DNS und DHCP

IT 12.4 – Netzwerke · Einheit 10 von Teil B „TCP/IP“

Lernziele

Du kannst erklären, warum im Internet Namen statt IP-Adressen verwendet werden, und einen Domainnamen und eine URL in ihre Teile zerlegen.
Du kannst den Ablauf einer DNS-Anfrage beschreiben und die Rolle des Zwischenspeichers erklären.
Du kannst die vier Schritte von DHCP beschreiben und angeben, welche Einstellungen ein Gerät per DHCP bekommt.
Du kannst eine DHCP-Einstellung überprüfen und typische Störungen bei DNS und DHCP erkennen.

Namen statt Nummern

In den Einheiten 7 bis 9 hast du mit IP-Adressen gerechnet. Wenn du eine Webseite aufrufst, tippst du aber keine Adresse wie 192.0.2.10 ein, sondern einen Namen. Trotzdem braucht dein Gerät die IP-Adresse, um die Nachricht zu verschicken.

Und noch etwas: Wenn du dein Handy ins WLAN der Schule bringst, gibst du nie IP-Adresse, Subnetzmaske und Default-Gateway ein. Trotzdem funktioniert alles.

Wer übersetzt die Namen? Und wer verteilt die Einstellungen?

Erkunden: Ein Telefonbuch für das Internet

Bevor du weiterliest: Überlegt zu zweit, wie man zu einem Namen die passende IP-Adresse findet. Die Erklärungen weiter unten helfen euch erst danach, eure Ideen zu überprüfen.

Erkundung 1: Wer kennt welche Namen? mittel

Weltweit sind mehrere hundert Millionen Namen wie www.example.org, shop.example.com oder mail.example.org registriert, und ständig kommen neue dazu oder ändern sich.

a) Ein einziger Rechner soll zu jedem Namen der Welt die IP-Adresse kennen. Beurteilt diesen Vorschlag.

b) Entwickelt eine bessere Aufteilung: Wer sollte welche Namen kennen? Nutzt dabei den Aufbau der Namen.

c) Beschreibt, wie ein Rechner mit eurer Aufteilung die Adresse von shop.example.com herausfindet.

d) Viele Menschen rufen ständig dieselben Seiten auf. Schlagt vor, wie man vermeiden kann, dass jedes Mal die ganze Kette aus c) gefragt wird.

Tipp 1

Zu b): Lest die Namen von rechts nach links. Was haben www.example.org und mail.example.org gemeinsam, was www.example.org und shop.example.com?

Tipp 2

Zu b): Denkt an Postleitzahlen oder Telefonvorwahlen. Dort kennt auch nicht eine Stelle alle Anschlüsse.

Lösung (mögliche Ideen)

Domainnamen

Das Domain Name System (DNS) übersetzt Namen in IP-Adressen. Die Namen sind hierarchisch aufgebaut und werden von rechts nach links gelesen:

Teil	Beispiel in `www.example.org`	Bedeutung
Wurzel (Root)	der unsichtbare Punkt ganz rechts: `www.example.org.`	oberste Ebene
Top-Level-Domain (TLD)	`org`	zum Beispiel `de`, `com`, `org`, `net`
Domain (Second-Level-Domain, SLD)	`example`	der Name, den jemand registriert hat
Rechnername oder Subdomain	`www`	vom Besitzer der Domain frei vergeben

Jede Ebene ist nur für die Ebene direkt darunter zuständig. Den Teil example.org hat jemand bei einer Vergabestelle registriert. Welche Namen es darunter gibt, zum Beispiel www.example.org oder mail.example.org, entscheidet der Besitzer der Domain selbst.

Ein vollständiger Name wie www.example.org heißt auch FQDN (Fully Qualified Domain Name, vollständig angegebener Name).

