Netzwerkmodelle und Schichten

Netzwerkmodelle und Schichten
11 Mrz 2019

Netzwerkmodelle und Schichten

Wer Computer – Netzwerke besser verstehen möchte, muss sich mit dem Thema Netzwerkmodelle und Schichten besser vertraut machen! Eigentlich werden ja immer die englischen Wörter verwendet, also spricht man von Layers (Ebenen) und dem sogenannten OSI- und TCP/IP – Modell! Netzwerkmodelle unterstützen dabei, die Übertragung zwischen Geräten in Netzwerken besser nachzuvollziehen, egal ob im LAN/WLAN oder über ein WAN! Netzwerkmodelle und deren Schichten helfen darüber hinaus nicht nur bei der Analyse und dem Verständnis von Netzwerken sondern auch bei der Suche nach Fehlern!

TCP/IP vs. OSI – Modell

Ein Netzwerkmodell ist wie ein Bauplan, ganz nach dem Motto „was muss geschehen, damit das Netzwerk funktioniert“! Auch bei einem Haus gibt es verschiedene Schichten! Das Fundament, die Wände und Fassaden, die Stockwerke und einzelnen Räume, die Wasser- und Stromleitungen und schließlich und endlich die Farben der Wände innerhalb der Räume sowie die Einrichtung!

Auf jeder Schicht in der Netzwerktechnik kommt es zum Einsatz verschiedener Protokolle welche bestimmte Regeln festlegen die für alle Geräte gelten! Das OSI – Modell ist genauer als das TCP/IP – Modell da es 7 Schichten umfasst, in der Praxis wird aber immer das TCP/IP – Modell eingesetzt welches nur 4 Schichten umfasst! Das TCP/IP – Modell ist aus dem OSI – Modell entstanden!

Nachfolgend beziehe ich mich auf das TCP / IP – Modell welches ich aber durch eine Schicht erweitere! Layer 1, welcher normalerweise nur als Netzzugang bezeichnet wird, teile ich in die 2 OSI – Schichten Bitübertragungsschicht (Physical Layer) und Sicherungsschicht (Data Link Layer)!

Mit 5 Schichten lassen sich die Vorgänge nämlich besser erklären, ich spare mir aber wie beim OSI – Modell die Schicht 5 um 2 zusätzliche (wie im OSI-Modell nämlich Sitzungs- und Darstellungsschicht!) zu erweitern da es wiederum die Grundlagen unnötig verkomplizieren würde!

 

Netzwerkmodelle und Schichten

Mit „neu“ ist gemeint, dass das TCP/IP – Modell aus dem OSI-Modell entstanden ist – hier meine Auflistung mit 5 Schichten, offiziell besteht das TCP/IP – Modell aber nur aus 4 Schichten – die ersten beiden Schichten (Layer 1 und 2) stammen vom OSI – Modell! Da das Internet eine Verbindung aus verschiedenen WANs, LANs und WLANs ist, kann auch hier das TCP/IP – Modell verwendet werden!

Generell wird das Modell von oben nach unten, oder von unten nach oben durchlaufen! Man spricht daher auch von encapsulation und decapsulation (Kapselung und Entkapselung!)!

Kapselung / Entkapselung

Kapselung (von oben nach unten!) bedeutet, Daten von einer höheren in eine niedrigere Schicht (z.B. Schicht 5 in Schicht 4!) zu verpacken (in den Datenteil)!

Entkapselung (von unten nach oben!) bedeutet, Daten einer höheren Schicht aus einer niedrigeren (z.B. vom Datenteil aus Schicht 4!) auszupacken!

Der Kapselungsvorgang erfolgt beim Absender – PC immer von Schicht 5 bis Schicht 1 und der Entkapselungsvorgang beim Empfänger – PC wieder zurück von Schicht 1 bis Schicht 5!

Bei einem Router kann nur bis Schicht 3 bei einem Switch nur bis Schicht 2 entkapselt werden, da diese Geräte hauptsächlich für die Pfadfindung und die korrekte sowie intelligente Zustellung zur Anwendung kommen!

Bei Kapselungs- sowie Entkapselungsvorgängen spricht man auch oft von der Interaktion zwischen benachbarten Schichten (Adjacent Layer Interaction!)!

 

Was passiert auf welcher Schicht (TCP/IP-Modell)?

Schicht 5

Daten welche über Netzwerke verschickt werden nennt man auf Schicht 5, Layer 5 – Protocol – Data – Units (L5PDU)! Schicht 5 (Layer 5) arbeitet mit gestarteten Programmen direkt zusammen, daher bildet sie eine Schnittstelle zwischen dem Programm welches verwendet wird (z.B. Skype, WhatsApp, Filezilla, Browser etc.) und dem Netzwerk!

