Dateneinheiten im Überblick

Einführung

Sie haben bereits gelernt, dass Daten in verschiedenen Schichten verpackt werden. Jede Schicht verwendet dabei eine eigene Dateneinheit mit einem spezifischen Namen. In dieser Lektion lernen Sie die wichtigsten Dateneinheiten kennen: Frame, Paket und Segment.

Die drei wichtigsten Dateneinheiten

Überblick

Schicht 7-5: Daten               (Data)
Schicht 4:   Segment             (TCP) / Datagramm (UDP)
Schicht 3:   Paket               (Packet)
Schicht 2:   Frame               (Rahmen)
Schicht 1:   Bits                (0 und 1)

Merkhilfe: Von oben nach unten wird es immer "größer" verpackt.

Segment (Transport-Schicht)

Was ist ein Segment?

Definition: Dateneinheit der Transport-Schicht (Schicht 4)

Besteht aus:

+------------------------+
| Transport-Header       |
| (TCP oder UDP)         |
+------------------------+
| Anwendungs-Daten       |
+------------------------+

TCP-Segment

Wichtigste Felder im TCP-Header:

Source Port:        16 Bit  (von welcher Anwendung?)
Destination Port:   16 Bit  (zu welcher Anwendung?)
Sequence Number:    32 Bit  (welche Position?)
ACK Number:         32 Bit  (was wurde bestätigt?)
Flags:              9 Bit   (SYN, ACK, FIN, etc.)
Window Size:        16 Bit  (Flusskontrolle)
Checksum:           16 Bit  (Fehlerprüfung)

Größe TCP-Header: Mindestens 20 Bytes (bis 60 Bytes mit Optionen)

Beispiel:

TCP-Segment für HTTPS-Anfrage:

Source Port: 54321 (Browser)
Dest Port: 443 (HTTPS)
SEQ: 1000
ACK: 500
Flags: ACK, PSH
Checksum: 0xAB12

Daten: "GET /index.html HTTP/1.1..."

UDP-Datagramm

Wichtigste Felder im UDP-Header:

Source Port:        16 Bit
Destination Port:   16 Bit
Length:             16 Bit  (Gesamtlänge)
Checksum:           16 Bit  (optional bei IPv4)

Größe UDP-Header: Fest 8 Bytes

Beispiel:

UDP-Datagramm für DNS-Anfrage:

Source Port: 54321
Dest Port: 53 (DNS)
Length: 50
Checksum: 0x1234

Daten: DNS-Anfrage für "www.example.com"

Wann wird was verwendet?

TCP (Segment):

• ✅ Zuverlässige Übertragung notwendig
• ✅ Reihenfolge wichtig
• ✅ Verbindungsorientiert
• Beispiele: HTTP, HTTPS, FTP, SSH, E-Mail

UDP (Datagramm):

• ✅ Geschwindigkeit wichtiger als Zuverlässigkeit
• ✅ Verbindungslos
• ✅ Minimaler Overhead
• Beispiele: DNS, DHCP, VoIP, Streaming, Online-Gaming

Paket (Vermittlungs-Schicht)

Was ist ein Paket?

Definition: Dateneinheit der Vermittlungs-Schicht (Schicht 3)

Besteht aus:

+------------------------+
| IP-Header              |
+------------------------+
| Transport-Segment      |
| (TCP oder UDP)         |
+------------------------+

IPv4-Paket

Wichtigste Felder im IPv4-Header:

Version:            4 Bit   (IPv4 = 4)
Header Length:      4 Bit   (Länge des Headers)
Total Length:       16 Bit  (Gesamtlänge des Pakets)
TTL:                8 Bit   (Time To Live)
Protocol:           8 Bit   (TCP=6, UDP=17, ICMP=1)
Source IP:          32 Bit  (z.B. 192.168.1.10)
Destination IP:     32 Bit  (z.B. 8.8.8.8)
Checksum:           16 Bit  (Fehlerprüfung)

Größe IPv4-Header: Mindestens 20 Bytes (bis 60 Bytes mit Optionen)

Beispiel:

IPv4-Paket:

Source IP: 192.168.1.10
Dest IP: 93.184.216.34
Protocol: 6 (TCP)
TTL: 64
Total Length: 1500 Bytes

Enthält: TCP-Segment mit HTTP-Anfrage

IPv6-Paket

Wichtigste Felder im IPv6-Header:

Version:            4 Bit   (IPv6 = 6)
Traffic Class:      8 Bit   (Priorität)
Flow Label:         20 Bit  (Verbindungsidentifikation)
Payload Length:     16 Bit  (Länge der Daten)
Next Header:        8 Bit   (TCP, UDP, etc.)
Hop Limit:          8 Bit   (wie TTL bei IPv4)
Source IP:          128 Bit (z.B. 2001:db8::1)
Destination IP:     128 Bit

Größe IPv6-Header: Fest 40 Bytes (einfacher als IPv4!)

Wann wird ein Paket erstellt?

Immer wenn Daten zwischen Netzwerken übertragen werden:

• Von Ihrem Computer zum Router
• Vom Router zum nächsten Router
• Über das Internet zu einem Server

Das Paket bleibt "gleich" (IP-Adressen ändern sich nicht), aber der Frame (siehe unten) ändert sich an jedem Hop!

Frame (Sicherungs-Schicht)

Was ist ein Frame?

Definition: Dateneinheit der Sicherungs-Schicht (Schicht 2)

Besteht aus:

+------------------------+
| Frame-Header           |
| (Ethernet, WLAN, etc.) |
+------------------------+
| IP-Paket               |
+------------------------+
| Frame-Trailer          |
| (CRC Prüfsumme)        |
+------------------------+

Ethernet-Frame

Wichtigste Felder:

Preamble:           8 Bytes  (Synchronisation)
Dest MAC:           6 Bytes  (z.B. AA:BB:CC:DD:EE:FF)
Source MAC:         6 Bytes  (z.B. 00:11:22:33:44:55)
EtherType:          2 Bytes  (IPv4=0x0800, IPv6=0x86DD)
Payload:            46-1500 Bytes (IP-Paket)
FCS (CRC):          4 Bytes  (Fehlerprüfung)

Gesamtgröße: 64 - 1518 Bytes (Standard Ethernet)

Beispiel:

Ethernet-Frame:

Dest MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF (Router)
Source MAC: 00:11:22:33:44:55 (Ihr PC)
EtherType: 0x0800 (IPv4)

Payload: IPv4-Paket mit TCP-Segment

FCS: 0x12345678 (Prüfsumme)

WLAN-Frame (802.11)

Unterschiede zu Ethernet:

• 4 MAC-Adressen möglich (Source, Dest, Access Point, etc.)
• Sequenznummer für Wiederholungen
• Verschlüsselung (WPA2/WPA3)
• Komplexerer Header

Wichtig: Trotz Unterschieden funktioniert IP darüber ohne Änderung!

Wann ändert sich der Frame?

Bei jedem Hop (Sprung):

Ihr PC → Switch → Router → Internet → Server

Frame 1:    [Ihr PC MAC] → [Router MAC]
            ↓ Router empfängt, entfernt Frame
Paket:      [Ihre IP] → [Server IP]
            ↓ Router verpackt neu
Frame 2:    [Router MAC] → [Nächster Router MAC]

Wichtig:

• IP-Adressen bleiben gleich (Ende zu Ende)
• MAC-Adressen ändern sich bei jedem Hop (lokal)

Wer verwendet was und warum?

Übersicht

Dateneinheit	Schicht	Verwendet von	Adressierung	Gültigkeit
Daten	7-5	Anwendungen	-	Ende zu Ende
Segment	4	TCP/UDP	Ports	Ende zu Ende
Paket	3	IP	IP-Adressen	Ende zu Ende
Frame	2	Ethernet/WLAN	MAC-Adressen	Hop zu Hop
Bits	1	Physisch	-	Leitung

Warum verschiedene Einheiten?