Aufbau einer URL

Was du in die Adressleiste des Browsers tippst, ist eine URL (Uniform Resource Locator). Sie sagt, wie und wo etwas zu finden ist. Der Name des Servers ist nur ein Teil davon:

https://plan.example.org:8443/klasse12/montag.html?ansicht=kurz#raum

Teil	im Beispiel	Bedeutung
Protokoll (Schema)	`https`	wie abgerufen wird, zum Beispiel `http`, `https`, `ftp`
Host	`plan.example.org`	Name des Servers (wird per DNS aufgelöst) oder direkt eine IP-Adresse
Port	`8443`	Port des Dienstes; fehlt er, gilt der Standard: 443 bei `https`, 80 bei `http`
Pfad	`/klasse12/montag.html`	welche Seite oder Datei auf dem Server
Parameter (Query)	`?ansicht=kurz`	Zusatzangaben an den Server, mehrere werden mit `&` verbunden
Anker (Fragment)	`#raum`	eine Stelle innerhalb der Seite; wird nicht an den Server geschickt

Steht statt eines Namens eine IP-Adresse in der URL, zum Beispiel http://192.0.2.10/, braucht der Browser kein DNS. Den Port erklärt Einheit 6, mehr zu HTTP und HTTPS steht in den Einheiten 13 und 14.

So läuft eine DNS-Anfrage

An einer DNS-Anfrage sind mehrere Server beteiligt:

Der DNS-Resolver nimmt die Anfrage des Geräts entgegen und erledigt die Suche. Er steht zum Beispiel beim Internetanbieter oder im Schulnetz. Seine Adresse bekommt das Gerät per DHCP (siehe unten).
Die Root-Server kennen die Server der Top-Level-Domains. Es gibt 13 Root-Server-Namen, die von Hunderten Standorten auf der ganzen Welt beantwortet werden.
Die Server einer Top-Level-Domain (zum Beispiel für .org) kennen die zuständigen Server der einzelnen Domains.
Der zuständige Server einer Domain kennt die Namen und Adressen dieser Domain und gibt die verbindliche Antwort.

Verfolge die Anfrage nach www.example.org Schritt für Schritt:

Alle bisherigen Schritte

Zwischenspeicher: Der Resolver merkt sich jede Antwort für eine Zeit, die der zuständige Server festlegt, die TTL (Time to Live, zum Beispiel eine Stunde). Auch das Gerät selbst hat einen kleinen Zwischenspeicher. Die meisten Anfragen werden deshalb sofort beantwortet, ohne dass die ganze Kette gefragt wird.

DNS-Anfragen sind klein und sollen schnell beantwortet werden. Sie laufen deshalb meist über UDP (Einheit 6), Port 53.

Einträge im DNS

Der zuständige Server speichert zu jedem Namen Einträge verschiedener Art:

Eintrag	Bedeutung	Beispiel
A	IPv4-Adresse zu einem Namen	`www.example.org` → 192.0.2.10
AAAA	IPv6-Adresse zu einem Namen	`www.example.org` → 2001:db8::10
MX	Mailserver einer Domain	E-Mails an …@example.org gehen an `mail.example.org`
CNAME	anderer Name für einen Namen (Alias)	`web.example.org` ist ein anderer Name für `www.example.org`

Erkunden: Wie kommt ein Gerät an seine Einstellungen?

Bevor du weiterliest: Überlegt zu zweit, wie ein neues Gerät seine Netzwerkeinstellungen bekommen könnte.

Erkundung 2: Ein neuer Laptop im Netz mittel

Ein neuer Laptop wird ins Schulnetz gebracht. Er hat noch keine IP-Adresse und weiß auch nicht, welcher Rechner im Netz Adressen verteilt.

a) Gib an, welche Einstellungen der Laptop braucht, damit er im Netz und im Internet arbeiten kann. Denke an Einheit 7 und an den Abschnitt über DNS.

b) Der Laptop soll nach einer Adresse fragen. Entwickelt eine Möglichkeit, wie er fragen kann, obwohl er nicht weiß, an wen. Denkt an Einheit 3.

c) Überlegt, was der Rechner, der die Adressen verteilt, sich merken muss, damit zwei Geräte nie dieselbe Adresse bekommen.

d) Viele Geräte sind nur kurz im Netz, zum Beispiel Handys von Gästen. Schlagt eine Regel vor, damit die Adressen nicht irgendwann alle vergeben sind.

Tipp 1

Zu b): Wie erreicht man alle Geräte in einem Netz, ohne ihre Adressen zu kennen?

