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MAC-Adresse und IP-Adresse: Wie Geräte im Netzwerk gefunden werden

Mario ·

Stell dir ein Auto vor. Es hat eine Fahrgestellnummer, die ihm bei der Herstellung mitgegeben wurde und es sein Leben lang begleitet. Außerdem hat sein Besitzer eine Postanschrift, die sich ändert, wenn er umzieht. Mit der Fahrgestellnummer kannst du das Auto eindeutig erkennen, aber einen Brief schickst du an die Anschrift.

Im Netzwerk gibt es genau diese zwei Adressen. Die MAC-Adresse ist die fest eingebaute Kennung der Netzwerkkarte, die IP-Adresse ist die Anschrift im Netz, die sich mit dem Standort ändert. Beide werden gebraucht, und sie arbeiten bei jedem Datenpaket zusammen.

Warum gibt es zwei Adressen?

Das hat mit den Aufgaben zu tun. Im Beitrag Switch, Router, Access Point und Firewall hast du gesehen, dass ein Switch anhand der MAC-Adresse entscheidet und ein Router anhand der IP-Adresse.

  • Die MAC-Adresse sorgt für die Zustellung innerhalb eines Netzes: von einem Gerät zum nächsten, das am selben Switch oder im selben WLAN hängt.
  • Die IP-Adresse sorgt für die Zustellung zwischen Netzen: vom Absender zum Ziel, auch wenn dazwischen mehrere Router liegen.

Mit nur einer von beiden würde es nicht gehen. Allein mit MAC-Adressen müssten alle Router der Welt die Adressen aller Geräte kennen. Allein mit IP-Adressen wüsste ein Gerät im selben Netz nicht, an welche Netzwerkkarte es einen Rahmen schicken muss.

Die MAC-Adresse

MAC steht für Media Access Control, die Zugriffssteuerung auf das Übertragungsmedium. Mit dem Apple Mac hat der Begriff nichts zu tun. Eine MAC-Adresse hat 48 Bit, also 6 Byte. Sie wird hexadezimal geschrieben, und weil eine Hexadezimalziffer 4 Bit abbildet, sind es genau 12 Ziffern. Diese Umrechnung kennst du aus dem Beitrag Zahlensysteme verstehen.

Gängige Schreibweisen für dieselbe Adresse:

00:1A:2B:3C:4D:5E     Doppelpunkte (Linux, die meisten Geräte)
00-1A-2B-3C-4D-5E     Bindestriche (Windows)
001A.2B3C.4D5E        Punkte (Cisco)

Mit 48 Bit sind 248 = 281.474.976.710.656 Adressen möglich. Das reicht für sehr viele Netzwerkkarten.

Wie eine MAC-Adresse aufgebaut ist

Die Adresse besteht aus zwei Hälften:

  • Die ersten drei Byte sind der OUI (Organizationally Unique Identifier). Er wird von der IEEE an den Hersteller vergeben und kennzeichnet ihn.
  • Die letzten drei Byte vergibt der Hersteller selbst, damit jede Karte einmalig ist.

Mit dem OUI lässt sich bei Bedarf herausfinden, von welchem Hersteller ein Gerät stammt. Dazu gibt es öffentliche OUI-Datenbanken, die du im Internet durchsuchen kannst. Das hilft in der Praxis, wenn im Netz ein unbekanntes Gerät auftaucht.

Eine MAC-Adresse besteht aus Herstellerteil und Gerätekennung.

Zwei besondere Bits im ersten Byte

Im ersten Byte stecken zwei Bits mit besonderer Bedeutung:

  • Das niedrigste Bit sagt, ob die Adresse für ein einzelnes Gerät (0, Unicast) oder für eine Gruppe von Geräten (1, Multicast) steht.
  • Das zweite Bit sagt, ob die Adresse weltweit vom Hersteller vergeben wurde (0) oder lokal festgelegt wurde (1).

Ein Beispiel: Das erste Byte 00 ist binär 00000000. Beide Bits sind 0, die Adresse steht also für ein einzelnes Gerät und wurde vom Hersteller vergeben. Das Byte 02 ist binär 00000010. Hier ist das zweite Bit 1, die Adresse wurde also lokal festgelegt, zum Beispiel per Software.