Grund 1: Verschiedene Aufgaben

Frame:   Lokale Zustellung (MAC)
Paket:   Globales Routing (IP)
Segment: Zuverlässigkeit (TCP) oder Geschwindigkeit (UDP)

Grund 2: Verschiedene Gültigkeitsbereiche

Frame:   Nur bis zum nächsten Router
Paket:   Vom Sender zum Empfänger
Segment: Vom Sender zum Empfänger

Grund 3: Unabhängigkeit

IP kann über Ethernet, WLAN, Glasfaser laufen
→ Paket bleibt gleich, Frame ändert sich

Praktisches Beispiel: Webseite abrufen

Kompletter Ablauf mit allen Einheiten

Ihr Browser fordert www.example.com an:

1. Anwendungs-Ebene (HTTP):

HTTP-Anfrage erstellen:
"GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com"

2. Transport-Ebene (TCP-Segment):

+---------------------+
| Source Port: 54321  |
| Dest Port: 443      |
| SEQ: 1000           |
| Flags: SYN          |
+---------------------+
| HTTP-Anfrage        |
+---------------------+

3. Vermittlungs-Ebene (IP-Paket):

+-------------------------+
| Source IP: 192.168.1.10 |
| Dest IP: 93.184.216.34  |
| Protocol: TCP (6)       |
| TTL: 64                 |
+-------------------------+
| TCP-Segment             |
+-------------------------+

4. Sicherungs-Ebene (Ethernet-Frame):

+-----------------------------+
| Dest MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF | ← Router MAC
| Src MAC: 00:11:22:33:44:55  | ← Ihr PC MAC
| EtherType: 0x0800 (IPv4)    |
+-----------------------------+
| IP-Paket                    |
+-----------------------------+
| FCS: Prüfsumme              |
+-----------------------------+

5. Bitübertragungs-Ebene:

01001010101010100101... (auf dem Kabel)

Was passiert am Router?

Router empfängt Frame:

1. Frame auspacken
   → Ethernet-Header entfernen
   → Prüfsumme prüfen ✓

2. Paket untersuchen
   → Ziel-IP: 93.184.216.34
   → Routing-Tabelle prüfen
   → Nächster Hop: 10.0.0.1

3. Neues Frame erstellen
   → Neue MAC-Adressen
   → Gleiches IP-Paket
   → An nächsten Router senden

Wichtig:

• IP-Paket bleibt unverändert
• Frame wird komplett neu erstellt
• TTL wird um 1 verringert

Zusammenfassung

Kernkonzepte

1. Drei Haupteinheiten

• Segment/Datagramm: Transport (TCP/UDP, Ports)
• Paket: Vermittlung (IP, IP-Adressen)
• Frame: Sicherung (Ethernet/WLAN, MAC-Adressen)

2. Verschiedene Gültigkeitsbereiche

• Frame: Nur zwischen direkt verbundenen Geräten (Hop zu Hop)
• Paket + Segment: Von Sender zu Empfänger (Ende zu Ende)

3. Adressierung

• Ports (Segment): Welche Anwendung?
• IP-Adressen (Paket): Welches Gerät global?
• MAC-Adressen (Frame): Welches Gerät lokal?

4. Frame ändert sich, Paket bleibt

• Bei jedem Router: Neuer Frame
• IP-Paket: Bleibt unverändert (nur TTL ändert sich)

Warum das wichtig ist

Ohne Verständnis:

• ❌ "Warum brauche ich MAC UND IP?"
• ❌ "Was macht ein Switch anders als ein Router?"
• ❌ ARP bleibt unverständlich

Mit Verständnis:

• ✅ Switch arbeitet mit Frames (MAC)
• ✅ Router arbeitet mit Paketen (IP)
• ✅ ARP übersetzt IP → MAC (für Frame)
• ✅ Ports identifizieren Anwendungen

Ausblick

In der nächsten Lektion lernen Sie:

• Lokale Übertragung vs. Weiterleitung
• Wann wird direkt zugestellt?
• Wann braucht man einen Vermittler?
• Wie werden Routing-Entscheidungen getroffen?

---

Merksatz: Frame für lokale Zustellung (MAC), Paket für globales Routing (IP), Segment für Anwendungen (Ports)!