Lösung (mögliche Ideen)

DHCP

Das Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) verteilt Netzwerkeinstellungen automatisch. Der DHCP-Server steckt oft im Router. Er hat einen Adressbereich (englisch Pool), aus dem er Adressen vergibt, und eine Liste, welches Gerät welche Adresse hat.

Ein Gerät bekommt so seine Einstellungen in vier Schritten:

Alle bisherigen Schritte

Schritt	Nachricht	Absender	an
1	Discover: Suche nach einem Server	Gerät	alle (Broadcast)
2	Offer: Angebot mit Adresse und Einstellungen	Server	Gerät
3	Request: Annahme des Angebots	Gerät	alle (Broadcast)
4	Acknowledge: Bestätigung	Server	Gerät

Was verteilt DHCP? Mindestens IP-Adresse und Subnetzmaske, meist auch Default-Gateway, DNS-Server und die Lease-Zeit.

Lease: Eine Adresse wird nur für eine bestimmte Zeit „verliehen“ (englisch lease, Pacht). Nach der Hälfte der Zeit fragt das Gerät, ob es die Adresse behalten darf. Verlängert ein Gerät nicht, zum Beispiel weil es das Netz verlassen hat, wird die Adresse nach Ablauf der Zeit wieder frei.

Reservierung: Für Geräte, die immer unter derselben Adresse erreichbar sein sollen, zum Beispiel einen Drucker, kann man im DHCP-Server eine feste Zuordnung eintragen: diese MAC-Adresse bekommt immer diese IP-Adresse. Alternativ trägt man die Adresse direkt am Gerät ein (feste oder statische Adresse). Sie muss dann außerhalb des Adressbereichs des DHCP-Servers liegen.

DHCP läuft über UDP, Port 67 (Server) und 68 (Gerät).

Aufgaben

Aufgabe 1: Namen zerlegen leicht

a) Zerlege die Namen in Top-Level-Domain, Domain und weitere Teile:

www.example.org
mail.verwaltung.example.net
example.com

b) Gib für mail.verwaltung.example.net an, welcher Server welchen Teil kennt: Root-Server, Server für .net, zuständiger Server von example.net.

Lösung

Aufgabe 2: Die Reihenfolge der Anfrage mittel

Ein Laptop möchte shop.example.com aufrufen. Die Zwischenspeicher sind leer.

a) Bringe die Schritte in die richtige Reihenfolge:

A: Der zuständige Server von example.com antwortet mit der IP-Adresse.
B: Der Resolver fragt einen Root-Server.
C: Der Laptop fragt den Resolver.
D: Der Server für .com nennt den zuständigen Server von example.com.
E: Der Resolver gibt die Antwort an den Laptop weiter und speichert sie.
F: Der Root-Server nennt den Server für .com.
G: Der Resolver fragt den Server für .com.
H: Der Resolver fragt den zuständigen Server von example.com.

b) Fünf Minuten später fragt ein Tablet im selben Netz nach shop.example.com. Beschreibe, was jetzt passiert.

c) Jeden Tag gibt es weltweit Billionen DNS-Anfragen. Erläutere, warum die 13 Root-Server dadurch nicht überlastet werden.

Tipp 1

Zu a): Jede Frage des Resolvers bekommt eine Antwort, bevor er die nächste stellt. Frage und Antwort wechseln sich ab.

Lösung

Aufgabe 3: Welcher Eintrag? mittel

a) Ordne jeweils den passenden DNS-Eintrag zu (A, AAAA, MX oder CNAME) und begründe:

Der Webserver von example.org hat die IPv4-Adresse 192.0.2.10.
Derselbe Webserver ist auch unter 2001:db8::10 erreichbar.
E-Mails an info@example.org sollen beim Server mail.example.org ankommen.
Der Name shop.example.org soll auf denselben Server zeigen wie www.example.org, ohne die Adresse doppelt einzutragen.

b) Begründe, warum DNS meist UDP statt TCP verwendet (Einheit 6).

Lösung

Aufgabe 4: Die vier DHCP-Nachrichten leicht

Bringe die Nachrichten in die richtige Reihenfolge. Gib zu jeder an, wer sie sendet und ob sie als Broadcast an alle geht.

