Grundlagen Netzwerktechnik
- Den Begriff Netzwerk-Topologie erklaeren und die Grundformen Bus, Ring, Stern und Mesh unterscheiden koennen
- Vor- und Nachteile der Topologien benennen und beurteilen koennen, welche heute eingesetzt wird
- Den Aufbau einer IPv4-Adresse beschreiben und in Binaer- und Dezimaldarstellung umwandeln koennen
- Die historischen IP-Klassen A, B und C einordnen und die Probleme der Klasseneinteilung erklaeren koennen
- Eine moderne IPv4-Adresse mit Subnetzmaske in Netz- und Hostanteil zerlegen koennen
- Netz-ID, Broadcast-Adresse und nutzbaren Hostbereich fuer ein gegebenes Subnetz berechnen koennen
Was ist ueberhaupt ein Netzwerk?
Ein Netzwerk ist eine Verbindung von zwei oder mehr Geraeten, die untereinander Daten austauschen koennen.
Schon ein Drucker, der per Kabel an einem PC haengt, ist im weitesten Sinne ein Mini-Netzwerk. Spannend wird es, sobald viele Geraete dazukommen - PCs, Drucker, Server, Smartphones, Kameras.
- Endgeraete (PCs, Smartphones, Server) - die senden und empfangen
- Verbindungselemente (Kabel, WLAN, Switch, Router) - sie transportieren die Daten
- Regeln (Protokolle wie TCP/IP) - sie sorgen dafuer, dass alle einander verstehen
Endgeraete sind die Haeuser, Kabel sind die Strassen, und Protokolle sind die Verkehrsregeln. Ohne Strassen kommt nichts an, ohne Regeln gibt es Chaos.
🤔 Warum brauchen wir eine Struktur?
Stellen Sie sich 50 PCs in einem Buero vor. Niemand hat sich Gedanken gemacht, wie sie verbunden werden sollen. Drei Fragen tauchen sofort auf:
- Wie werden die Geraete verkabelt? → Topologie
- Wer ist wer? → IP-Adressen
- Wer gehört zum gleichen Netz? → Subnetzmaske
Wir gehen genau diese drei Fragen Stueck fuer Stueck durch: Teil 1: Topologien (physische Struktur) Teil 2: IP-Adressen historisch (Klassen A/B/C) Teil 3: Moderne IPv4 mit Subnetzmaske
Topologie
🔗 Was ist eine Topologie?
Der Begriff Topologie kommt aus der Mathematik und bedeutet so viel wie »Lehre von der Anordnung«. Im Netzwerk-Kontext beschreibt sie:
- Wie sind die Geraete im Netzwerk miteinander verbunden?
Man unterscheidet zwei Sichtweisen:
| Sicht | Beschreibung |
|---|---|
| Physische Topologie | Wie laufen die Kabel tatsaechlich? |
| Logische Topologie | Wie fliessen die Daten aus Sicht der Software? |
Die vier Grundformen, die wir uns ansehen:
- Bus - alle an einem Kabel
- Ring - alle im Kreis
- Stern - alle an einem Zentrum (heute Standard)
- Mesh - jeder mit (fast) jedem
📍 Bus-Topologie - der Aufbau
In der topologie">Bus-Topologie haengen alle Geraete an einer einzigen Leitung - dem Bus. Sendet ein Geraet, laufen die Daten ueber das gesamte Kabel, und alle anderen hoeren mit. Aber nur der angesprochene Empfaenger nimmt das Paket an.
An beiden Kabelenden sitzt ein Abschlusswiderstand (Terminator). Er »schluckt« das Signal am Kabelende - sonst wuerde es zurueckreflektieren und Stoerungen verursachen.
⚖️ Bus-Topologie - Vor- und Nachteile
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Wenig Kabel, einfacher Aufbau | Kabelbruch → ganzes Netz tot |
| Guenstig in der Anschaffung | Nur ein Geraet kann gleichzeitig senden |
| Einfach zu erweitern | Schwer zu warten, Fehlersuche aufwendig |
| Geringer Platzbedarf | icherheit: jeder hoert alles mit |
topologie">Bus-Topologie war typisch fuer alte Koaxial-Netze (10BASE2 / Cheapernet) in den 1980ern und fruehen 1990ern. In modernen Buero-LANs findet man sie praktisch nicht mehr. Wichtig fuers Verstaendnis, weil das Konzept »alle hoeren mit« bei WLAN bis heute aehnlich funktioniert.
Damit nicht alle gleichzeitig senden, gab es das Verfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Vor dem Senden hoert das Geraet, ob die Leitung frei ist. Senden trotzdem zwei gleichzeitig, wird die Kollision erkannt - beide warten eine zufaellige Zeit und versuchen es erneut.