Die Broadcast-Adresse

Eine besondere Adresse ist FF:FF:FF:FF:FF:FF. Alle 48 Bit sind 1. Ein Rahmen mit dieser Ziel-Adresse geht an alle Geräte im Netz. Man nennt das Broadcast. Ein Switch leitet solche Rahmen an alle Ports weiter. Wozu das gebraucht wird, siehst du gleich beim ARP.

Ist die MAC-Adresse unveränderlich?

Ursprünglich fest in der Netzwerkkarte gespeichert, lässt sich die MAC-Adresse heute per Software ändern. Zwei Folgen für die Praxis:

  • Moderne Smartphones und Notebooks nutzen oft eine zufällige MAC-Adresse pro WLAN, damit man sie nicht über Netze hinweg verfolgen kann. Deshalb taucht dasselbe Gerät in einer Geräteliste manchmal unter wechselnden MAC-Adressen auf.
  • Wer eine MAC-Adresse nur als Zugangsschutz einsetzt, hat wenig gewonnen. Ein Angreifer kann sie mitlesen und selbst verwenden. Man nennt das MAC-Spoofing. Ein MAC-Filter im WLAN ist deshalb höchstens eine Hürde, aber keine Sicherheitsmaßnahme.

Die IP-Adresse

IP steht für Internet Protocol. Eine IP-Adresse ist eine logische Adresse, die einem Gerät in einem Netz zugewiesen wird. Sie gehört nicht zur Hardware, sondern zur Netzwerkverbindung, und sie ändert sich, wenn das Gerät in ein anderes Netz wechselt. Dein Notebook hat im Büro eine andere IP-Adresse als zu Hause.

Es gibt zwei Versionen:

  • IPv4 hat 32 Bit und wird als vier Dezimalzahlen mit Punkten geschrieben, zum Beispiel 192.168.10.77. Jede Zahl steht für 8 Bit und liegt zwischen 0 und 255. Insgesamt gibt es 232 = 4.294.967.296 mögliche Adressen.
  • IPv6 hat 128 Bit und wird hexadezimal mit Doppelpunkten geschrieben, zum Beispiel 2001:db8::1. Es wurde eingeführt, weil die IPv4-Adressen knapp wurden.

Dasselbe IPv4-Beispiel in Binär sieht so aus. Die Umrechnung kennst du aus dem Beitrag Binärsystem verstehen:

192.168.10.77
= 11000000.10101000.00001010.01001101

Die vier Teile heißen Oktette, weil jeder aus 8 Bit besteht. Wie IPv4-Adressen aufgebaut sind, vertieft der Beitrag IPv4 verstehen.

Netzanteil und Hostanteil

Eine IP-Adresse enthält zwei Informationen in einer Zahl: In welchem Netz liegt das Gerät, und welches Gerät in diesem Netz ist es? Der erste Teil heißt Netzanteil, der zweite Hostanteil. Wo die Grenze liegt, bestimmt die Netzmaske. Bei 192.168.10.77 mit der Maske 255.255.255.0 ist 192.168.10 das Netz und 77 das Gerät. Das Thema bekommt einen eigenen Beitrag: Netzmaske verstehen.

Woher bekommt ein Gerät seine IP-Adresse?

Es gibt zwei Wege. Bei statischer Vergabe trägt ein Administrator die Adresse von Hand ein. Das ist üblich für Server, Drucker und Netzwerkgeräte, die immer unter derselben Adresse erreichbar sein sollen. Bei dynamischer Vergabe bekommt das Gerät die Adresse automatisch von einem DHCP-Server. Das ist der Normalfall für Arbeitsplätze und Smartphones. Wie das funktioniert, zeigt der Beitrag DHCP verstehen.

