WiFi und Ethernet - unsere Postcontainer

Lernziele

Sie kennen den Hauptvorteil, die logische Internetschicht (IP) von der physischen Netzzugangschicht (MAC) zu abstrahieren.

Sie erkennen eine MAC-Adresse und können sie von IP-Adressen unterscheiden

Sie können erklären, welche IP- und MAC-Adresse in einem Paket steht, wenn es:

im lokalen Netzwerk verschickt wird (IP und MAC des Ziel-Computers),

in ein anderes Netzwerk gesendet wird (IP des Ziel-Computers, MAC des Gateways).

Sie müssen die Namen der Schichten nicht auswendig lernen.

Wir haben gesehen, dass ein IP-Paket jeweils eine Absender- und eine Ziel-Adresse hat. Nun haben Sie sich vielleicht schon gefragt: Wie schickt mein Computer etwas an den Gateway, ohne die Ziel-IP-Adresse zu überschreiben?

Die Antwort ist: Er überschreibt sie nicht. Die IP-Pakete bleiben in unseren einfachen Netzwerken auf dem ganzen Weg unverändert erhalten. Aber: Die IP-Pakete werden von Station zu Station einzeln in rudimentäre Postcontainer geladen: sogenannte “Frames”. Auf diesen Frames steht jeweils die Adresse der nächsten Stelle drauf - z.B. die Adresse des Gateways.

Schichtmodell der Kommunikation

Bevor Ihr Computer Daten abschickt, verschachtelt er sie also mehrmals hintereinander. Diese Schichten existieren nicht einfach, weil Informatiker sie toll finden, sondern weil jede Schicht ein reales Problemfeld der Kommunikation lösen muss.

Die Schicht des Internet-Protokolls, das Sie bereits kennen, wird Internetschicht genannt, und das Inter-net Protokoll löst das Problem, mit welcher Adresslogik man Daten über mehrere Netzwerke hinweg vermitteln kann. Deswegen wird die IP-Adresse teils auch “logische” Adresse genannt.
Neu lernen Sie hier diese unterste Schicht kennen: die Netzzugangschicht. Die Protokolle dieser Schicht (z.B. Wi-Fi und Ethernet) lösen das physische Problem, wie Pakete mit Antennen (Wi-Fi) oder über Ethernet-Kabel zur nächsten Stelle übermittelt werden können, ohne dass z.B. Pakete kollidieren.

Merken Sie sich den Hauptvorteil, diese zwei Schichten so voneinander zu abstrahieren: Das IP-Paket wird von Stelle zu Stelle immer wieder in neue Frames verladen und muss sich nicht darum kümmern, wie es nun genau physisch weiter zur nächsten Stelle versendet wird - über Wi-Fi, ein Kupferkabel, oder Glasfaser. Es surft quasi auf einer Welle von Frames von Stelle zu Stelle.

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Frames und die MAC-Adresse

Schauen wir uns jetzt diese unterste Schicht, die Netzzugangsschicht, genauer an. Es ist die Verantwortung der Protokolle dieser Schicht (z.B. Wi-Fi und Ethernet),

dass die Daten über das physische Medium (Kupferkabel, Wi-Fi, optische Kabel…) bis zur nächsten Stelle gelangen,
dass dabei keine Kollisionen passieren.

Die Container (“Frames”) verwenden nicht IP-Adressen, sondern die Hardware-ID der nächsten Stelle, die sogenannte MAC-Adresse. Diese wird auch “physische” Adresse genannt, weil sie vom Hersteller der Netzwerkkarte voreingestellt ist. Normalerweise verändert man diese nicht.

Sie sollten MAC-Adresse einfach von IP-Adressen unterscheiden können. Typischerweise werden MAC-Adressen hexadezimal mit Doppelpunkten (:) oder Bindestrichen (-) notiert und sind 6 Byte lang. Wie bei IP-Netzwerken ist bei MAC-Adressen die höchstmögliche Adresse die Broadcast-Adresse, die an alle Geräte im Netzwerk weitergeleitet wird.

8b:3b:06:af:9c:df
0a:a4:3c:e5:55:04
81:03:ce:85:fa:d1
ff:ff:ff:ff:ff:ff (Broadcast-Adresse)

Für die Computer mit IP-Adressen im gleichen Netzwerk führt Ihr Computer eine Tabelle, welche IP-Adresse welche MAC-Adresse hat. Sie können die aktuelle Tabelle Ihres Computers in einer Kommandozeile mit arp -a anzeigen. Das sieht bei mir zuhause auf Windows so aus:

Interface: 192.168.1.180 --- 0xe
  Internet Address      Physical Address      Type
  192.168.1.1           50-e0-39-61-4f-40     dynamic
  192.168.1.75          dc-e5-5b-77-ef-a7     dynamic
  192.168.1.116         d8-47-32-fa-d4-60     dynamic
  192.168.1.171         a8-6b-ad-81-b0-58     dynamic

Was, wenn ihr Computer die MAC-Adresse einer IP-Adresse im lokalen Netzwerk noch nicht kennt? Dann sendet er eine Frage per Broadcast-MAC-Adresse ans ganze Netzwerk: “Das Gerät mit dieser IP soll mir bitte seine MAC-Adresse mitteilen.”

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Wenn das Gerät antwortet, trägt Ihr Computer das IP-MAC-Adresspaar der Geräts in seiner ARP-Tabelle ein. Nun können sie direkt kommunizieren.

Das funktioniert genau gleich, auch wenn mehrere Geräte mit einem Switch oder über einen Wireless-Access-Point zusammengehängt sind. Diese Geräte ändern nichts an den weitergeleiteten Frames und beherrschen IP-Adressen nicht. D.h. Sie können sich Switches einfach als eine etwas kompliziertere Mehrfachsteckdosen vorstellen.

Infos zu Switches und Access-Points (optional, falls Sie das interessiert)

Switches sind eher günstige Netzwerkgeräte, die sich vorzu in einer Tabelle merken, an welchen Anschlüssen welche MAC-Adressen Daten schicken und dann die Frames anhand dieser Tabelle an die richtigen Anschlüsse weiterleiten. Billige Switches für zuhause gibt es ab knapp 30 Franken.
Wireless Access-Points benutzen ebenfalls MAC-Adressen. Sie können sich das so vorstellen: Jeder Computer baut eine verschlüsselte Verbindung mit dem Access-Point auf (mit WPA), die ähnlich eines Kabels eine exklusive 1:1 Verbindung ist. D.h. der Verkehr läuft immer über den Access-Point, der im Wesentlichen wie ein Switch agiert.

Die Idee des Mehrfachverschachtelung kommt richtig zum tragen, wenn mehrere Netzwerke und Router im Spiel sind. Wenn Computer “A” ein IP-Paket an Computer “B” verschickt, der in einem anderen Netzwerk liegt, dann verpackt er das IP-Paket mit der Ziel-IP-Adresse von Computer “B” in ein Ethernet-Frame mit der MAC-Adresse des Routers.

Ich habe hier die konkreten IP- und MAC-Adressen weggelassen, damit das Prinzip einfacher erkennbar ist.

Sie sehen hier, wie das IP-Paket auf einer Serie von unterschiedlichen Frames surft. Die Logik der Internetschicht (IP) besteht über mehrere Übertragungsschritte der Netzzugangsschicht (MAC) hinweg fort.

Netzwerke und Router Transport- und Anwendungsschicht asdasasdasd