Request · Offer · Acknowledge · Discover

Lösung

Aufgabe 5: Einen DHCP-Server überprüfen mittel

Im Netz 192.168.20.0/24 hat der Router die Adresse 192.168.20.1. Er ist auch DNS-Resolver. Der DHCP-Server im Router ist so eingestellt:

Einstellung	Wert
Adressbereich	192.168.20.100 bis 192.168.20.199
Subnetzmaske	255.255.255.0
Default-Gateway	192.168.20.1
DNS-Server	192.168.20.1
Lease-Zeit	8 Stunden

Der Drucker hat die fest eingetragene Adresse 192.168.20.150.

a) Gib an, welche Einstellungen ein Laptop von diesem DHCP-Server bekommt.

b) Berechne, wie viele Geräte gleichzeitig eine Adresse per DHCP bekommen können.

c) Ab und zu kann niemand drucken, und ein Laptop meldet einen Adresskonflikt. Erläutere die Ursache und schlage zwei Lösungen vor.

d) Ein Kollege möchte den Adressbereich auf 192.168.20.100 bis 192.168.20.300 vergrößern. Nimm Stellung.

Tipp 1

Zu c): Vergleiche die Adresse des Druckers mit dem Adressbereich des DHCP-Servers.

Lösung

Aufgabe 6: Eine seltsame Adresse mittel

Ein Laptop kommt nicht ins Netz. ipconfig zeigt:

Einstellung	Wert
IPv4-Adresse	169.254.37.112
Subnetzmaske	255.255.0.0
Standardgateway	(leer)

Zur Information: Adressen aus dem Bereich 169.254.0.0/16 gibt sich ein Gerät selbst, wenn es auf seine DHCP-Anfrage keine Antwort bekommt.

a) Erläutere, was beim Start des Laptops passiert ist.

b) Nenne drei mögliche Ursachen.

c) Begründe, warum der Laptop mit dieser Adresse nicht ins Internet kommt.

Tipp 1

Zu b): Geh die vier DHCP-Schritte durch. An welchen Stellen kann die Kette reißen, schon bevor der Server antworten kann?

Lösung

Aufgabe 7: Ping geht, Webseite nicht schwer

Ein Laptop wurde von Hand eingerichtet, also ohne DHCP:

Einstellung	Wert
IPv4-Adresse	192.168.20.140
Subnetzmaske	255.255.255.0
Standardgateway	192.168.20.1
DNS-Server	192.168.30.53

Beobachtungen:

Der Befehl ping 192.0.2.10 (die IP-Adresse des Webservers von example.org) bekommt Antworten.
Im Browser zeigt www.example.org die Meldung „Server nicht gefunden“.
Die Rechner der Mitschüler im selben Raum haben als DNS-Server 192.168.20.1 eingetragen. Bei ihnen funktioniert alles.

a) Begründe, warum IP-Adresse, Maske und Gateway des Laptops in Ordnung sein müssen.

b) Erläutere die Ursache des Fehlers.

c) Schlage zwei Lösungen vor und beurteile, welche sinnvoller ist.

Tipp 1

Zu a): Was zeigt es, dass ping an eine Adresse außerhalb des eigenen Netzes funktioniert?

Tipp 2

Zu b): Was braucht der Browser zusätzlich zum ping, wenn man einen Namen statt einer Adresse eingibt?

Lösung

Aufgabe 8: Die richtige Lease-Zeit schwer

Ein Café bietet ein Gäste-WLAN an. Der DHCP-Server hat 50 Adressen. Am Tag kommen etwa 300 Gäste, die meisten bleiben etwa eine Stunde. Eingestellt ist eine Lease-Zeit von 7 Tagen.

In einem Büro nebenan arbeiten 20 Angestellte jeden Tag mit denselben Geräten. Dort sind 100 Adressen im Adressbereich.

a) Erläutere, welches Problem im Café nach einiger Zeit auftritt.

b) Entwickle für beide Netze eine Empfehlung für die Lease-Zeit und begründe sie.

Tipp 1

Zu a): Wann wird die Adresse eines Gastes wieder frei, der nach einer Stunde geht?

Lösung

Aufgabe 9: Eine URL zerlegen leicht

a) Zerlege die beiden URLs in ihre Teile und benenne sie:

http://203.0.113.25:8080/verwaltung/
https://shop.handel.example.com/suche?begriff=kabel&seite=2

b) Gib an, welchen Port der Browser bei der zweiten URL verwendet. Begründe.

c) Erläutere, warum der Browser bei der ersten URL keine DNS-Anfrage stellt.

