TCP/IP-Protokolle

Die Buchstabenkürzel stehen für zwei im Ethernet/Internet wichtige Protokollgruppen. TCP ist das transmission control protocol und IP das internet protocol. Beides sind sehr umfangreiche Protokollsammlungen. TCP/IP ist seit Langem die Standardmethode, die eine vom System unabhängige Datenkommunikation möglich macht.

Die Idee der Vernetzung unterschiedlichster Systeme hat ihren Ursprung um 1970 in den USA. Die DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency vergab den Auftrag ein Netzwerk für Forschungszentren zu entwickeln, das bei einem atomaren Anschlag arbeitsfähig bleibt und dezentral betrieben werden kann. Der funktionstüchtige Prototyp nannte sich ARPANET. Das Arbeitsmodell des US-Verteidigungsministeriums, Department of Defence ist das DoD-Schichtenmodell. Die Aufgaben zum Betreiben eines Netzwerks werden auf einzelne voneinander abhängige Schichten verteilt. Jede Schicht sollte über eine Protokollsammlung verfügen, durch deren Funktionen und Methoden die Aufgaben ausgeführt werden. Die Ergebnisse werden an die Folgeschicht weitergegeben.

Dieses Modell führte zur TCP/IP-Protokollsammlung, die um 1980 ein leichter zu wartendes und betriebssichereres Softwaresystem darstellte. Ab 1983 wurde es von Unix-Distributionen an großen Universitäten benutzt und wenig später auch von kommerziellen Unix-Systemen übernommen. TCP/IP ist seitdem der Standard in der systemübergreifenden Datenkommunikation. Alle TCP/IP-Protokolle sind als RFC-Dokumente, Request for Comments veröffentlicht.

Diese Arbeitsdokumente können von jedermann vorgeschlagen, erstellt, verändert und dokumentiert werden. Jedes Einzelne ist nummeriert und durchläuft diverse Gremien, bevor es zur möglichen allgemeinen Freigabe kommt und einen neuen Entwicklungsstandard darstellt. Ein neu eingeführtes RFC-Dokument ersetzt das vorherige. Alle ersetzten RFCs bestehen weiterhin und sind archiviert. Das OSI-Referenzmodell baut darauf auf und verfeinert die voneinander abhängige Schichtstruktur, wodurch eine noch bessere Zusammenarbeit der Systeme möglich gemacht wird.

Anwendungsschicht – Process-layer

In diese Ebene ist der Benutzer interaktiv eingebunden. Er stellt Nachrichten und Daten zusammen, um diese über das Netz zu verteilen oder er empfängt sie aus dem Netz für seine Anwenderprogramme. Die Protokolle dieser Ebene sind für das Erstellen des Datenstroms zuständig und im umgekehrten Fall erzeugen sie die Nachricht aus dem Datenstrom. Die folgende Aufzählung gibt nur einige bekanntere Protokolle und ihre Aufgaben wieder und ist bei Weitem nicht komplett.

• HTTP, das Hypertext Transfer Protocol für Internetinhalte.
• DNS, der Domain Name Service zum Übersetzen von Domainnamen in die IP-Adressen.
• SMTP, das Simple Mail Transfer Protocol für das Versenden von E-Mails.
• POP3, das Post Office Protocol der Version 3 für den Abruf von E-Mails
• IMAP, das Internet Message Access Protocol dient dem Zugriff auf E-Mails
• FTP, das File Transfer Protocol zur allgemeinen Dateiübertragung.
• Telnet, ein unverschlüsselter Zugang auf entfernte Rechner (remote terminal).
• SNMP, das Simple Network Management Protocol zur Verwaltung von Netzwerkgeräten.
• NTP, das Network Time Protocol, synchronisiert die Systemzeit über das Netz mit Atomzeituhren.

Transportschicht – Transport-layer

Die Protokolle sind für die sogenannte Ende-zu-Ende Verbindung zuständig. Das Transmission Control Protocol (TCP) ist das wohl wichtigste Protokoll dieser Ebene. Es ermöglicht als verbindungsorientiertes Protokoll eine zuverlässige Verbindung zwischen zwei Netzknoten zum Datenaustausch. Zu dieser Schicht zählt auch das verbindungslose UDP-Protokoll, das über keine Kontrolle, ob das Datenpaket auch tatsächlich angekommen ist, verfügt. Die Daten werden hierbei nur dem richtigen Anwendungsprogramm zur Verfügung gestellt.

• TCP, das Transmission Control Protocol zur verbindungsorientierten, zuverlässigen Datenübertragung.
• TLS steht für Transport Layer Security und ersetzt SSL, das Secure Socket Layer Protokoll zur Verschlüsselung von TCP.
• SCTP, das Stream Control Transmission Protocol, ein Transportprotokoll.
• UDP, das User Datagram Protocol zur verbindungslosen Datenpaketübertragung beim Internetradio und Videostream.

Internetschicht – Internet-layer

Diese Ebene ist für die Weiterleitung der Datenpakete im Netz zuständig. Das bekannteste Protokoll ist das IP Internet-Protocol in seinen beiden Versionen IPv4 und IPv6. Alle Wegewahlverfahren, das Routing gehören in diese Ebene. In dieser Schicht wird dem Datenpaket eine dem Netzknoten eindeutige Netzwerkadresse, die IP-Adresse zugewiesen. Die folgende Aufzählung enthält bekanntere Protokolle dieser Schicht.