🔁 Ring-Topologie
Die Geraete sind in einem geschlossenen Kreis verbunden. Daten wandern in eine Richtung von Geraet zu Geraet, bis sie beim Empfaenger ankommen.
Um zu vermeiden, dass mehrere Geraete gleichzeitig senden, gibt es das Token-Verfahren: Ein digitaler »Stab« (Token) kreist im Ring. Nur wer den Token gerade hat, darf senden. Danach gibt er ihn weiter.
Weil immer nur ein Geraet senden darf, koennen keine zwei Pakete gleichzeitig auf der Leitung sein. Dafuer ist die Wartezeit berechenbar - wichtig in Industrie-Netzen.
⚖️ Ring-Topologie - Vor- und Nachteile
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Keine Kollisionen (durch Token) | Ausfall eines Geraets bricht den Ring |
| Faire Bandbreitenverteilung | Erweiterung erfordert Unterbrechung |
| Berechenbare Wartezeiten | Pakete laufen evtl. lange »rum« |
- IBM Token Ring (4 / 16 Mbit/s) war in den 1990ern ein ernstzunehmender Konkurrent zu Ethernet
- FDDI nutzte sogar einen Doppelring aus Glasfaser fuer hohe Ausfallsicherheit - faellt ein Ring aus, uebernimmt der zweite
- Heute: Industrieautomation (z. B. PROFINET MRP) und Provider-Backbones nutzen noch Ring-Strukturen
⭐ Stern-Topologie - der heutige Standard
Alle Geraete sind ueber ein eigenes Kabel mit einem zentralen Verteiler (Switch, frueher Hub) verbunden. Die Daten gehen immer ueber das Zentrum.
Twisted-Pair-Kabel (RJ45) zu einem zentralen Switch. Mehrere Switches lassen sich kaskadieren - dann spricht man von einer erweiterten Stern- oder Baum-Topologie.
⚖️ Stern-Topologie - Vor- und Nachteile
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Ausfall einer Leitung → nur ein Geraet betroffen | Faellt der Switch aus, ist alles tot |
| Einfache Fehlersuche pro Port | Mehr Kabel als bei Bus/Ring |
| Beliebig erweiterbar | Switch muss leistungsfaehig sein |
| Hohe Geschwindigkeit (jedes Geraet eigene Leitung) | Hoeherer Verkabelungsaufwand |
Der Switch ist der zentrale »Knoten« - faellt er aus, sind alle daran haengenden Geraete vom Netz abgeschnitten. In wichtigen Bereichen verwendet man deshalb redundante Switches.
Frueher gingen alle Telefonleitungen einer Stadt zur Vermittlungsstelle. Wer die Vermittlung lahmlegte, legte die ganze Stadt lahm - aber wenn nur ein einzelnes Telefonkabel kaputt ging, war auch nur ein Anschluss betroffen. Genau wie beim Switch.
🕸️ Mesh-Topologie & Mischformen
In der topologie">Mesh-Topologie ist jedes Geraet mit mehreren oder allen anderen direkt verbunden. Sehr ausfallsicher - aber teuer und aufwendig.
Wo trifft man Mesh an?
- Internet-Backbone (Provider-Routerverbuende)
- Industrielle Steuerungsnetze mit Redundanzanforderung
- Drahtlose Mesh-Netze (z. B. WLAN-Mesh fuer grosse Wohnungen)
Reine Topologien sind selten. Eine Firma hat oft eine topologie">Stern-Topologie pro Etage, deren Switches ueber ein Mesh-Backbone verbunden sind.
📊 Topologien im Vergleich
Eine Uebersicht der wichtigsten Eigenschaften:
| Topologie | Kabelaufwand | Ausfallsicherheit | Kosten | Heute relevant? |
|---|---|---|---|---|
| Bus | Sehr gering | Sehr niedrig | Sehr guenstig | Nein (nur historisch) |
| Ring | Gering | Niedrig (ohne Doppelring) | Guenstig | Nische (Industrie, Backbone) |
| Stern | Mittel | Mittel (Single-Switch-Risiko) | Mittel | Ja - Standard |
| Mesh | Sehr hoch | Sehr hoch | Hoch | Ja (Backbone, WLAN) |
Im Buero-LAN: Stern. Im Internet-Backbone: Mesh. Bus und Ring: vor allem fuers Verstaendnis und die Pruefung wichtig.
📬 Vom Kabel zur Adresse
Die Topologie sagt uns, wie die Geraete verbunden sind. Aber wenn 100 Geraete am gleichen Switch haengen - woher weiss ein Paket, an welches Geraet es gehen soll?