MAC und IP im Vergleich

MAC-Adresse IP-Adresse (IPv4)
Länge 48 Bit 32 Bit
Schreibweise Hexadezimal, 6 Blöcke Dezimal, 4 Blöcke
Zugehörigkeit Zur Netzwerkkarte (Hardware) Zur Netzwerkverbindung (logisch)
Vergeben von Hersteller Administrator oder DHCP-Server
Ändert sich Normalerweise nicht, per Software aber änderbar Ja, je nach Netz
Gilt Nur im lokalen Netz Netzübergreifend, bis zum Ziel
Genutzt von Switch Router
Vergleich Fahrgestellnummer Postanschrift

Wie beide zusammenarbeiten: ARP

Ein Gerät kennt oft nur die IP-Adresse seines Ziels, braucht aber für den Rahmen im lokalen Netz die MAC-Adresse. Die Umsetzung übernimmt das ARP (Address Resolution Protocol). Der Ablauf:

  1. PC A (192.168.10.77) will Daten an den Server mit 192.168.10.10 schicken. Er kennt dessen MAC-Adresse noch nicht.
  2. PC A sendet einen ARP-Request als Broadcast an alle Geräte: „Wer hat die IP-Adresse 192.168.10.10? Bitte melde dich bei 192.168.10.77.“
  3. Alle Geräte empfangen die Frage. Nur der Server fühlt sich angesprochen und antwortet mit einem ARP-Reply direkt an PC A: „Das bin ich, meine MAC-Adresse ist 00:1A:2B:3C:4D:10.“
  4. PC A merkt sich die Zuordnung im ARP-Cache und kann jetzt den Rahmen mit der richtigen Ziel-MAC-Adresse versenden.

Der ARP-Cache verhindert, dass vor jedem Paket neu gefragt werden muss. Seinen Inhalt zeigst du mit arp -a an.

Per ARP erfährt ein Gerät die MAC-Adresse zu einer bekannten IP-Adresse.

Was ändert sich auf dem Weg ins Internet?

Jetzt wird es interessant. PC A will eine Webseite aufrufen, deren Server die Adresse 203.0.113.50 hat. Dieses Ziel liegt nicht im eigenen Netz. Der PC schickt das Paket deshalb an sein Standardgateway, also den Router mit der IP-Adresse 192.168.10.1, und fragt per ARP dessen MAC-Adresse ab.

Der Rahmen auf dieser ersten Teilstrecke trägt daher die Ziel-IP des Webservers, aber die Ziel-MAC des Routers. Der Router packt das Paket neu in einen Rahmen für die nächste Teilstrecke, mit der MAC-Adresse seiner Gegenstelle als Ziel. Das wiederholt sich bei jedem Router auf dem Weg.

Teilstrecke Quell-MAC Ziel-MAC Quell-IP Ziel-IP
PC A → Router (im LAN) PC A Router (LAN-Seite) 192.168.10.77 203.0.113.50
Router → Router des Providers Router (WAN-Seite) Provider-Router öffentliche Adresse des Routers* 203.0.113.50

* Der Router ersetzt die private Quell-IP durch seine öffentliche Adresse. Das heißt NAT und wird bei den privaten und öffentlichen IP-Adressen erklärt.

Die Regel zum Merken: Die MAC-Adresse wechselt auf jeder Teilstrecke, die Ziel-IP bleibt bis zum Ende dieselbe. Die MAC-Adresse des Webservers lernt dein PC nie kennen. Sie spielt nur im Netz des Webservers eine Rolle.

Auf jeder Teilstrecke gelten andere MAC-Adressen, die Ziel-IP bleibt gleich.

Adressen am eigenen Rechner ansehen

Beide Adressen findest du direkt auf deinem Rechner. Unter Windows zeigt dir die Eingabeaufforderung mit diesem Befehl alle Details der Netzwerkadapter:

ipconfig /all

Bei jedem Adapter siehst du die „Physische Adresse“, das ist die MAC-Adresse, sowie IPv4-Adresse, Subnetzmaske und Standardgateway. Unter Linux gibt es zwei Befehle:

ip link
ip addr

Der erste zeigt die MAC-Adresse hinter dem Eintrag link/ether, der zweite die IP-Adressen hinter inet und inet6. Welche Werte du siehst, hängt von deinem Netz ab. Dann prüfst du, welche MAC-Adressen dein Rechner schon gelernt hat:

arp -a

Die Liste zeigt IP-Adresse und MAC-Adresse der Geräte, mit denen dein Rechner zuletzt gesprochen hat. Eine Zeile gehört mit hoher Wahrscheinlichkeit zu deinem Router.

