Zusammenfassung – Test Systeme und Netze (12.10.2026)
Stoff: Kapitel 1 bis Kapitel 4 bis inklusive Redundante Topologien
Quellen: Skriptum 4. Klasse (bis K4) und die Präsentationen 1–4 aus dem Ordner Test 12.10.2026.
Stoffende
Der Test geht bis Redundante Topologien (Probleme von Layer-2-Schleifen). STP selbst (Root Bridge, Port-Rollen …) kommt im Skriptum erst danach. Ausführliche Notizen dazu stehen in STP kompakt 1.
Kapitel 1 – Netzstrukturen
Computernetz: verbindet mehrere Geräte, damit sie Daten austauschen und Ressourcen gemeinsam nutzen (Dateien, Drucker, Internetzugang, Serverdienste, Datenbanken, Cloud). Die Verbindung kann kabelgebunden oder drahtlos sein.
Klassifikation nach: geografischer Ausdehnung · Netzwerkmodell · Übertragungsmedium · Zuständigkeit/Eigentum · Einsatzzweck.
Ein Netz kann mehreren Kategorien gleichzeitig angehören, z. B. ist ein Schulnetz ein LAN und arbeitet nach dem Client-Server-Modell.
Geografische Ausdehnung
| Typ | Bereich | Beispiel | Technik |
|---|---|---|---|
| PAN | persönliches Umfeld | Handy + Bluetooth-Kopfhörer | Bluetooth, USB, NFC, WLAN Direct |
| LAN | Raum, Gebäude, Standort (eine Organisation verwaltet es) | Schulnetz, Heimnetz | Ethernet, WLAN, Glasfaser |
| MAN | Stadt oder Region | Firmenstandorte in einer Stadt | Glasfaser, Metro Ethernet, Richtfunk |
| WAN | Länder, Kontinente | Standorte Brixen–Bozen–Innsbruck, Internet | Provider-Netze, Standleitung, VPN, MPLS, Mobilfunk, Satellit |
- Es gibt keine festen Kilometergrenzen. Entscheidend sind Ausdehnung, Einsatzzweck und wer das Netz verwaltet.
- WLAN ist kein eigener Netztyp, sondern die drahtlose Übertragungstechnik eines LANs.
Netzwerkmodelle
Peer-to-Peer (P2P): Alle Teilnehmer sind gleichberechtigt und können Dienste anbieten und nutzen, ein zentraler Server ist nicht nötig. Beispiele: gegenseitige Ordnerfreigabe, BitTorrent.
Client-Server: Ein Server stellt einen Dienst bereit (Web, Datei, E-Mail, DNS, DHCP, Datenbank), ein Client fordert ihn an.
Ablauf: Server startet den Dienst und wartet → Client sendet eine Anfrage → Server verarbeitet sie → Server antwortet → Client nutzt das Ergebnis.
Client und Server sind Software-Rollen (Programme/Prozesse), keine Gerätetypen. Ein PC kann gleichzeitig Client (Browser) und Server (Dateifreigabe) sein.
| Merkmal | Peer-to-Peer | Client-Server |
|---|---|---|
| Organisation | dezentral | zentral |
| Geeignet für | kleine, einfache Netze | mittlere und große Netze |
| Benutzerverwaltung | auf jedem Gerät einzeln | zentral |
| Datensicherung | schwer zu koordinieren | zentral planbar |
| Kosten | niedrig | höher (Server, Fachwissen) |
| Skalierbarkeit | begrenzt | gut |
| Sicherheit | schwer einheitlich umzusetzen | zentral steuerbar |
- Single Point of Failure: Eine einzelne Komponente (z. B. ein Server ohne Redundanz) legt bei einem Ausfall den ganzen Dienst lahm. Gegenmittel: Redundanz, Backup, Monitoring, ein Wiederherstellungsplan.
- Schulnetz → Client-Server, wegen zentraler Konten, Rechte, Sicherung und Überwachung.
- In echten Netzen gibt es Mischformen (zentrale Anmeldung plus direkte Freigabe).
Kapitel 2 – Schichtenmodelle
Warum Schichten? Netzwerkkommunikation wird in klar abgegrenzte Aufgaben zerlegt. Jede Schicht bietet der darüberliegenden Schicht Dienste an.
Vorteile: übersichtlich · Technik austauschbar (Kupfer → Glasfaser, ohne dass sich HTTP ändert) · verschiedene Hersteller arbeiten zusammen · Fehler lassen sich einer Schicht zuordnen · Standards können unabhängig entwickelt werden.
