FachgrundlageSprint 2fachsystematisch⏱ 5 h

Wie Schichtenmodelle Netze ordnen, welche Protokolle beim Scannen zusammenspielen und wie man einen Adressblock in passende Netze schneidet, für IPv4 und IPv6.

Sprint 2 · InputBrückenstufe 2

Eure Story: Ihr legt fest, welche Netze die Halle bekommt, welche Adressen jedes Netz in IPv4 und IPv6 erhält und wie die Netze logisch zusammenhängen.

Input für eure Storycard. Holt euch die Karte, die eure Storycard gerade braucht. Grundlage für AB 1 bis 7.

Du liest die Karten, die du für den nächsten Schritt brauchst, und prüfst dich am Ende mit drei Fragen.

0 von 7 AB abgehakt AB-Liste öffnen

Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Jede Schicht löst genau ein Problem: die Bits auf die Leitung, den Rahmen zum Nachbarn, das Paket ins richtige Netz, die Daten zur richtigen Anwendung.

Öffne nur die Karte, die du gerade brauchst. Das hier gilt in jedem Betrieb und in der Technikerprüfung, nicht nur in der Halle.

Sieben Schichten des OSI-Modells neben den vier Schichten des TCP/IP-Modells mit den Protokollen, die beim Scan vorkommen: DHCP, DNS, HTTP, TLS, TCP, UDP, IP, ICMP, Ethernet, WLAN, ARPOSI-Modell, TCP/IP-Modell und die Protokolle eines Scans7 AnwendungDaten6 Darstellung5 Sitzung4 TransportSegment3 VermittlungPaket2 SicherungRahmen1 BitübertragungBitsAnwendungTransportInternetNetzzugangOSITCP/IPDHCP · DNS · HTTP · TLSTCP (443) · UDP (53, 67, 68)IPv4 · IPv6 · ICMPEthernet 802.3 · WLAN 802.11 · ARPKupfer, Glasfaser, FunkJede Schicht nutzt die darunter. Beim Senden wird von oben nach unten verpackt, beim Empfang wieder ausgepackt.
Die sieben Schichten des OSI-Modells, die vier Schichten des TCP/IP-Modells und die Protokolle, die bei einem Scan vorkommen. Eigene Darstellung.
Die 32 Bit von Netzadresse, Maske und Broadcast des Beispielnetzes 172.16.5.64/26; die ersten 26 Bit sind Netzanteil, die letzten 6 Bit Hostanteil, daraus 62 nutzbare AdressenBeispiel 172.16.5.64/26: Netzanteil und HostanteilAdresse10101100000100000000010101000000Netzadresse 172.16.5.64Maske11111111111111111111111111000000Maske 255.255.255.192 = /26Broadcast10101100000100000000010101111111Broadcast 172.16.5.12726 Bit Netzanteil6 Bit HostanteilHosts je Netz = 2⁶ minus 2 = 62 · Netzadresse: alle Hostbits 0 · Broadcast: alle Hostbits 1Ein Bit mehr im Netzanteil halbiert den Block, ein Bit weniger verdoppelt ihn.
Ein Beispielnetz in 32 Bit: Die Maske trennt Netzanteil und Hostanteil, daraus folgen Netzadresse, Broadcast und Zahl der Hosts. Eigene Darstellung.

Die Grundlagen, Karte für Karte

1Schichtenmodelle: OSI und TCP/IP
Sieben Schichten, vier Schichten, und wer was verpackt▾

Das OSI-Referenzmodell (ISO/IEC 7498-1) teilt die Kommunikation in sieben Schichten. Es ist ein Denkmodell: Man ordnet damit Protokolle, Geräte und Fehler ein. Gebaut wird das Internet nach dem TCP/IP-Modell mit vier Schichten (beschrieben in RFC 1122).

OSI-Schicht TCP/IP Dateneinheit Beispiel in der Halle
7, 6, 5 Anwendung, Darstellung, Sitzung Anwendung Daten Buchung über HTTPS, DNS-Abfrage, DHCP
4 Transport Transport Segment (TCP) bzw. Datagramm (UDP) TCP-Verbindung zu Port 443
3 Vermittlung Internet Paket IPv4-Paket vom Scanner zum Lagersystem
2 Sicherung Netzzugang Rahmen WLAN-Rahmen an den Funkzugang, Ethernet-Rahmen am Switch
1 Bitübertragung Netzzugang Bits Funk, Kupfer, Glasfaser

Beim Senden gibt jede Schicht einen eigenen Kopf dazu (Kapselung), beim Empfang nimmt jede Schicht ihren Kopf wieder ab. Ein Switch arbeitet auf Schicht 2, ein Router auf Schicht 3, ein L3-Switch kann beides.