Entkapselung:

Es muss auf Schicht 5 aus dem im Datenteil vom Segment von Schicht 4 wieder das dort enthaltene L5PDU ausgepackt und verwendet werden = Entkapselung!

Bekannte Schicht 5 – Protokolle sind vor allem HTTP und FTP! HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) überträgt Website-Daten mit einem Browser, FTP (File Transfer Protocol) wird verwendet um Daten von einem sogenannten FTP-Server im Internet auf einen PC welcher ein FTP-Programm (FTP-Client) verwendet zu übertragen!

 

 

Schicht 4

Daten welche über Netzwerke verschickt werden nennt man auf Schicht 4 Segmente!Netzwerkmodelle und Schichten

Schicht 4 (Layer 4)  verwendet hauptsächlich die Protokolle TCP und UDP!

Kapselung / Entkapselung:

Die Schicht 5  Header – Daten werden auf Schicht 4 im Datenteil für den Transport gespeichert, welche auf Schicht 4 aber nicht gelesen werden können (nur Transport möglich!) = Kapselung!

Ebenso muss umgekehrt auf Schicht 4 aus dem im Datenteil vom Paket von Schicht 3 wieder das dort enthaltene Segment ausgepackt und verwendet werden = Entkapselung!

TCP = Transmission Control Protocol

Es erfolgt ein kontrollierter Verbindungsauf- sowie Verbindungsabbau! Wenn Daten übertragen werden, kontrolliert TCP genau ob diese auch genau so ankommen wie sie versendet wurden! Sollten Daten beschädigt eintreffen, werden diese neu angefordert (Fehlerbehebung)!

UDP = User Datagram Protocol

UDP verfügt weder über einen kontrollierten Verbindungsauf- noch Verbindungsabbau oder kontrolliert ob Daten korrekt ankommen! Dafür ist UDP etwas schneller bei der Datenübertragung und kommt daher vor allem bei VOIP (Voice over IP!) – Diensten wie z.B. Skype oder WhatsApp zum Einsatz!

TCP sowie UDP verwenden sogenannte Absender und Empfänger – Ports (virtuelle Anschlüsse!) welche immer ein bestimmtes Programm (Dienst!) auf einem Absender-Gerät und Empfänger-Gerät betreffen! Bekannt ist z.B. Port 80 welcher den Dienst HTTP auf Layer 5 anspricht ODER Port 21 welcher den Dienst FTP auf Layer 5 anspricht!

Das jeweilige Gerät (z.B. Tablet, Laptop, Smartphone!) erkennt vereinfacht erklärt anhand des Zielports (Zielanschluss!) an welches Programm weitergeleitet werden muss! Filezilla-Server ist z.B. ein FTP-Server, er „lauscht“ daher auf Port 21 und wenn er gestartet wurde und ein Computer auf den Computer auf welchem das Programm Filezilla-Server läuft mit Port 21 zugreift weiß der Zielcomputer dass er die „Anfrage“ an dieses „lauschende“ (geöffnete) Programm weiterleiten muss!

Schicht 3

Schicht 3 (Layer 3) – Daten welche über Netzwerke verschickt werden nennt man Pakete! Das Protokoll welches auf Schicht 3 häufig zum Einsatz kommt ist IP = Internet Protocol!

Kapselung / Entkapselung:

Die Schicht 4 Header – Daten werden auf Schicht 3 im Datenteil für den Transport gespeichert, welche auf Schicht 3 aber nicht gelesen werden können (nur Transport möglich!) = Kapselung!

Ebenso muss umgekehrt auf Schicht 3 aus dem im Datenteil vom Frame von Schicht 2 wieder das dort enthaltene Paket ausgepackt und verwendet werden = Entkapselung!

Schicht 3 hat die Aufgabe das Paket welches ein Gerät (Host) verschickt logisch mittels sogenannter IP – Adressen zu adressieren (Absender- u. Empfängeradresse!) und korrekt zuzustellen (auch weltweit!)!

Die Übermittlung erfolgt über sogenannte Router welche die Routenfindung für die Pakete durchführen (ähnlich Navigationsgerät!)! Es geht also auch um die Wegfindung zum Zielgerät!

