Verpackung von Daten (Kapselung)

Einführung

In der vorherigen Lektion haben Sie gelernt, wie Informationen in Daten umgewandelt und zerlegt werden. In dieser Lektion lernen Sie, wie diese Daten verpackt werden - ähnlich wie ein Paket bei der Post mehrere Schichten hat.

Das Konzept: Verpackung wie bei der Post

Analogie: Physisches Paket versenden

Stellen Sie sich vor, Sie verschicken ein Geschenk:

Schritt 1: Der eigentliche Inhalt

Ein Buch (= Ihre Daten)

Schritt 2: Geschenkpapier

Buch wird in Geschenkpapier eingewickelt
→ Macht es schön, aber keine Adresse

Schritt 3: Karton

Geschenk kommt in einen Karton
→ Schützt den Inhalt
→ Standardisierte Größe

Schritt 4: Versandetikett

Karton bekommt Etikett mit:
→ Absender-Adresse
→ Empfänger-Adresse
→ Versandweg

Schritt 5: LKW-Transport

Paket wird in LKW geladen
→ LKW hat eigene Route
→ Viele Pakete gleichzeitig

Übertragung auf Netzwerke

Genau so funktioniert Kapselung (Encapsulation) in Netzwerken:

Daten
→ werden in Segment verpackt (Transport-Schicht)
→ wird in Paket verpackt (Vermittlungs-Schicht)
→ wird in Frame verpackt (Sicherungs-Schicht)
→ wird als Bits übertragen (Bitübertragungs-Schicht)

Warum Daten verpackt werden

Grund 1: Trennung von Aufgaben

Jede Schicht hat ihre eigene Aufgabe:

Schicht	Aufgabe	Vergleich Post
Anwendung	Inhalt bereitstellen	Das Buch
Transport	Zuverlässige Zustellung	Karton + Tracking
Vermittlung	Wegewahl zwischen Netzen	Postleitzahl + Routing
Sicherung	Lokale Zustellung	Straße + Hausnummer
Bitübertragung	Physische Übertragung	LKW + Straße

Vorteil:

• Jede Schicht kann unabhängig arbeiten
• Änderungen in einer Schicht betreffen andere nicht
• Spezialisierung auf bestimmte Aufgaben

Grund 2: Adressierung auf verschiedenen Ebenen

Problem: Verschiedene Adressarten für verschiedene Zwecke

Beispiel:

Ihr Brief an einen Freund:
→ Name: "Max Mustermann" (wer genau?)
→ Straße: "Hauptstraße 1" (welches Haus?)
→ Stadt: "Berlin" (welche Stadt?)
→ Land: "Deutschland" (welches Land?)

In Netzwerken:

Ihre Daten:
→ Port: 443 (welche Anwendung? → HTTPS)
→ IP-Adresse: 192.168.1.10 (welches Netzwerk + Gerät?)
→ MAC-Adresse: 00:11:22:33:44:55 (welche Netzwerkkarte lokal?)

Jede Schicht fügt ihre eigene Adressierung hinzu!

Grund 3: Unterschiedliche Protokolle zusammenarbeiten lassen

Beispiel-Szenario:

Sie schauen ein YouTube-Video über WLAN, dann über Kabel, dann über Glasfaser.

Was passiert:

Anwendungs-Daten (YouTube): Bleiben gleich
Transport (TCP): Bleibt gleich
Vermittlung (IP): Bleibt gleich
Sicherung (Ethernet/WiFi/...): ÄNDERT SICH

WLAN → Ethernet → Glasfaser
↑ Verschiedene Technologien für lokale Übertragung

Warum funktioniert das?

