Rechnernetze: Übungsfragen mit Erklärungen

1Was ein Computernetzwerk ist

Ein Netzwerk ist eine Gruppe von Geräten, die Daten austauschen: Laptops, Telefone, Server, Drucker. Die Geräte darin heißen Hosts.

Ein Netzwerk innerhalb eines Gebäudes oder Campus ist ein LAN (Local Area Network). Ein Netzwerk über Städte oder Länder hinweg ist ein WAN (Wide Area Network). Das Internet verbindet Millionen von Netzwerken.

Daten reisen nicht als ein langer Strom. Sie werden in kleine Stücke zerlegt, die Pakete heißen, und jedes Paket findet seinen eigenen Weg zum Ziel.

Geräte können einander nur verstehen, wenn sie dieselben Regeln befolgen. Ein solcher Satz von Regeln für Format und Reihenfolge von Nachrichten ist ein Protokoll. TCP, IP und HTTP sind Protokolle.

Die meisten Dienste folgen dem Client-Server-Modell: Ein Client, etwa dein Browser, sendet eine Anfrage, und ein Server schickt die Antwort zurück.

Zwei Begriffe beschreiben, wie schnell eine Verbindung ist. Die Bandbreite ist die maximale Datenrate, zum Beispiel 100 Mbit/s. Die Latenz ist die Verzögerung, bis die Daten ankommen, gemessen in Millisekunden.

2Schichten und Kapselung

Die Vernetzung ist in Schichten unterteilt. Jede Schicht löst ein Problem und nutzt die Schicht darunter. Das OSI-Modell hat 7 Schichten; das im Internet verwendete TCP/IP-Modell fasst sie zu 4 oder 5 zusammen.

• 1 Bitübertragung: sendet rohe Bits als elektrische, optische oder Funksignale über Kabel und Luft.
• 2 Sicherung: liefert Frames zwischen Geräten im selben lokalen Netz, anhand von MAC-Adressen. Ethernet und WLAN gehören hierher.
• 3 Vermittlung: liefert Pakete über Netze hinweg, anhand von IP-Adressen. Router arbeiten hier.
• 4 Transport: liefert Daten zwischen Programmen, anhand von Portnummern. TCP sendet Segmente; UDP sendet Datagramme.
• 5–7 Sitzung, Darstellung, Anwendung: die Dienste, die Menschen nutzen, etwa HTTP für das Web, DNS für Namen und SMTP für E-Mail.

Beim Senden fügt jede Schicht ihren eigenen Header vor die Daten der darüberliegenden Schicht. Das heißt Kapselung. Der Empfänger entfernt die Header in umgekehrter Reihenfolge.

TCP baut zuerst eine Verbindung auf (der Drei-Wege-Handshake SYN, SYN-ACK, ACK). Es nummeriert die Daten, wartet auf Bestätigungen und sendet Verlorenes erneut. Es ist zuverlässig und geordnet.

UDP sendet ohne Verbindung und ohne erneutes Senden. Es ist schneller und wird dort verwendet, wo Verzögerung wichtiger ist als ein verlorenes Paket: Live-Video, Spiele und kurze DNS-Anfragen.

3Adressen, Geräte und Hilfsprotokolle

Drei Arten von Adressen arbeiten zusammen, eine pro Schicht:

• MAC-Adresse (Schicht 2): eine 48-Bit-Hardwareadresse einer Netzwerkkarte. Sie wird nur innerhalb des lokalen Netzes verwendet.
• IP-Adresse (Schicht 3): Eine IPv4-Adresse hat 32 Bit, eine IPv6-Adresse 128 Bit. Sie sagt, wo ein Host im Internet ist.
• Portnummer (Schicht 4): wählt das Programm auf dem Host. Die bekannten Ports reichen von 0 bis 1023: HTTP 80, HTTPS 443, SSH 22, DNS 53, SMTP 25.