Antwort: Jedes Geraet bekommt eine eindeutige IP-Adresse. Sie funktioniert wie eine Postanschrift im Netz.
Eine IP-Adresse hat zwei Teile - genau wie eine Postadresse:
- Der vordere Teil -> Stadt / Postleitzahl -> welches Netz
- Der hintere Teil -> Hausnummer -> welches Geraet im Netz
Die Subnetzmaske ist die unsichtbare Linie, die festlegt, wo »Stadt« aufhoert und »Hausnummer« anfaengt.
In den naechsten Slides bauen wir Schritt fuer Schritt auf:
- Wie sieht eine IP-Adresse ueberhaupt aus?
- Wie hat man frueher Netze eingeteilt? (Klassen A/B/C)
- Warum funktioniert das heute anders? (CIDR mit Subnetzmaske)
🔢 Aufbau einer IPv4-Adresse
Eine IPv4-Adresse besteht aus 32 Bit. Damit man sich das merken kann, schreibt man sie als vier Zahlen von 0 bis 255, getrennt durch Punkte:
- 192.168.1.42
Jede dieser vier Zahlen heisst Oktett, weil sie aus 8 Bit besteht (8 + 8 + 8 + 8 = 32). 8 Bit koennen 256 verschiedene Werte darstellen - daher der Bereich 0 bis 255.
32 Bit ergeben 2^32 -> ca. 4,29 Milliarden moegliche Adressen. Klingt viel - reicht aber laengst nicht mehr fuer alle Geraete weltweit. Deshalb wurde IPv6 mit 128 Bit entwickelt (das ist ein anderes Thema).
Genauso wie eine Telefonnummer in Bloecke gegliedert wird (+49 521 12345-67), gliedert man die IP-Adresse in Oktette - nur damit Menschen sie leichter lesen koennen. Der Computer arbeitet intern immer mit den 32 Einzelbits.
🔍 Binaer und Dezimal - wie passt das zusammen?
Computer denken in Binaer (nur 0 und 1). Menschen denken in Dezimal (0 bis 9). Beide Schreibweisen meinen das Gleiche.
Ein einzelnes Oktett = 8 Bit. Jedes Bit hat einen festen Stellenwert:
Faustregel zum Rechnen: Wo eine 1 steht, den Stellenwert dazuaddieren. Wo eine 0 steht, ueberspringen.
11111111-> 128+64+32+16+8+4+2+1 -> 255 (Maximum)10000000-> 12811000000-> 128+64 -> 19200000001-> 1
📜 Historie: Warum gab es IP-Klassen?
Anfang der 1980er, als das Internet noch ueberschaubar war, hat man den IPv4-Adressraum starr in drei Klassen aufgeteilt: A, B und C.
Die Idee dahinter war einfach:
- Klasse A fuer ganz grosse Netze (wenig Netze, viele Hosts)
- Klasse B fuer mittlere Netze
- Klasse C fuer kleine Netze (viele Netze, wenig Hosts)
An den ersten Bits einer Adresse konnte man sofort erkennen, zu welcher Klasse sie gehoerte.
Auch wenn das System heute durch CIDR ersetzt ist, taucht es noch in der Pruefung auf - und es hilft, das moderne System zu verstehen.
Klasse A
Klasse A war fuer die ganz grossen Netze gedacht - Konzerne, Provider, Forschungseinrichtungen.
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Adressbereich | 1.0.0.0 bis 126.255.255.255
|
| Anzahl moeglicher Netze | 126 |
| Hosts pro Netz | ca. 16,7 Millionen (2^24 - 2) |
| Beispiel-Eigentuemer | z. B. 9.0.0.0/8 → IBM, 17.0.0.0/8 → Apple
|
Schon ein einziges Klasse-A-Netz hatte mehr als 16 Millionen Adressen. Selbst ein Konzern mit 100.000 Mitarbeitern hatte davon den Grossteil ungenutzt.
Klasse B
Klasse B war fuer mittelgrosse Organisationen gedacht - Universitaeten, mittlere Unternehmen.
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Adressbereich | 128.0.0.0 bis 191.255.255.255
|
| Anzahl moeglicher Netze | ca. 16.000 |
| Hosts pro Netz | ca. 16,7 Millionen (2^24 - 2) |
| Beispiel-Eigentuemer | Universitaeten, Konzerne mittlerer Groesse |
Klasse-B-Netze waren der Sweet Spot - gross genug fuer ernsthafte Nutzung, aber nicht so massiv wie Klasse A. Sie waren so begehrt, dass sie schnell ausgingen.