Die Router verwenden dazu sogenannte Routing-Protokolle wie z.B. RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First) oder EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) welche entweder den kürzesten (RIP), den schnellsten aber nicht unbedingt kürzesten (OSPF) oder den schnellsten und kürzesten Weg (EIGRP) ermitteln und das Paket von Router zu Router weitergeben bis es beim Zielgerät zugestellt werden kann!

Bei der Übermittlung des Pakets von Computer A nach Computer B bleiben Absender und Empfänger – IP – Adressen (auch über das Internet!) durchgehend gleich (änlich Brief mit der Post, E-Mail)!

 

Schicht 2

Schicht 2 (Layer 2) – Daten welche über Netzwerke verschickt werden nennt man Frames! Protokolle welche auf Schicht 2 zum Einsatz kommen sind vorrangig Ethernet-Protokolle!

Generell betrifft es aber auch oft den Zugang zum WAN bzw. die Verbindungstechnologie welche für die Verbindung ins WAN verwendet wird (z.B. Ethernet, HDLC, ADSL, VDSL, etc.)!

Kapselung / Entkapselung:

Die Schicht 3 Header – Daten werden auf Schicht 2 im Datenteil für den Transport gespeichert, welche auf Schicht 2 aber nicht gelesen werden können (nur Transport möglich!) = Kapselung!

Ebenso muss umgekehrt auf Schicht 2 aus den Nullen und Einsen von Schicht 1 wieder ein Frame erzeugt werden = Entkapselung! Im Gegensatz zur Schicht 3 geht es auf Schicht 2 nicht um die weltweite eindeutige logische Adressierung sondern um die physische Adressierung zwischen 2 direkt verbundenen Geräten, z.B. ein Computer welcher direkt mit einem Router verbunden ist, oder ein Router welcher mit einem anderen Router verbunden ist (wie es in einem WAN sehr oft der Fall ist!)!

Für die physische Adressierung verwendet man sogenannte MAC – Adressen (Media Access Control – Adressen) welche ein  physischer Anschluss (LAN-Port) z.B. bei einem Router oder Laptop weltweit in der Regel nur einmalig verwendet! MAC-Adressen werden verwendet um die Daten (Frames) zwischen 2 physisch (z.B. Kabel) verbundenen Geräten zu übertragen!

Router entfernen auf dem Weg zum Zielgerät immer wieder die Absender sowie Empfänger MAC-Adressen und setzen ihre eigene MAC-Adresse als Absender-Adresse ein sowie die Empfänger-Adresse des nächsten Routers welcher für die Übermittlung benötigt wird! MAC-Adressen werden also auf dem Weg von z.B. Computer A nach Computer B ständig entfernt und neu erstellt, was bei IP-Adressen auf Schicht 3 von A nach B NICHT passiert!

Bei IP – Adressen geht es um die logische Übermittlung zwischen 2 Geräten welche auch sehr weit voneinander entfernt sein können, Sie sind nicht physisch direkt miteinander verbunden! Schicht 2 kann auch Fehler die bei der Übertragung zwischen 2 physisch verbundenen Geräten entstanden sind erkennen (im sogenannten Ethernet-Trailer!), es dient also zur Fehlerdiagnose bzw. Fehlererkennung jedoch NICHT zur Behebung des Fehlers, dafür wird TCP auf Schicht 4 verwendet!

 

Schicht 1

Letztendlich müssen Daten mit physischen Medien übermittelt (Telefonkabel, Kupferkabel, Glasfaserkabel, Funk etc.) und verteilt werden (z.B. Patchpanel!), die Übertragung erfolgt mit Bits in Form von Nullen und Einsen!

Auch die Funkwellen welche beim großflächigem Einsatz von WLAN u. Mobilfunk verwendet werden gehören zu Schicht 1! Durch Elektrizität (Kupferkabel) können Nullen und Einsen übertragen werden, bei Licht (Glasfaserkabel) bedeutet dunkleres Licht 0 und helleres Licht 1!

Wenn es um die Fehleranalyse oder das „Troubleshooting“ geht, beginnt man sehr oft bei Schicht 1 und arbeitet sich hoch!

Ein Beispiel in sehr vereinfachter Form siehe unterhalb! Gewisse Details (wie z.B. DHCP Requests u. Replys oder DNS Requests/Replys, ARP, kontrollierter Verbindungsauf- sowie Verbindungsabbau etc.) wurden aus Gründen der Nachvollziehbarkeit bewusst weggelassen!

Der Client auf der linken Seite gibt eine Adresse im Browser ein! Es wird ein HTTP – Request (Anfrage!) an den Webserver auf der rechten Seite gesendet!

