Netze - Modul 4: IPv4, Subnetze, ARP, ICMP

Übungs-Karteikarten zu den Themen IPv4-Grundlagen, Adressierung, Subnetting, ARP und ICMP aus Modul 4 der Lehrveranstaltung Netze.

Welche zentralen Aufgaben hat die Internetschicht (Schicht 3) im OSI- bzw. DoD-Modell?

Sie ist zuständig für die Erzeugung und den Versand von Datenpaketen anhand von Absender- und Empfängeradressen, die Wegsteuerung (Routing) zwischen heterogenen Netzwerken sowie die Festlegung der Paketlebensdauer ($\text{TTL}$).

Welche Garantien bietet das Internet Protocol (IP) bei der Datenübertragung ausdrücklich nicht?

IP garantiert weder die Zustellung noch die Einhaltung der Paketreihenfolge oder die Fehlerfreiheit der übertragenen Daten. Es arbeitet verbindungslos, ohne Empfangsbestätigung und ohne feste Route.

In welchem Dokument ist das Internet Protocol Version 4 (IPv4) spezifiziert und was zeichnet RFCs grundsätzlich aus?

IPv4 ist in $\text{RFC 791}$ spezifiziert. Ein einmal veröffentlichter RFC wird nachträglich nicht mehr verändert; Korrekturen oder neue Versionen erfordern zwingend ein neues RFC-Dokument (Format beschrieben in $\text{RFC 2223}$).

Aus welchen zwei Komponenten besteht jede 32-Bit-IPv4-Adresse?

Aus einem Adressteil für das Netzwerk ($\text{Netzadresse}$) und einem Adressteil für die Stationen ($\text{Hostadresse}$). Alle Hosts desselben Netzwerks teilen sich die identische Netzadresse.

Wie viele Adressen umfasst der IPv4-Adressraum insgesamt?

Der Adressraum umfasst $2^{32} = 4.294.967.296$ Adressen.

Welche Merkmale hatten die historischen IPv4-Klassen A, B und C bis 1993?

• Klasse A: Erstes Bit 0, Adressraum $0\text{--}127$, max. $126$ Netze, max. $16.777.214$ Hosts\n- Klasse B: Erste Bits 10, Adressraum $128\text{--}191$, max. $16.382$ Netze, max. $65.534$ Hosts\n- Klasse C: Erste Bits 110, Adressraum $192\text{--}223$, max. $2.097.150$ Netze, max. $252$ Hosts

Was ist Classless Inter-Domain Routing (CIDR) und warum wurde es eingeführt?

CIDR ($\text{RFC 1519}$, präzisiert in $\text{RFC 4632}$) wurde 1993 eingeführt, um das starre Klassensystem aufzuheben, den verbleibenden Adressraum durch variable Netzpräfixlängen effizienter zu nutzen und die Größe der Routingtabellen zu verringern.

Warum stehen in einem $/24$-Netzwerk nur $254$ statt $256$ Adressen für Hosts zur Verfügung?

Weil die kleinste Adresse (alle Bits im Hostteil sind $0$) das Netz selbst identifiziert und die größte Adresse (alle Bits im Hostteil sind $1$) als Broadcast-Adresse reserviert ist ($2^n - 2 = 2^8 - 2 = 254$).

Welche Adressbereiche sind nach RFC 1918 für private Netze reserviert?

• $10.0.0.0/8$ ($10.0.0.0\text{ bis }10.255.255.255$, $16.777.216$ Adressen)\n- $172.16.0.0/12$ ($172.16.0.0\text{ bis }172.31.255.255$, $1.048.576$ Adressen)\n- $192.168.0.0/16$ ($192.168.0.0\text{ bis }192.168.255.255$, $65.536$ Adressen)

Wozu dienen die Adressblöcke 127.0.0.0/8 und 169.254.0.0/16?

• $127.0.0.0/8$: Loopback-Adresse des lokalen Rechners ($\text{RFC 1122}$)\n- $169.254.0.0/16$: Automatische Adresskonfiguration / APIPA / Link Local ($\text{RFC 3927}$)

Welche Bedeutung hat das Feld IHL (Internet Header Length) im IPv4-Header?

IHL gibt die Länge des IP-Headers in Einheiten von $32\text{ Bit}$ ($4\text{ Byte}$) an. Der Maximalwert von binär $1111$ ($15$) entspricht einer maximalen Header-Länge von $15 \times 32\text{ Bit} = 480\text{ Bit} = 60\text{ Byte}$.

Welche Funktion haben die drei Bits im Flags-Feld des IPv4-Headers?

• 1. Bit: Immer $0$\n- 2. Bit (DF = Don't Fragment): Verbietet die Fragmentierung des Datenpakets, wenn es gesetzt ist\n- 3. Bit (MF = More Fragments): Zeigt an, dass weitere Fragmente des Pakets folgen

Wie verhindert das Time-to-Live (TTL)-Feld im IPv4-Header Endlosschleifen?