Die Geräte folgen denselben Schichten. Ein Hub (Schicht 1) kopiert jedes Signal auf alle Ports. Ein Switch (Schicht 2) sendet einen Frame nur an den Port der Ziel-MAC-Adresse. Ein Router (Schicht 3) leitet Pakete zwischen Netzen weiter.

Einige Hilfsprotokolle machen das möglich:

• DHCP gibt einem Host seine IP-Adresse, Maske, Standardgateway und DNS-Server, wenn er dem Netz beitritt.
• DNS übersetzt einen Namen wie example.com in eine IP-Adresse, wie ein Telefonbuch.
• ARP findet die MAC-Adresse, die zu einer IP-Adresse im lokalen Netz gehört.
• ICMP überträgt Fehler- und Testmeldungen. Der Befehl ping verwendet ICMP-Echo-Anfragen.
• NAT lässt viele Geräte mit privaten Adressen (10.x, 172,16–31.x, 192,168.x) eine öffentliche Adresse gemeinsam nutzen.

Das Standardgateway ist der Router, an den ein Host jedes Paket schickt, dessen Ziel außerhalb des eigenen Subnetzes liegt.

4Das Verfahren Schritt für Schritt

Die meisten Fragen, von Definitionen bis zu Fehlersuchfällen, lassen sich mit denselben Schritten beantworten.

1. Finde die Schicht. Geht es in der Frage um Signale, Frames und MAC-Adressen, Pakete und IP-Adressen, Ports und Verbindungen oder eine Anwendung?
2. Nenne das Gerät oder Protokoll, das auf dieser Schicht arbeitet: Hub, Switch oder Router; Ethernet, IP, TCP oder UDP; DNS, DHCP oder HTTP.
3. Liste bei einer Störung auf, was noch funktioniert und was ausfällt. Was funktioniert, beweist, dass alle Schichten darunter in Ordnung sind.
4. Suche die niedrigste Schicht, die alles Ausgefallene erklären kann. Das ist die wahrscheinlichste Ursache.
5. Prüfe deine Antwort an den anderen Fakten der Frage: Sie muss alle erklären.

Für kurze Rechnungen: Die Übertragungsverzögerung ist die Paketgröße geteilt durch die Datenrate der Leitung, und die Ausbreitungsverzögerung ist die Entfernung geteilt durch die Signalgeschwindigkeit.

5Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

6Häufige Fehler

• DNS und DHCP verwechseln. DNS übersetzt Namen in Adressen; DHCP vergibt Adressen.
• Switch und Router verwechseln. Ein Switch verwendet MAC-Adressen innerhalb eines Netzes; ein Router verwendet IP-Adressen zwischen Netzen.
• Denken, UDP sei „schlechtes TCP“. Es wird absichtlich gewählt, wenn niedrige Verzögerung wichtiger ist als das erneute Senden verlorener Daten.
• Bandbreite (Kapazität) mit Latenz (Verzögerung) verwechseln.
• Portnummern auf die Vermittlungsschicht legen. Ports gehören zur Transportschicht; IP-Adressen zur Vermittlungsschicht.
• Das Standardgateway vergessen. Ohne es erreicht ein Host sein eigenes Subnetz, aber nichts darüber hinaus.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

• Leicht: Begriffe und Fakten. Die Zahl der OSI-Schichten, was DNS oder DHCP tut, Standard-Portnummern, die Größe einer IPv4-Adresse.
• Mittel: Anwendung der Konzepte. Die Schicht eines Geräts, warum ein Protokoll gewählt wird, was ARP, NAT oder der TCP-Handshake tut, kleine Subnetz- und Verzögerungsrechnungen.
• Schwer: Fälle und Analyse. Fehlersuchszenarien, TCP-Verhalten bei Verlust und Überlast, Routing-Protokolle, Angriffe wie ARP-Spoofing oder SYN-Floods und TLS.

Jede Frage hat vier Optionen. Schließe zuerst die Optionen aus, die zur falschen Schicht gehören; oft bleibt nur eine übrig.