Praxisbeispiel: Der Drucker mit fester Adresse

In der kleinen Firma soll der Netzwerkdrucker immer unter 192.168.10.20 erreichbar sein, damit alle Rechner ihn einmal einrichten und nie wieder anfassen müssen. Der Drucker holt seine Adresse aber per DHCP. Deshalb trägt der Administrator im DHCP-Server eine Reservierung ein: „Das Gerät mit der MAC-Adresse 00:1A:2B:3C:4D:20 bekommt immer die 192.168.10.20.“

Das funktioniert, solange die MAC-Adresse gleich bleibt. Wird die Netzwerkkarte des Druckers getauscht, ändert sich die MAC-Adresse. Die Reservierung greift dann nicht mehr, und der Drucker bekommt eine andere Adresse. Solche Fehlerbilder erkennst du jetzt sofort: IP-Adresse vergeben nach MAC-Adresse, neue Karte, neue MAC, Reservierung ins Leere.

Typische Fehler und Missverständnisse

  • MAC und IP verwechseln. Die MAC gilt nur im lokalen Netz, die IP bis zum Ziel.
  • „Die MAC-Adresse kann man nicht ändern.“ Sie lässt sich per Software ändern, und viele Geräte tun das selbst.
  • „Ein MAC-Filter schützt mein WLAN.“ MAC-Adressen lassen sich mitlesen und kopieren. Eine gute Verschlüsselung schützt mehr.
  • „Beim Aufruf einer Webseite steht die MAC des Servers im Rahmen.“ Im eigenen Netz steht die MAC des Routers, die des Servers siehst du nie.
  • „Die IP-Adresse gehört zum Gerät.“ Sie gehört zur Verbindung ins jeweilige Netz und wechselt mit ihr.

Zum Üben

  1. Wie viele Bit und wie viele Hexadezimalziffern hat eine MAC-Adresse?
  2. Welcher Teil der MAC-Adresse kennzeichnet den Hersteller?
  3. Wandle die IPv4-Adresse 10.0.5.200 in Binär um.
  4. Wie viele IPv4-Adressen gibt es insgesamt?
  5. Welche Ziel-MAC-Adresse trägt ein Rahmen, den ein PC an einen Webserver im Internet schickt?
  6. Was ist die Adresse FF:FF:FF:FF:FF:FF?
  7. Das erste Byte einer MAC-Adresse ist 03. Ist die Adresse für ein einzelnes Gerät oder für eine Gruppe? Wurde sie vom Hersteller oder lokal vergeben?

Lösungen: (1) 48 Bit und 12 Hexadezimalziffern. (2) Die ersten drei Byte, der OUI. (3) 10 = 00001010, 0 = 00000000, 5 = 00000101, 200 = 11001000, also 00001010.00000000.00000101.11001000. (4) 232 = 4.294.967.296. (5) Die MAC-Adresse des Standardgateways, also des Routers. (6) Die Broadcast-Adresse, ein Rahmen geht an alle Geräte im Netz. (7) 03 ist binär 00000011. Das niedrigste Bit ist 1, die Adresse steht also für eine Gruppe (Multicast). Das zweite Bit ist ebenfalls 1, sie wurde also lokal vergeben.

Das solltest du dir merken

  • Die MAC-Adresse ist die 48 Bit lange Hardwareadresse der Netzwerkkarte und gilt im lokalen Netz.
  • Die ersten drei Byte der MAC sind der OUI des Herstellers. FF:FF:FF:FF:FF:FF ist die Broadcast-Adresse.
  • Die IP-Adresse ist die logische Adresse einer Verbindung und gilt netzübergreifend. IPv4 hat 32 Bit, IPv6 128 Bit.
  • ARP übersetzt im lokalen Netz eine bekannte IP-Adresse in die zugehörige MAC-Adresse.
  • Auf dem Weg durchs Netz wechselt die MAC-Adresse bei jeder Teilstrecke, die Ziel-IP bleibt gleich.
  • MAC-Adressen lassen sich ändern und sind kein Sicherheitsmerkmal.

Mit den beiden Adressen weißt du, wie Geräte gefunden werden. Wie die gesamte Kommunikation in Schichten gegliedert ist, zeigt das Modell, das fast jede Netzwerkprüfung abfragt: OSI-Modell erklärt.

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