Der Sender setzt einen Lebensdauerwert (typisch zwischen $30$ und $64$). Jeder weiterleitende Router zieht mindestens $1$ ab. Erreicht der TTL-Wert $0$, wird das Paket verworfen.

Warum prüft die Header-Prüfsumme (Header Checksum) im IPv4-Header nur den Header und nicht die Nutzdaten?

Da sich Felder wie die TTL an jedem Router ändern, muss die Prüfsumme bei jedem Hop neu berechnet werden. Die Beschränkung auf den Header hält die Weiterleitungsverzögerung gering; für die Nutzdaten ist ein übergeordnetes Protokoll zuständig.

Welche Ziele werden durch die Bildung von Subnetzen (Subnetting) verfolgt?

Eine bessere Netzwerkübersicht, Reduzierung und Lokalisierung des Broadcast-Verkehrs, erhöhte Netzwerksicherheit sowie eine vereinfachte Administration.

Welche beiden Randbedingungen müssen bei jeder Subnetzbildung beachtet werden?

Die Anzahl der benötigten Subnetze sowie die Anzahl der benötigten Rechner/Hosts im größten Subnetz.

Wie lautet die Subnetzmaske und die Anzahl nutzbarer Hosts pro Subnetz, wenn ein /24-Netz in 5 Subnetze aufgeteilt werden soll?

Für 5 Subnetze werden $3\text{ Bit}$ benötigt ($2^3 = 8 \ge 5$). Die Subnetzmaske lautet $255.255.255.224$ ($/27$). Für Hosts verbleiben $5\text{ Bit}$, was $2^5 - 2 = 30$ nutzbare Rechner pro Subnetz ergibt.

Welche Aufgabe erfüllt das Address Resolution Protocol (ARP)?

ARP ($\text{RFC 826}$, 1982) arbeitet an der Schnittstelle von Schicht 2 und 3 und übersetzt logische IP-Adressen in physische MAC-Hardwareadressen für die Übertragung im lokalen Netzwerk.

Aus welchen vier Schritten besteht der standardmäßige ARP-Ablauf?

1. ARP-Request: Sender schickt Broadcast ins lokale Netz (Wer hat IP X?).\n2. Empfang: Alle Stationen empfangen die Anfrage und prüfen die Ziel-IP.\n3. ARP-Reply: Das Zielgerät antwortet per Unicast mit seiner MAC-Adresse.\n4. Speicherung: Der Sender speichert die Zuordnung im lokalen ARP-Cache.

Welcher Wert ist im ARP-Paket bei einem ARP-Request im Feld 'Target MAC' eingetragen?

Der Wert 00:00:00:00:00:00 (da die MAC-Adresse des Ziels erst ermittelt werden soll).

Mit welchen Konsolenbefehlen lässt sich die ARP-Tabelle unter Windows und Linux anzeigen?

• Windows: arp -a\n- Linux / macOS: arp -a oder moderner ip neigh show

Welche Protokolle gehören zur ARP-Familie bzw. lösen verwandte Adressierungsaufgaben?

• RARP (Reverse ARP): Ermittelt IP zu gegebener MAC (veraltet, ersetzt durch DHCP)\n- Proxy ARP: Router antwortet für Stationen anderer Netze\n- NDP (Neighbor Discovery Protocol): IPv6-Äquivalent auf Basis von ICMPv6\n- InARP (Inverse ARP): Für Frame Relay und ATM

Welchem Zweck dient das Internet Control Message Protocol (ICMP)?

ICMP ($\text{RFC 792}$) dient als integraler Bestandteil der Internet-Protokoll-Suite zur Übertragung von Steuerungs- und Fehlermeldungen sowie zur Netzwerkdiagnose (z. B. Verfügbarkeit und Problemerkennung).

Wie nutzt das Tool Traceroute die Protokolle IP und ICMP zur Pfadverfolgung?

Traceroute sendet Pakete mit schrittweise erhöhtem TTL-Wert (beginnend bei 1). Jeder Router dekrementiert die TTL; wird diese 0, verwirft der Router das Paket und sendet ein ICMP 'Time Exceeded' (Typ 11) zurück, wodurch der Pfad identifiziert wird.

Welche Bedeutung haben die ICMPv4-Typen 0, 3, 8 und 11?

• Typ 0: Echo Reply (Antwort auf Ping)\n- Typ 3: Destination Unreachable (Ziel nicht erreichbar)\n- Typ 8: Echo Request (Anfrage für Ping)\n- Typ 11: Time Exceeded (TTL überschritten)

Welche Ursachen signalisieren die Codes 0, 1, 3 und 4 bei ICMP Typ 3 (Destination Unreachable)?

• Code 0: Netzwerk unerreichbar\n- Code 1: Rechner unerreichbar\n- Code 3: Port unerreichbar\n- Code 4: Fragmentierung erforderlich