Schicht 3: Vermittlung – IP, Routing
Schicht 2 sorgt für die Kommunikation innerhalb eines Netzsegments. Schicht 3 kann darüber hinaus: Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Netzen – über Router hinweg, quer durch das Internet. Das Internet Protocol (IP) ist das Herzstück dieser Schicht: Es definiert logische Adressen (IP-Adressen) und den Weg, den Pakete durch Netze nehmen.
1. Aufgaben von Schicht 3
Die Vermittlungsschicht übernimmt drei Kernaufgaben: logische Adressierung, Routing und Fragmentierung. Im Gegensatz zu Schicht 2, die nur innerhalb eines Segments adressiert (MAC), arbeitet Schicht 3 netzübergreifend.
- Logische Adressierung: IP-Adressen identifizieren Absender und Empfänger netzübergreifend – unabhängig von der zugrundeliegenden Hardware.
- Routing: Router entscheiden anhand ihrer Routing-Tabellen, über welchen nächsten Hop ein Paket weitergeleitet wird.
- Fragmentierung: Wenn ein Paket zu groß für einen Link ist (MTU), wird es fragmentiert und am Ziel reassembliert (nur IPv4; bei IPv6 nur durch den Sender).
2. IPv4-Header – Aufbau
Das IPv4-Paket trägt im Header alle Informationen, die ein Router zur Weiterleitung benötigt. Die wichtigsten Felder:
4 Bit
4 Bit
8 Bit
16 Bit
16 Bit
3 Bit
13 Bit
8 Bit
8 Bit
16 Bit
32 Bit
32 Bit
Besonders prüfungsrelevante Felder: TTL (wird an jedem Router um 1 dekrementiert – verhindert Routing-Loops), Protokoll (6 = TCP, 17 = UDP, 1 = ICMP), Quell- und Ziel-IP.
3. Routing: Wie Pakete ihr Ziel finden
Router verbinden Netze und entscheiden anhand ihrer Routing-Tabelle, wohin ein Paket als nächstes weitergeleitet wird. Die Entscheidung basiert auf dem Longest Prefix Match: Die spezifischste (längste) passende Route gewinnt.
10.0.1.10
10.0.1.1
172.16.0.1
172.16.5.20
Routing-Tabellen-Einträge haben folgende Bestandteile:
| Zielnetz | Subnetzmaske | Next Hop | Interface | Metrik |
|---|---|---|---|---|
| 10.0.1.0 | /24 | direkt verbunden | eth0 | 0 |
| 172.16.0.0 | /16 | 10.0.1.254 | eth0 | 1 |
| 0.0.0.0 | /0 | 10.0.1.1 | eth0 | 1 |
4. ARP – die Brücke zwischen Schicht 2 und 3
Ein Router kennt die Ziel-IP-Adresse – aber um das Paket an den nächsten Hop zu schicken, braucht er die MAC-Adresse dieses Hops. Das Address Resolution Protocol (ARP) löst IP-Adressen in MAC-Adressen auf. Es sendet einen Broadcast (ARP Request): „Wer hat IP 192.168.1.1?" – und der Eigentümer antwortet mit seiner MAC (ARP Reply).
5. Protokolle auf Schicht 3
- IPv4 / IPv6: Das eigentliche Netzwerkprotokoll
- ICMP / ICMPv6: Diagnose (Ping, Traceroute), Fehlermeldungen
- ARP: Adressauflösung (technisch Schicht 2/3-Grenze)
- Routing-Protokolle: OSPF, BGP, RIP – Routen automatisch lernen und austauschen