Lösung

Zusammenfassung

DNS übersetzt Namen in IP-Adressen. Namen werden von rechts nach links gelesen: Wurzel, Top-Level-Domain, Domain, Rechnername.
Eine Anfrage läuft über den Resolver zu Root-Server, TLD-Server und zuständigem Server. Antworten werden für die TTL im Zwischenspeicher gehalten.
Wichtige Einträge: A (IPv4), AAAA (IPv6), MX (Mailserver), CNAME (anderer Name).
DHCP verteilt IP-Adresse, Maske, Default-Gateway und DNS-Server in vier Schritten: Discover, Offer, Request, Acknowledge.
Adressen werden für eine Lease-Zeit verliehen. Feste Adressen gehören außerhalb des Adressbereichs oder werden reserviert.

Selbstcheck

Geh die Fragen ehrlich durch. Wenn du bei einer unsicher bist, lies den verlinkten Abschnitt noch einmal oder bearbeite die passende Aufgabe.

Kannst du erklären, warum man Namen verwendet, und einen Domainnamen und eine URL zerlegen? → Erkundung 1, Domainnamen, Aufbau einer URL, Aufgabe 1, Aufgabe 9
Kannst du den Ablauf einer DNS-Anfrage und den Zwischenspeicher erklären? → So läuft eine DNS-Anfrage, Aufgabe 2, Aufgabe 3
Kannst du die vier Schritte von DHCP beschreiben und die verteilten Einstellungen nennen? → Erkundung 2, DHCP, Aufgabe 4
Kannst du eine DHCP-Einstellung überprüfen und Störungen erkennen? → Aufgabe 5, Aufgabe 6, Aufgabe 7, Aufgabe 8

Wortspeicher

Begriff	Bedeutung in einfachen Worten
DNS	System, das Namen in IP-Adressen übersetzt
Domainname	Name wie `www.example.org`, von rechts nach links aufgebaut
Top-Level-Domain (TLD)	letzter Teil eines Namens, z. B. `de`, `org`, `com`
Second-Level-Domain (SLD)	der registrierte Name vor der TLD, z. B. `example` in `example.org`
FQDN	vollständiger Name eines Rechners, z. B. `www.example.org`
URL	vollständige Adresse in der Adressleiste: Protokoll, Host, Port, Pfad, Parameter
DNS-Resolver	Server, der für ein Gerät die ganze Suche erledigt
Root-Server	oberste DNS-Server; kennen die Server der Top-Level-Domains
zuständiger Server	DNS-Server, der die Namen einer Domain verbindlich kennt
Zwischenspeicher (Cache)	Speicher für Antworten, damit nicht jedes Mal neu gefragt wird
TTL	Zeit, wie lange eine Antwort gespeichert werden darf
A / AAAA / MX / CNAME	DNS-Einträge für IPv4, IPv6, Mailserver, anderen Namen
DHCP	Protokoll, das Netzwerkeinstellungen automatisch verteilt
DHCP-Server	Gerät, das Adressen vergibt, oft im Router
Adressbereich (Pool)	Adressen, die der DHCP-Server vergeben darf
Lease	Zeit, für die eine Adresse verliehen ist
Reservierung	feste Zuordnung: diese MAC-Adresse bekommt immer diese IP-Adresse
statische Adresse	von Hand am Gerät eingetragene Adresse

Quellen

Hessisches Kultusministerium: Kerncurriculum Fachoberschule, Fachrichtung Technik, Schwerpunkt Informationstechnik, Themenfeld 12.4 Netzwerke (Stand November 2022).
DNS nach RFC 1034 und RFC 1035, AAAA-Einträge nach RFC 3596, DHCP nach RFC 2131, automatische Adressen 169.254.0.0/16 nach RFC 3927.
Beispielnamen nach RFC 2606 (example.org, example.com, example.net), Beispieladressen nach RFC 5737 (192.0.2.0/24) und RFC 3849 (2001:db8::/32).
Texte, Beispiele, Aufgaben und Abläufe sind selbst erstellt.