- Protokoll: Regeln für die Kommunikation gleichrangiger Schichten auf verschiedenen Geräten (Aufbau, Adressierung, Reihenfolge, Fehlerreaktion, Beginn/Ende).
- Dienst: Das, was eine Schicht der darüberliegenden Schicht anbietet.
OSI-Modell (ISO, 7 Schichten, Referenz- und Denkmodell)
| Nr. | Schicht | Aufgabe | Beispiele | Geräte |
|---|---|---|---|---|
| 7 | Anwendung | Netzwerkdienste für Anwendungen | HTTP(S), DNS, SMTP, IMAP, SSH, DHCP, NTP, SNMP | |
| 6 | Darstellung | Kodierung, Formate, Kompression, Verschlüsselung | UTF-8, JSON, XML, JPEG, TLS | |
| 5 | Sitzung | Sitzungen aufbauen, steuern, beenden | Synchronisationspunkte | |
| 4 | Transport | Prozess-zu-Prozess, Ports, Segmentierung, Fluss- und Staukontrolle | TCP, UDP (QUIC auf UDP) | |
| 3 | Vermittlung | IP-Adressen, Routing zwischen Netzen | IPv4, IPv6, ICMP | Router, L3-Switch |
| 2 | Sicherung | Frames, MAC-Adressen, Fehlererkennung, VLAN | Ethernet 802.3, WLAN 802.11, 802.1Q, PPP | Switch, Bridge, AP |
| 1 | Bitübertragung | Bits als Signale übertragen | Kupfer, Glasfaser, Funk | Repeater, Hub, Medienkonverter |
Merksatz von 1 nach 7: „Please Do Not Throw Sausage Pizza Away“ (Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application).
- IP arbeitet verbindungslos und nach dem Best-Effort-Prinzip: kein Garant für Ankunft, Reihenfolge, Einmaligkeit oder Wiederholung.
- TCP: zuverlässig, verbindungsorientiert. UDP: verbindungslos, wenig Overhead.
- IP bringt das Paket zum richtigen Rechner, TCP/UDP zur richtigen Anwendung (Port).
- Ein Switch leitet Frames im LAN weiter, ein Router leitet Pakete zwischen IP-Netzen weiter.
TCP/IP-Modell
| OSI | TCP/IP (4 Schichten) | Lehrmodell (5 Schichten) |
|---|---|---|
| 7 Anwendung, 6 Darstellung, 5 Sitzung | Anwendung | Anwendung |
| 4 Transport | Transport | Transport |
| 3 Vermittlung | Internet | Vermittlung |
| 2 Sicherung, 1 Bitübertragung | Netzzugang | Sicherung, Bitübertragung |
- Geschichte: ARPANET ab 1969, TCP/IP in den 1970ern entwickelt, 1981 RFC 791 (IPv4) und RFC 793 (TCP), Umstellung des ARPANET am 1.1.1983.
- OSI ist das Referenzmodell, TCP/IP die praktisch eingesetzte Internet-Architektur.
Zusammenspiel, Kapselung, PDU
- Vertikal: Innerhalb eines Geräts gibt jede Schicht ihre Daten an die Nachbarschicht weiter (HTTP → TCP → IP → Ethernet → Bits).
- Horizontal (logisch): Gleichrangige Schichten „sprechen“ miteinander (HTTP ↔ HTTP, TCP ↔ TCP). Ethernet gilt nur für den aktuellen lokalen Abschnitt.
- Kapselung (Sender): Jede Schicht fügt einen Header hinzu, Schicht 2 zusätzlich einen Trailer (FCS).
[ETH | IP | TCP | HTTP | Daten | FCS] - Entkapselung (Empfänger): in umgekehrter Reihenfolge. Jede Schicht wertet ihren Header aus und entfernt ihn.
| Schicht | PDU-Name |
|---|---|
| 7–5 Anwendung | Daten / Nachricht |
| 4 Transport | Segment (TCP) / Datagramm (UDP) |
| 3 Vermittlung | Paket |
| 2 Sicherung | Frame |
| 1 Bitübertragung | Bits / Signale |
Beispiel Webseite (HTTPS): DNS löst den Namen auf → HTTP-Anfrage, TLS verschlüsselt → TCP/QUIC mit Zielport 443 → IP mit Quell- und Ziel-IP → Frame mit lokalen MAC-Adressen (Ziel meist das Standardgateway) → Signale.
