Kommunikation im Netzwerk
Kommunikation im Subnetz
Bei der Konfiguration eines lokalen Netzwerks wird jedem Endgerät eine eindeutige IP-Adresse im Adressbereich des Subnetzes zugewiesen. Außerdem kennt jedes Gerät die Subnetzmaske und in der Regel die IP-Adresse des Gateway-Routers im lokalen Netzwerk, der die Schnittstelle nach außen darstellt (sofern vorhanden). Diese Informationen können beispielsweise manuell von der Person festgelegt werden, die das lokale Netzwerk administriert (“Netzwerkadmin”).
Jedes Endgerät in einem Netzwerksegment kennt üblicherweise alle anderen Endgeräte, die sich im selben Segment befinden. Konkret bedeutet das, dass auf jedem Endgerät eine Tabelle der IP-Adressen und zugehörigen MAC-Adressen aller Geräte im Subnetz gespeichert ist – die sogenannte ARP-Tabelle (auch “ARP Cache”, siehe Address Resolution Protocol). In einem Router können mehrere ARP-Tabellen gespeichert sein, je eine für jedes Netzwerksegment, mit dem er verbunden ist.
Das Versenden von Datenpaketen innerhalb des Subnetzes findet größtenteils über Protokolle der Netzzugangsschicht statt – da hier keine Wegefindung über Netzwerkgrenzen hinaus stattfindet, werden die entsprechenden Protokolle der Internetschicht (Vermittlungsschicht) nicht benötigt.
Wenn ein Endgerät eine Nachricht (konkreter: ein IP-Paket) an eine bestimmte Ziel-IP-Adresse verschicken möchte, kann es anhand der Subnetzmaske erkennen, ob das Ziel im selben Subnetz liegt: In diesem Fall stimmt der Netzwerkteil der eigenen IP-Adresse mit dem Netzwerkteil der Ziel-IP-Adresse überein. Ist das der Fall, schaut das sendende Gerät in seiner ARP-Tabelle unter der Ziel-IP-Adresse nach, um die Ziel-MAC-Adresse zu ermitteln. Dann verpackt es die Nachricht in ein Paket der Netzzugangsschicht, adressiert es mit der eigenen MAC-Adresse als Absender und der MAC-Adresse des Ziels als Empfänger und übertragt es.
Switching
Wenn Sender und Empfänger direkt verbunden sind, wird das Paket direkt übertragen. Wenn das Paket dagegen bei einem Switch ankommt, muss dieser entscheiden, an welchen seiner Ausgänge er das Paket weiterleitet – er muss also wissen, hinter welchem Ausgang das Gerät mit der Ziel-MAC-Adresse steckt. Diese Information ist in einer internen Tabelle des Switches gespeichert (Switching-Tabelle). Kennt der Switch die Ziel-MAC-Adresse nicht, leitet er das Paket einfach an alle Ausgänge weiter (alle Geräte, die das Paket empfangen und feststellen, dass die Ziel-MAC-Adresse nicht mit ihrer eigenen MAC-Adresse übereinstimmt, ignorieren das Paket).
Um einem Switch beizubringen, welche MAC-Adressen im Netzwerksegment vorhanden sind und wo die Geräte liegen, gibt es zwei Möglichkeiten: statisch oder dynamisch. Bei der statischen Variante trägt die Person, die das lokale Netzwerk administriert, die MAC-Adressen in jedem Switch manuell ein. In der dynamischen Variante lernt der Switch diese Information selbst: Kommt bei einem Switch ein Paket mit einer Absender-MAC-Adresse an, die er noch nicht kennt, trägt er diese Adresse in seiner internen Tabelle mit der Nummer des Ausgangs ein, über die er das Paket empfangen hat.
Üblicherweise enthält die Switching-Tabelle eines Switches also die meiste Zeit über die MAC-Adressen aller Geräte im selben Netzwerksegment. Bei dynamischem Aufbaue der Switching-Tabellen sind die Einträge in der Regel mit einem Ablaufzeitpunkt versehen, der Switch “vergisst” nach einiger Zeit also, wo welches Gerät liegt und muss diese Information neu lernen. So kann auf Änderungen im Netzwerkaufbau reagiert werden.
Address Resolution Protocol
Der Name der ARP-Tabelle, die für jede IP-Adresse im Subnetz die MAC-Adresse des entsprechenden Gerät enthält, leitet sich vom Address Resolution Protocol (engl. für “Adressauflösungsprotokoll”, kurz ARP) ab. Dieses Protokoll erlaubt es jedem Endgerät im Subnetz die MAC-Adressen der anderen Geräte im Subnetz abzufragen.
Beispiel: Angenommen, Gerät A möchte ein Datenpaket an Gerät D mit der IP-Adresse 192.168.1.18 schicken, kennt dessen MAC-Adresse aber nicht. Gerät A schickt nun eine Adressanfrage (ARP Request) an alle anderen Geräte im Subnetz (siehe Lokaler Broadcast). Wenn ein Gerät die MAC-Adresse zur angefragten IP-Adresse kennt, weil sie in seiner lokalen ARP-Tabelle steht, schickt es diese Information als Antwort an Gerät A zurück (ARP Reply). Spätestens Gerät D muss diese Anfrage beantworten können, es können aber auch Antworten von mehreren Geräten zurückkommen.
Sobald Gerät A eine Antwort bekommt, trägt es die nun bekannte MAC-Adresse zur IP-Adresse 192.168.1.18 in seine ARP-Tabelle ein. Weitere folgende Antworten können nun ignoriert werden. Anschließend kann das Paket von Gerät A an D wie oben beschrieben über die Netzzugangsschicht übertragen werden.
Lokaler Broadcast
Um eine Nachricht an alle anderen Geräte im selben Subnetz zu verschicken (“Broadcast”), wird als Ziel-IP-Adresse 255.255.255.255 und als Ziel-MAC-Adresse FF-FF-FF-FF-FF-FF verwendet. Kommt ein Paket mit dieser speziellen, für Broadcasts reservierten Ziel-MAC-Adresse bei einem Switch an, leitet er es an alle Ausgänge weiter (außer natürlich an den Ausgang, über den er das Paket empfangen hat).
Kommunikation zwischen Netzwerken
Dieser Abschnitt befindet sich noch im Aufbau.
