum_Systeme_und_Netze_4.Klasse bis K4 STP.docx	Kapitel 1–4 bis Mehrfachübertragung von Frames	Ausführliche Erklärungen und Abgleich der Präsentationen

Die Folienzahl bezeichnet die tatsächlich vorhandenen Folien, nicht die teilweise abweichenden aufgedruckten Seitennummern. Inhalte aus Sprechertexten wurden berücksichtigt. Arbeitsaufträge in den Dateien wurden als Lernstoff behandelt; die ursprünglichen Dateien wurden nicht geändert.

Zusätzliche Fachquellen

• IEEE Ethernet-Übersicht: vollständige PHY-Bezeichnungen 1000BASE-SX und 10GBASE-SR.
• IEEE zu EUI und OUI: Präzisierung des MAC-Adressaufbaus und der Bezeichnung EUI-48.
• Cisco zu Spanning Tree: ergänzende STP-Grundlagen.
• Cisco zu Rapid Spanning Tree: ergänzende RSTP-Zustände und Portrollen.
• Cisco STP-Konfigurationsleitfaden: Wahlregeln für das ergänzende Dreiecksbeispiel.

Die konkreten Beispiele und Übungsaufgaben dienen dem Verständnis der Unterrichtsinhalte. Sie sind keine Vorhersage der tatsächlichen Testfragen.