2Protokollfamilien und ihre Aufgaben
DHCP, ARP, DNS, TCP, UDP, IP, TLS, HTTP▾
Protokoll Aufgabe Schicht Fundstelle
DHCP vergibt Adresse, Maske, Gateway und DNS-Server an ein Gerät Anwendung, über UDP 67 und 68 RFC 2131
ARP findet zur IPv4-Adresse im eigenen Netz die MAC-Adresse zwischen 2 und 3 RFC 826
DNS löst einen Namen wie lager.hlg.example in eine Adresse auf Anwendung, meist über UDP 53 RFC 1034, RFC 1035
TCP zuverlässige Verbindung mit Reihenfolge und Quittung Transport RFC 9293
UDP schnelle Übertragung ohne Verbindung und ohne Quittung Transport RFC 768
IPv4, IPv6 Adressierung und Weg durch die Netze Vermittlung RFC 791, RFC 8200
TLS, HTTP Verschlüsselung und Abruf von Daten, zusammen HTTPS über TCP 443 Anwendung RFC 8446, RFC 9110

Zur TCP/IP-Familie gehören alle diese Protokolle. Andere Familien gibt es auch, etwa Feldbusse in der Automatisierung oder ältere Büronetze. Im Netz der Halle spricht jedes Gerät TCP/IP, auch Waage, Fühler und Kamera.

3Ports und Verbindungen
Portnummern und der Dreiwegehandschlag▾

Die IP-Adresse bringt ein Paket zum richtigen Gerät, die Portnummer zur richtigen Anwendung. Bekannte Ports: 53 DNS, 67 und 68 DHCP, 80 HTTP, 443 HTTPS. Der Scanner wählt als Absender einen freien hohen Port. Adresse und Port zusammen heißen Socket.

TCP baut eine Verbindung mit dem Dreiwegehandschlag auf: SYN, SYN und ACK, ACK. Erst danach fließen Daten. UDP schickt sofort, ohne Aufbau. Deshalb laufen kurze Anfragen wie DNS meist über UDP, Buchungen, bei denen nichts verloren gehen darf, über TCP.

4IPv4-Adressen und Maske
32 Bit, Maske, Netzadresse, Broadcast▾

Eine IPv4-Adresse hat 32 Bit, geschrieben als vier Dezimalzahlen von 0 bis 255. Die Maske sagt, wie viele Bit von links das Netz bezeichnen, in Kurzform als Präfixlänge, zum Beispiel /26 = 255.255.255.192.

Im Hostanteil gilt: alle Bit 0 ist die Netzadresse, alle Bit 1 der Broadcast. Beide bekommt kein Gerät. Bei h Hostbits bleiben:

Hosts = 2h − 2

Private Bereiche für interne Netze legt RFC 1918 fest: 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 und 192.168.0.0/16. Der Hub nutzt 10.10.0.0/16 daraus.

5Subnetting und VLSM
Netzbits leihen und Blöcke legen▾

Wer aus einem Block mehrere Netze macht, verlängert das Präfix. Jedes zusätzliche Netzbit verdoppelt die Zahl der Netze und halbiert ihre Größe. Aus einem Block mit Präfix a werden mit Präfix b so viele Netze:

Netze = 2b − a

Bei VLSM (Variable Length Subnet Masking) bekommt jedes Netz nur so viel, wie es braucht. Das Verfahren:

  1. Bedarf je Netz bestimmen: Geräte mal Reserve, aufrunden, plus Gateway.
  2. Kleinstes h suchen, bei dem 2h − 2 reicht; die Präfixlänge ist 32 − h.
  3. Netze der Größe nach absteigend in den Block legen. Jedes Netz beginnt an einem Vielfachen seiner Blockgröße.
  4. Netzadresse, Gateway, letzte Hostadresse und Broadcast notieren, Rest als Reserve ausweisen.
Ein Adressblock mit 1024 Adressen wird von links nach rechts gefüllt: drei /25, zwei /26, ein /27, ein /28, ein /29, ein /30, der Rest bleibt Reserve. Darunter die drei Schritte des VLSM-Verfahrens.VLSM: erst die großen Blöcke, dann die kleinenBeispiel: Adressblock 10.99.0.0/22 = 1024 Adressen/25/25/25/26/26/27Reserve1 Bedarf je Netz: Geräte mal 1,3, aufrunden, plus 1 für das Gateway2 Kleinster Block, bei dem 2^h minus 2 reicht; die Präfixlänge ist 32 minus h3 Blöcke der Größe nach legen, jeder beginnt an einem Vielfachen seiner GrößeWer klein anfängt, zerschneidet den Platz für die großen Netze.
VLSM an einem Beispielblock: große Netze zuerst, jedes an seiner Blockgrenze. Eigene Darstellung.
6IPv6 in Kürze
128 Bit, /48, /64, kein Broadcast▾

IPv6-Adressen haben 128 Bit, geschrieben als acht Gruppen zu je vier Hexadezimalziffern. Führende Nullen einer Gruppe dürfen wegfallen, eine Folge von Nullgruppen darf einmal durch :: ersetzt werden (Schreibweise nach RFC 5952).

Für ein Netz mit Endgeräten ist ein /64 üblich: 64 Bit Netzanteil, 64 Bit für die Schnittstelle. Ein Standort bekommt oft ein /48. Dazwischen liegen 16 Bit, also 65.536 mögliche /64-Netze. Die Halle nutzt das Dokumentationspräfix 2001:db8::/32 aus RFC 3849.

IPv6 kennt keinen Broadcast, nur Multicast. ARP wird durch das Neighbor Discovery Protocol ersetzt (RFC 4861), Adressen holt sich ein Gerät per SLAAC selbst oder per DHCPv6.

7Logische Netzpläne
Symbole, VLAN-ID, Netzadresse▾

Ein logischer Netzplan zeigt Netze, Adressen und Übergänge, nicht Kabel und Räume. Üblich sind Symbole für Router oder L3-Switch, Switch und Firewall; jedes Netz wird als Linie oder Wolke mit Netzadresse, Präfix und VLAN-ID gezeichnet.

VLANs nach IEEE 802.1Q trennen auf einem gemeinsamen Switch mehrere logische Netze. Die VLAN-ID hat 12 Bit, nutzbar sind 1 bis 4094. Der physikalische Netzplan mit Verteilern und Kabelwegen folgt in Teil 3.

Vier Symbole für logische Netzpläne: Router oder L3-Switch, Switch, Firewall und ein Netz mit VLAN und NetzadresseSymbole im logischen NetzplanRouter, L3-SwitchSwitchFirewallNetzVLAN 30 · 10.10.0.0/25Logisch heißt: Netze, Adressen und Übergänge. Wo ein Kabel liegt, zeigt erst der physikalische Plan in Teil 3.
Übliche Symbole im logischen Netzplan. Eigene Darstellung.

So steigt der Anspruch in Teil 2

Stufe I

Abfolge

Adressen binär umrechnen und Netzadresse, Broadcast und Hostbereich nach Schema bestimmen.

Stufe II

Algorithmus

Für alle Netze den Bedarf rechnen und den Adressplan nach dem VLSM-Verfahren aufstellen.

Stufe III

Heuristik

Netzgrenzen und Reserve begründet festlegen, einen neuen Mieter einplanen, Übergänge abwägen.

Vertiefen auf der Cisco Networking Academy

Kurs CCNA: Introduction to Networks (CCNA 1). Passend zu Teil 2 sind die Module zu Protokollen und Modellen, zur Adressauflösung, zur IPv4- und IPv6-Adressierung, zum Subnetting sowie zur Transport- und Anwendungsschicht (in der Fassung 7 die Module 3, 9, 11, 12, 14 und 15; in neueren Fassungen kann die Nummerierung abweichen).

Den Zugang bekommst du über die Schule, frag deine Lehrkraft nach der Einschreibung. Die Kontrollfragen zu diesem Kurs stehen in der Kontrolle Teil 2.

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