• IP, das Internet Protocol zur Übertragung der Datenpakete zwischen den Netzen.
• ICMP, das Internet Control Message Protocol als fester Teil im IP für Kontroll- und Fehlermeldungen.
• EIGRP, das Enhanced Interior Gateway Routing Protocol zum Informationsaustausch zwischen Routern soll das bisherige IGRP, Interior Gateway Routing Protocol nach dem Distanzvektorverfahren ablösen.
• RIP, das Routing Information Protocol für den Informationsaustausch zwischen Routern zur Wegfindung.
• OSPF, das Open Shortest Path First Protokoll zum Erkennen des Verbindungszustands zwischen Routern im Netz und zur optimalen Wegfindung.
• BGP, das Border Gateway Protocol für einen verbindungsorientierten Informationsaustausch zwischen selbstständigen Netzwerkknoten.

Netz-Zugangsschicht – Network Access oder Link-layer

Die unterste Ebene enthält keine Protokolle für den TCP/IP-Bereich. Sie regelt den Datenverkehr zwischen den Netztypen und kann als Übersetzungsinstrument zwischen den Übertragungstechniken gesehen werden. Die übergeordneten Protokolle unterstützen die Host-to-Host-Verbindung. Die unterste Schicht besorgt die Host-Netz-Verbindung. Hier wird der richtige Leitungscode festgelegt und der Datenstrom für das physikalische Übertragungsmedium aufbereitet. Die Zuordnung der Datenpakete an die einzelnen Netzknoten erfolgt über deren eindeutige MAC-Adressen. Die Datenheader werden zur Weiterleitung in den Netzen oftmals umgeschrieben.

• CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access mit Collision Detect, zur Datenvermittlung im Ethernet
• Token-Passing, eine kollisionsfreie Datenvermittlung im Token-Ring und Token-Bus-Netz
• FDDI, Fiber Distributed Data Interface für durch Glasfaser verbundene meist Weitverkehrsnetze.
• PPP, das Point-to-Point Protokoll wird mit dem 3-Wege-Handshake zur Netzanmeldung verwendet.
• ARP, das Address Resolution Protocol zur Umsetzung zwischen IP- MAC-Geräteadresse.
• RARP, das Reverse Address Resolution Protocol arbeitet umgekehrt zu RAP, wird aber ersetzt durch den Nachfolger BOOTP. Es überträgt IP-Adresse, Subnetzmaske und Gateway.

Vor- und Nachteile von TCP/IP

Jede beliebige Anwendung kann mit den zur Verfügung stehenden TCP/IP-Protokollen Daten über alle Netze austauschen. Die Protokolle sind an keinen Hersteller gebunden und arbeiten auf jeder Systemkonfiguration. Der Standort der Kommunikationspartner muss nicht bekannt sein, da durch das IP-Protokoll und der eindeutigen IP-Adresse das Ziel und der Weg gefunden werden. Die TCP-Protokolle sind in allen Netztypen und in jeder Netzinfrastruktur anwendbar und ermöglichen den kontrollierten Datentransport.

Das Versenden der Datenpakete mit mehr oder weniger großen Verwaltungszusätzen in den Headern verringert die Effizienz des Datenverkehrs. Je kleiner der Nutzdatenanteil im Datenpaket ist, desto mehr wirkt sich die Headergröße negativ aus. Der kleinstmögliche Header umfasst 40 Byte. Die Grafik zeigt den Vorgang der Kapselung, Encapsulation in der Zählweise des TCP/IP-Modells.

Die Anwenderdaten aus den höheren Schichten wie TCP/IP 4 werden fast immer segmentiert. Die Segmente erhalten einen Header mit den wichtigen Einträgen wie Sender-Port, Empfänger-Port, die Nummerierung der Paketreihenfolge, eine Prüfsumme und eine Quittierungsnummer.

Von der TCP/IP-Schicht 3 werden die Segmente zur nächsten tieferen Schicht weitergereicht und mit dem IP-Header versehen. Dieser enthält Informationen zur IP-Version, der Paketlänge, der Lebenszeit (TTL). Hinzu kommen eine Headerprüfsumme sowie die IP-Sender- und IP-Empfängeradresse. Die so verpackten Anwenderdaten mit TCP- und IP-Header werden als Datagram oder Paket bezeichnet. Sie gehören im TCP/IP-Modell zur Schicht 2, der Internetschicht.

Das Datagram wird zur nächsten tieferen Schicht geleitet und erhält dort den Ethernet Header. Er beginnt mit einer Präambel und einem Start Frame Delimiter (SFD). Die Netzwerkkarten synchronisieren sich mit dieser Bitfolge auf den Datentakt. Wichtige Headereinträge sind die MAC-Adressen von Quelle und Ziel. Es folgt ein Typenfeld mit Angaben für das Folgeprotokoll. Am Ende des Ethernetframes steht die CRC-Prüfsumme. Alle Daten zusammen werden als Frame bezeichnet. Im TCP/IP-Modell gehören sie zur Schicht 1.