IP-Adressen bleiben auf dem Weg gleich, die MAC-Adressen und der Frame ändern sich an jedem Router (Ausnahmen: NAT, Tunnel).
Fehlersuche nach Schichten (meist von unten nach oben)
- Schicht 1: Kabel steckt? Link-LED? WLAN an?
- Schicht 2: Netzwerkkarte aktiv? Richtiges VLAN/WLAN? Lernt der Switch die MAC?
- Schicht 3: Gültige IP? Maske? Gateway eingetragen und erreichbar?
- Schicht 4: Port erreichbar? Blockiert eine Firewall?
- Schicht 7: DNS ok? Dienst erreichbar? URL richtig? HTTP-Statuscode?
Kapitel 3 – Bitübertragungsschicht (Physical Layer)
- Ethernet ist eine Standardfamilie (IEEE 802.3) für kabelgebundene LANs und arbeitet auf Schicht 1 (Kabel, Stecker, Signale, Geschwindigkeit) und Schicht 2 (Frames, MAC, FCS).
- IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers, gegründet 1963.
Wichtige Standards: 802.3 Ethernet · 802.11 WLAN · 802.1Q VLANs/Bridges · 802.1D Bridges/STP · 802.1w RSTP. - Aufgabe der Schicht 1: Sie überträgt Bits als Signale zwischen direkt verbundenen Geräten und legt Medium, Stecker, Codierung, Geschwindigkeit, Leitungslänge und Duplex fest. Sie kennt keine MAC- oder IP-Adressen.
Übertragungsmedien
| Kupfer (Twisted Pair) | Glasfaser | |
|---|---|---|
| Signal | elektrisch | Licht |
| Vorteile | günstig, einfach, flexibel | hohe Datenrate, große Distanz, störunempfindlich, galvanisch getrennt |
| Nachteile | empfindlich gegen elektromagnetische Störungen | Stecker müssen sauber sein, Biegeradius beachten |
| Einsatz | Endgeräte (PC, Drucker, AP) | Backbone, Gebäudeverbindungen |
- Twisted Pair: 4 verdrillte Adernpaare (die Verdrillung reduziert Störungen und Übersprechen), Stecker 8P8C (RJ45).
- Kabelkategorien: Cat 5e → 1 Gbit/s · Cat 6 → 1 Gbit/s (10 Gbit/s auf kurzen Strecken) · Cat 6A → 10GBASE-T · Cat 7/7A geschirmt · Cat 8 → 25/40 Gbit/s im Rechenzentrum. Die Kategorie allein garantiert noch keine Datenrate, die ganze Installation zählt.
- Multimode: großer Kern, kurze Strecken, 850 nm (OM-Fasern). Singlemode: kleiner Kern, große Distanzen, 1310/1550 nm (OS-Fasern). Faser, Wellenlänge und Transceiver müssen zusammenpassen.
Ethernet-Bezeichnungen
1000BASE-T = 1000 Mbit/s · BASEband · Twisted Pair. Ein S am Ende steht für Multimode-Glasfaser (Short).
| Standard | Rate | Medium |
|---|---|---|
| 100BASE-T | 100 Mbit/s | Kupfer (Fast Ethernet) |
| 1000BASE-T | 1 Gbit/s | Kupfer (Gigabit Ethernet) |
| 10GBASE-T | 10 Gbit/s | Kupfer |
| 1000BASE-S / 10GBASE-S | 1 / 10 Gbit/s | Multimode-Glasfaser |
Geschwindigkeit
- 1 Byte = 8 Bit, 1 Gbit/s = 1000 Mbit/s, angegeben in Bit pro Sekunde.
- Übertragungszeit = Datenmenge / Datenrate (vorher die Einheiten angleichen!)
Beispiel: 1 GB = 8 Gbit bei 800 Mbit/s = 0,8 Gbit/s → 10 s. 100 MB = 800 Mbit bei 100 Mbit/s → 8 s. - Bandbreite: theoretische Kapazität · Durchsatz: was real ankommt · Latenz: Verzögerung.
Eine Leitung kann eine hohe Bandbreite und trotzdem eine hohe Latenz haben. - Der Durchsatz ist geringer als die Bandbreite wegen: Header/Trailer/Präambel, Endgeräte (CPU, Festplatte), Netzgeräte und Auslastung, Fehler und Wiederholungen, Gegenstelle, parallelem Verkehr.
Duplex
- Halbduplex: Beide Seiten senden, aber nicht gleichzeitig → Kollisionen möglich (früher mit Hubs). CSMA/CD: Medium abhören → Kollision erkennen → zufällige Wartezeit (Backoff) → erneut senden.