Http Request

Nachdem die Anfrage beim Server einlangt, antwortet dieser meist mit den Inhalten der Seite (z.B. von it-leitner.at) in Form von mehreren HTTP – Responses!

Http-Response

Wie man auch schön sieht erfolgt das einpacken sowie auspacken (encasuplation/decapsulation) im Modell immer von oben nach unten und von unten nach oben!

Wird das Modell zur Fehleranalyse verwendet könnte das folgendmermaßen aussehen (man beginnt meist von unten!):

Layer 1 – Kabel überprüfen, alles aus- und wieder einschalten (ist auch alles eingeschaltet?),  bei WLAN gibt es Probleme mit der Signalstärke – wird z.B. ein Verstärker oder Ähnliches benötigt? Sind die Kabel oder Anschlüsse defekt? Gibt es Probleme bei der Leitung welche zum Gebäude führt (Provider anrufen!)?, Auto – Negotiation überprüfen etc.

Layer 2 – Geräte wie z.B. Switches und Einstellungen auf Layer 2 überprüfen (MAC-Adressen, Port-Security etc.)

Layer 3 – Geräte wie z.B. Router und Einstellungen auf Layer 3 überprüfen (IP-Einstellungen, Routing – Protokolle, Standard Access Control Lists etc.)

Layer 4 – Einstellungen überprüfen (Portweiterleitungen, Firewall – Konfiguration, Extended Access Control Lists etc.)

Layer 5 – Event. Probleme auf dem jeweiligen Gerät direkt ausfindig machen (Malware, Treiber, fehlerhafte Konfiguration eines Programms etc.)

Wie man sieht sind Netzwerkmodelle und Schichten sehr interessant um vor allem das Internet besser zu verstehen, es eignet sich aber genauso für den mittleren und kleineren Bereich (sogar bei einer Direktverbindung mit nur einem Crossover-Kabel!)!

Außerdem können vor allem in komplexen Umgebungen Fehler besser und schneller gefunden werden!

Verwendet ihr Netzwerkmodelle und Schichten um Fehler zu finden?

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Gerald Leitner

Mein Name ist Gerald Leitner und bereits als Kind bestand bei mir ein Bedürfnis den Nachbarn in meiner Heimat Bad Mitterndorf bei Ihren PC-Problemen zu helfen. Im Laufe der Zeit brachte ich mir neben meiner Ausbildung als IT-Fachmann an der Handelsschule für Informationstechnologie in Bad Aussee auch sehr vieles selbst bei, in 3 weiteren Jahren maturierte ich in Graz. Relativ rasch wechselte ich in die Selbständigkeit und erwarb die Internet and Computing Core sowie die Office Specialist Certification von Microsoft. Seit dem Jahr 2008 unterrichte ich als IT-Trainer Kursgruppen verschiedenen Alters für das Unternehmen Institut 2F. Auch privat beschäftige ich mich sofern ich noch Zeit finde weiterhin mit meinem Hobby das ich mir zum Beruf gemacht habe. Unerlässlich sind laufende Schulungen und autodidaktische Weiterbildung, da der Bereich in dem ich tätig bin stetigen Änderungen unterliegt! Begonnen habe ich Anfang der 90er Jahre als Kind in MSDOS 6.22, in der Zwischenzeit hat sich enorm viel getan und die Möglichkeiten nehmen von Tag zu Tag immer weiter zu! In der Computerwelt erleben wir ein extrem schnelles exponentielles Wachstum, täglich kommen neue Geräte und Programme auf den Markt, die Möglichkeiten sind fast unbegrenzt! Das ist für mich bis heute das Faszinierende an der IT-Branche! Immer häufiger sind es heutzutage auch die alltäglichen Dinge die in irgendeiner Form mit der EDV in Zusammenhang stehen! Man spricht vom Internet of Things (kurz IoT). Was bisher nur ein Computer, Notebook oder Smartphone war ist in der Zukunft auch die Eingangstür, Garage, die Heizung oder der Kühlschrank! Durch VR (Virtual Realtiy) wird es künftig möglich sein, mit einer Brille in einer künstlichen 3D-Welt Gebäude zu besichtigen ohne dass Sie vorher gebaut werden, Autos können dem Kunden in verschiedenen Variationen, Farben etc. präsentiert werden ohne dass diese vor Ort sein müssen, aber auch im privaten Bereich und vor allem unter Spielern läutet Virtual Reality eine weitere Revolution im IT – Sektor ein! Es sind interessante Entwicklungen die in der Zukunft noch auf uns zukommen und ich freue mich auf sie!

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