• Jede Schicht arbeitet unabhängig
• Obere Schichten merken nichts von Änderungen unten
• Nur die lokale Verpackung wird ausgetauscht

Mehrere Ebenen der Verpackung

Visualisierung: Schicht für Schicht

Ausgangspunkt: HTTP-Anfrage (Anwendung)

GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com

Schritt 1: Transport-Schicht (TCP-Segment)

+------------------------+
| TCP-Header             |
| - Source Port: 54321   |
| - Dest Port: 80        |
| - Sequence: 1000       |
+------------------------+
| HTTP-Anfrage (Daten)   |
+------------------------+

Schritt 2: Vermittlungs-Schicht (IP-Paket)

+---------------------------+
| IP-Header                 |
| - Source IP: 192.168.1.10 |
| - Dest IP: 93.184.216.34  |
+---------------------------+
| TCP-Header                |
| HTTP-Anfrage              |
+---------------------------+

Schritt 3: Sicherungs-Schicht (Ethernet-Frame)

+--------------------------------+
| Ethernet-Header                |
| - Source MAC: 00:11:22:33:44:55|
| - Dest MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF  |
+--------------------------------+
| IP-Header                      |
| TCP-Header                     |
| HTTP-Anfrage                   |
+--------------------------------+
| Ethernet-Trailer (Prüfsumme)   |
+--------------------------------+

Schritt 4: Bitübertragungs-Schicht

→ Wird als elektrische Signale / Lichtsignale / Funkwellen übertragen

Der vollständige Verpackungsprozess

Sender-Seite: Verpackung (Encapsulation)

[Daten]
    ↓ + TCP-Header
[TCP-Segment]
    ↓ + IP-Header
[IP-Paket]
    ↓ + Ethernet-Header + Trailer
[Ethernet-Frame]
    ↓ Umwandlung in Bits
[Signale auf Leitung]

Empfänger-Seite: Auspacken (Decapsulation)

[Signale auf Leitung]
    ↓ Bits lesen
[Ethernet-Frame]
    ↓ Ethernet-Header + Trailer entfernen
[IP-Paket]
    ↓ IP-Header entfernen
[TCP-Segment]
    ↓ TCP-Header entfernen
[Daten]

Was steht in den Headern?

TCP-Header (Transport-Schicht)

Wichtigste Felder:

Source Port:      Von welcher Anwendung kommt es?
Destination Port: Zu welcher Anwendung geht es?
Sequence Number:  Welche Reihenfolge?
ACK Number:       Was wurde bestätigt?
Flags:            SYN, ACK, FIN (Verbindungssteuerung)
Checksum:         Ist das Segment korrekt übertragen?

Beispiel:

Source Port: 54321 (Ihr Browser)
Dest Port: 443 (HTTPS-Server)
SEQ: 1000

IP-Header (Vermittlungs-Schicht)

Wichtigste Felder:

Source IP:      Von welchem Gerät kommt es?
Destination IP: Zu welchem Gerät soll es?
TTL:            Wie viele Router darf es passieren?
Protocol:       Was ist drin? (TCP=6, UDP=17)
Checksum:       Ist der Header korrekt?

Beispiel:

Source IP: 192.168.1.10 (Ihr Computer)
Dest IP: 8.8.8.8 (Google DNS)
TTL: 64
Protocol: 17 (UDP)

Ethernet-Header (Sicherungs-Schicht)

Wichtigste Felder:

Source MAC:      Von welcher Netzwerkkarte?
Destination MAC: Zu welcher Netzwerkkarte?
EtherType:       Was ist drin? (IPv4=0x0800, IPv6=0x86DD)

Beispiel:

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

Trennung von Aufgabe und Transport

Kernprinzip: Unabhängigkeit

Wichtigste Erkenntnis:

• Anwendungen (HTTP, DNS, E-Mail) wissen NICHTS über Transport
• Transport (TCP/UDP) weiß NICHTS über Vermittlung
• Vermittlung (IP) weiß NICHTS über lokale Übertragung

Beispiel:

YouTube-Video streamen:

YouTube-App:
→ "Ich brauche Video-Daten von diesem Server"
→ Weiß NICHT, ob Sie WLAN oder Kabel nutzen
→ Weiß NICHT, welche Route die Pakete nehmen
→ Weiß NICHT, ob TCP die Pakete wiederholen musste

TCP:
→ "Ich stelle sicher, dass Daten ankommen"
→ Weiß NICHT, was in den Daten steht
→ Weiß NICHT, welche IP-Adresse das Ziel hat