- Vollduplex: gleichzeitiges Senden und Empfangen, keine Kollisionen, heute der Normalfall (Switch ↔ Endgerät). CSMA/CD ist nicht nötig.
- Auto-Negotiation: Zwei Ports handeln die höchste gemeinsame Geschwindigkeit und den Duplexmodus aus. Ein Duplex-Mismatch erzeugt zwar einen Link, aber Fehler und schlechten Durchsatz.
Geräte der Schicht 1
Repeater (regeneriert das Signal) · Hub (gibt das Signal an alle Ports weiter, veraltet) · Medienkonverter (Kupfer ↔ Glasfaser) · Transceiver (SFP, SFP+, QSFP) · Kabel und Stecker.
Typische Fehler und Fehlersuche
- Kein Link: Kabel ab, Port deaktiviert, falscher Transceiver, maximale Länge überschritten.
- Glasfaser: verschmutzte Stecker, Tx/Rx vertauscht, falsche Wellenlänge.
- Nur 100 Mbit/s statt 1 Gbit/s: Kabelpaare, Kategorie oder Aushandlung prüfen. Viele FCS-Fehler: Signalqualität oder Duplex.
- Vorgehen: Sichtprüfung → Link-LED → Portkonfiguration → Fehlerzähler → Tauschtest → Messung. Immer nur eine Änderung auf einmal.
- Link Up bestätigt nur die physische Verbindung, keine korrekte IP-Konfiguration. Auch ein Ping beweist keinen fehlerfreien Link.
Kapitel 4 – Sicherungsschicht (Data Link Layer) bis Redundante Topologien
Aufgaben: Frames bilden · lokale Adressierung mit MAC · Protokoll kennzeichnen (EtherType) · Medienzugriff · Fehlererkennung · Weiterleitung durch Switches · VLANs · Schleifen vermeiden.
Geräte: Switch, Bridge, Access Point, Netzwerkkarte.
Teilschichten:
- MAC (Media Access Control): MAC-Adressierung, Frameaufbau, Medienzugriff, FCS.
- LLC (Logical Link Control): Schnittstelle nach oben. Bei Ethernet II entscheidet meist das EtherType-Feld.
Ethernet-Frame
| Präambel | SFD | Ziel-MAC | Quell-MAC | Type/Length | Nutzdaten + Padding | FCS |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 7 B | 1 B | 6 B | 6 B | 2 B | 46–1500 B | 4 B |
- Präambel: Bitmuster zur Taktsynchronisation. SFD: markiert den Beginn des Frames. Beide gehören zur physischen Übertragung und werden nicht zur Framegröße gezählt.
- Ziel-MAC steht zuerst, dann die Quell-MAC (der lokale Absender, nie Broadcast).
- Type/Length: ≤ 1500 bedeutet Länge, ≥ 1536 (0x0600) bedeutet EtherType, 1501–1535 wird nicht verwendet.
0x0800 IPv4 · 0x0806 ARP · 0x86DD IPv6 · 0x8100 VLAN-Tag - Padding füllt auf, wenn die Nutzdaten zu klein sind.
- FCS: 32-Bit-CRC. Ethernet erkennt Fehler und verwirft den Frame, korrigiert aber nicht und fordert nichts neu an. Das übernimmt z. B. TCP.
- Framegröße (Ziel-MAC bis FCS): min. 64 Byte, max. 1518 Byte, mit VLAN-Tag 1522 Byte. Max. Nutzlast 1500 Byte.
MAC-Adresse
- 48 Bit = 6 Byte = 12 Hex-Zeichen, Schreibweisen:
00:1A:2B:3C:4D:5E·00-1A-…·001A.2B3C.4D5E(Cisco). - OUI = erste 3 Byte (Hersteller, vergibt die IEEE) · die letzten 3 Byte vergibt der Hersteller selbst.
- Andere Namen: Hardware-, physische, Ethernet-, LAN-Adresse, BIA (Burned-In Address).
- Universell verwaltet (IEEE-Block) oder lokal verwaltet (per Software gesetzt). MAC-Adressen sind nicht immer weltweit eindeutig oder unveränderlich (Virtualisierung, Änderung).
- Unicast: genau ein Interface · Multicast: eine Gruppe (ohne IGMP-Snooping geflutet) · Broadcast:
FF:FF:FF:FF:FF:FF, an alle im VLAN. Router leiten keine Broadcasts weiter.
Arbeitsweise eines Switches
MAC-Adresstabelle: MAC-Adresse → Port → VLAN, z. B. 00:11:22:33:44:55 → Gi0/3 → VLAN 10
Lernen mit der Quell-MAC, weiterleiten mit der Ziel-MAC.
- Ein Frame kommt an → der Switch speichert Quell-MAC + Eingangsport (der Eintrag altert nach der Aging-Zeit).
- Ziel bekannt: Weiterleitung nur über diesen einen Port (liegt das Ziel am Eingangsport, wird nicht weitergeleitet).
- Ziel unbekannt (Unknown Unicast): Flooding an alle Ports im VLAN außer dem Eingangsport. Wenn das Ziel antwortet, lernt der Switch dessen MAC.
- Broadcast: wird im VLAN geflutet. Multicast: wird geflutet oder mit Snooping gezielt weitergeleitet.
Flooding ist nicht dasselbe wie Broadcast: Ein Unknown-Unicast-Frame bleibt ein Unicast.
Collision Domain und Broadcast Domain
| Collision Domain | Broadcast Domain | |
|---|---|---|
| Was? | Bereich, in dem Signale kollidieren können | alle Geräte, die denselben Layer-2-Broadcast bekommen |
| Hub | alle Ports gemeinsam | eine Domain |
| Switch | jeder Port eine eigene (Vollduplex: keine Kollisionen) | trennt sie nicht |
| Getrennt durch | Switch/Bridge | Router, Layer-3-Interface, VLAN (jedes VLAN = eine eigene Broadcast Domain) |
Redundante Topologien
Redundanz bedeutet, dass es zwischen Geräten mehrere mögliche Verbindungen gibt.
Vorteile: höhere Verfügbarkeit · alternative Wege · Schutz vor Kabel- oder Portausfall · Wartung ohne Ausfall · mit Link Aggregation mehr Kapazität.
Problem: Switches in einer Schleife ohne Schutzverfahren (STP). Ethernet-Frames haben keine TTL und kreisen deshalb endlos.
- Broadcast Storm: Broadcasts werden in der Schleife immer wieder kopiert. Folgen: alle Links ausgelastet, hohe CPU-Last, Verlust normaler Frames, hohe Latenz, Ausfall der ganzen Broadcast Domain/des VLANs.
- Instabile MAC-Tabellen (MAC Flapping): Dieselbe Quell-MAC kommt abwechselnd an verschiedenen Ports an. Beispiel: PC1 an SW1 Fa0/10 sendet, SW1 flutet, der Frame kommt über SW3 an Fa0/3 zurück. SW1 trägt dann
PC1 → Fa0/3ein, und Frames an PC1 gehen in die falsche Richtung, bis PC1 wieder selbst sendet. - Mehrfachübertragung (Duplikate): Mehrere Kopien desselben Frames kommen am Ziel an. Schicht 2 hat keine Sequenznummer, um Duplikate zu erkennen.
Lösung (nächstes Kapitel): STP/RSTP blockiert einzelne Ports, sodass aus der Schleife ein Baum ohne Kreis wird. Der blockierte Weg bleibt als Reserve erhalten.
Schnell-Check vor dem Test
- PAN/LAN/MAN/WAN mit Beispiel und Technik nennen
- P2P und Client-Server vergleichen, Begriff Single Point of Failure, Modell für ein Schulnetz begründen
- OSI-7 und TCP/IP-4 mit Aufgaben, Protokollen und Geräten zuordnen
- Unterschied Dienst und Protokoll, vertikale und horizontale Kommunikation
- Kapselung/Entkapselung, PDU-Namen (Daten, Segment, Datagramm, Paket, Frame, Bits)
- Warum ändern sich MAC-Adressen beim Routing, IP-Adressen aber nicht?
- 1000BASE-T lesen, Kupfer und Glasfaser, Multimode und Singlemode, Cat-Kategorien
- Übertragungszeit berechnen, Bandbreite/Durchsatz/Latenz unterscheiden
- Halb- und Vollduplex, CSMA/CD, Auto-Negotiation
- Ethernet-Frame mit Feldern und Größen (64 / 1518 / 1522 / 1500), EtherTypes, FCS
- MAC-Aufbau (48 Bit, OUI), Unicast/Multicast/Broadcast
- Switch: Lernen, Weiterleiten, Flooding
- Collision Domain und Broadcast Domain (Hub, Switch, Router, VLAN)
- Redundanz: Vorteile und die drei Schleifenprobleme mit Beispiel