IP:
→ "Ich finde den Weg zum Zielgerät"
→ Weiß NICHT, ob Daten über WLAN oder Kabel gehen
→ Weiß NICHT, was TCP damit macht

Ethernet/WLAN:
→ "Ich übertrage zum nächsten Gerät"
→ Weiß NICHT, was in den Daten steht
→ Weiß NICHT, wohin die Daten letztendlich sollen

Vorteil: Flexibilität

Sie können jede Schicht austauschen:

Anwendung:    HTTP → HTTPS → FTP (egal für Transport)
Transport:    TCP → UDP (egal für Vermittlung)
Vermittlung:  IPv4 → IPv6 (egal für Sicherung)
Sicherung:    Ethernet → WLAN → Glasfaser (egal für Vermittlung)

Beispiel:

Alte Technologie:
HTTP → TCP → IPv4 → Ethernet

Neue Technologie:
HTTPS → TCP → IPv6 → WLAN

→ Funktioniert, weil Schichten unabhängig sind!

Praktisches Beispiel: Webseite abrufen

Vollständiger Ablauf

1. Browser erstellt HTTP-Anfrage:

GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com

2. TCP verpackt (Segment):

+--------------------+
| Source Port: 54321 |
| Dest Port: 80      |
| SEQ: 1000          |
+--------------------+
| HTTP-Anfrage       |
+--------------------+

3. IP verpackt (Paket):

+------------------------+
| Source IP: 192.168.1.10|
| Dest IP: 93.184.216.34 |
| Protocol: TCP          |
+------------------------+
| TCP-Segment            |
+------------------------+

4. Ethernet verpackt (Frame):

+-----------------------------+
| Src MAC: 00:11:22:33:44:55  |
| Dst MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF  |
| EtherType: IPv4             |
+-----------------------------+
| IP-Paket                    |
+-----------------------------+
| CRC (Prüfsumme)             |
+-----------------------------+

5. Übertragung als Bits:

010101001010101... (elektrische/optische Signale)

6. Beim Router:

Frame auspacken → MAC prüfen
IP-Paket auspacken → IP-Ziel prüfen
Neues Frame verpacken → an nächsten Hop

7. Beim Webserver:

Frame auspacken → Ethernet-Header entfernen
IP-Paket auspacken → IP-Header entfernen
TCP-Segment auspacken → TCP-Header entfernen
HTTP-Anfrage verarbeiten → Webseite senden

Zusammenfassung

Kernkonzepte

1. Kapselung (Encapsulation)

• Daten werden Schicht für Schicht verpackt
• Jede Schicht fügt eigenen Header hinzu
• Wie russische Puppen (Matroschka)

2. Mehrere Ebenen

• Anwendung: Was wird übertragen?
• Transport: Zuverlässige Zustellung
• Vermittlung: Routing zwischen Netzen
• Sicherung: Lokale Übertragung
• Bitübertragung: Physische Signale

3. Trennung von Aufgaben

• Jede Schicht ist unabhängig
• Änderungen in einer Schicht betreffen andere nicht
• Ermöglicht Flexibilität und Innovation

4. Header enthalten Steuerinformationen

• TCP: Ports, Reihenfolge, Bestätigungen
• IP: IP-Adressen, TTL, Protokoll
• Ethernet: MAC-Adressen, Typ

Warum das wichtig ist

Ohne Kapselung:

• ❌ Jede Anwendung müsste selbst routen
• ❌ Keine Wiederverwendung von Protokollen
• ❌ Änderungen betreffen gesamtes System

Mit Kapselung:

• ✅ Klare Trennung der Aufgaben
• ✅ Unabhängige Entwicklung
• ✅ Flexible Kombination von Technologien
• ✅ Einfachere Fehlersuche

Ausblick

In der nächsten Lektion lernen Sie:

• Das Schichtenprinzip im Detail (OSI-Modell)
• Welche Aufgabe jede Schicht hat
• Warum Schichten Fehlersuche ermöglichen

---

Merksatz: Daten werden wie ein Paket bei der Post mehrmals verpackt - jede Schicht fügt ihre Informationen hinzu!