Die Post transportiert Sendungen von Absendern zu Empfängern. Dabei gibt es festgelegte Formate für Briefe, Päckchen und Pakete. Auch ist festgelegt, wie und wo Absender und Empfängeradressen zu notieren sind. Der Standardversand garantiert nicht, bis wann oder dass Sendungen überhaupt ankommen. Per Expressversand und Einschreiben kann die Zustellung beschleunigt und garantiert werden.
In Computernetzen verhält es sich ganz ähnlich. Auch hier werden Formate für den Austausch von Daten definiert, die Adressierung folgt festgelegten Regeln und unterschiedliche Netzwerdienste unterscheiden sich bezüglich der zugesicherten Dienstgüte. Ein interessanter Aspekt ist dabei die automatische Fehlererkennung und -Korrektur zur Bereitstellung verlässlicher Dienste.
In Computernetzen wird zwischen verbindungslosen und verbindungs-orientierten Diensten unterschieden. Verbindungslose Dienste funktionieren ähnlich wie die Post. Sie unterscheiden sich bezüglich ihrer Verlässlichkeit, also danach, ob Nachrichten
verloren gehen (oder dupliziert),
während des Transprts verfälscht,
oder in ihrer Reihenfolge vertauscht
werden können.
Verbindungs-orientierte Dienste funktionieren ähnlich wie das Telefon. Dem sogenannten Verbindungsaufbau folgt der Datenaustausch vor dem Verbindungsabbruch. Die Kommunikation während des Datenaustauschs erfolgt entweder nur ein eine Richtung (simplex) oder in beide Richtungen (duplex).
Das Internet stellt einen verbindungslosen Kommunikationsdienst bereit. Es gibt jedoch Anwendungen, die auf Basis des Internets verbindungs-orientierte Dienste bereitstellen (z.B. Internettelefonie).
Die Regeln, nach denen die Kommunikation in Netzwerken abläuft, werden in Protokollen definiert. Protokolle spezifizieren zum Beispiel Datenformate und Adressierungsschemata sowie Mechanismen zur Weiterleitung von Nachrichten oder zur Fehlerkorrektur. Auch Mechanismen zum Aushandeln von Übertragungsparametern oder zum Verbindungsauf- und Abbau sind Teil von Protokollen.
Um verschiedene Aspekte der Kommunikation zu entkoppeln sind Netzwerkprotokolle hierarchisch in sogenannten Schichten strukturiert, die aufeinander aufbauen. Dieses Vorgehen ähnelt der Ausführung von Programmen auf einem Rechner, wo Programme zunächst in Assemblersprache übersetzt werden, und die Assemblerprogramme schließlich in Maschinensprache. Auch die Abstraktion von Algorithmen durch Funktionen und Prozeduren folgt insofern einem ähnlichen Muster, als zur Verwendung einer Funktion oder Prozedur ihre Implementierung nicht bekannt zu sein braucht.
Unterschiedliche Netzwerkprotokolle ordnen sich in der Regel in eine der folgenden Schichten ein, je nachdem welche Funktionalität der Kommunikation sie implementieren.
Die Verbindungsschicht umfasst Protokolle zur Übertragung von Bitfolgen über ein physikalisches Transportmedium. Die übertragenen Daten als Bitfolgen zu interpretieren ist bereits eine Abstraktion des eigentlichen über das Transportmedium verschickten Signals.1 Ein wichtiger Aspekt von Protokollen dieser Schicht ist die Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern. Häufig eingesetzte Protokolle in dieser Schicht sind Ethernet oder WLAN.
Die Vernetzungsschicht umfasst Protokolle zur Weiterleitung von Nachrichten durch räumlich getrennte Netzwerke. Alle beteiligten Netze müssen dazu natürlich physikalisch verbunden sein. Es ist jedoch möglich, eine Nachricht über unterschiedliche Transportmedien weiter zu leiten. Ein wichiger Aspekt von Protokollen dieser Schicht sind Mechanismen zur Etablierung eines Weges vom Sender zum Empfänger über verschiedene physikalische Netzwerke hinweg. Im Internet wird diese Schicht von dem Internetprotokoll (IP) implementiert.
Die Transportschicht umfasst Protokolle zur Etablierung gewisser Gütekriterien für die Übertragung von Nachrichten. Insbesondere werden Übertragungsfehler der Vernetzungsschicht durch Mechanismen kompensiert, die die verlässliche Übertragung von Nachrichten gewährleisten. Im Internet wird diese Schicht in der Regel vom Transmission Control Protocol (TCP) implementiert.
Die Anwendungsschicht umfasst Protokolle zum anwendungsspezifischen Nachrichtenaustausch. Ein im Internet häufig eingesetztes Protokoll dieser Schicht ist das HyperText Transfer Protocol (HTTP) zur Übertragung von Webseiten über das Internet. Auch Protokolle wie SMTP, POP oder IMAP zur Übertragung von Emails, FTP zum Dateitransfer oder Protokolle zur Internettelefonie gehören in diese Schicht.
Die Unterteilung der Protokolle in die vier genannten Schichten ist ein wichtiger Mechanismus zur Abstraktion der bereitgestellten Dienste. So brauchen sich Protokolle der Anwendungsschicht nicht darum zu kümmern, über welches Medium Daten transportiert werden oder wie sie vom Sender zum Empfänger gelangen. Umgekehrt ist es den Protokollen der Verbindungsschicht egal, welche Art von Daten sie über ein Transportmedium transportieren, ob es sich also zum Beispiel um Webseiten oder Videodaten handelt.
Das Internet umfasst Protokolle von der Vernetzungs- bis zur Anwendungsschicht, die wir exemplarisch in folgenden Abschnitten behandeln werden. Zunächst schauen wir uns jedoch noch wichtige Aspekte der Verbindungsschicht an.
Lokale Netzwerke sind in der Regel Bus-Netze, in denen also alle Rechner mit einem gemeinsamen Transportmedium verbunden sind. Im Ethernet sind Computer mit zusammengeschalteten Kabeln verbunden, im WLAN teilen sie sich einen gemeinsamen Funkkanal.
Bei gemeinsamer Nutzung eines Transportmediums können sogenannte Kollisionen auftreten, wenn mehrere Parteien gleichzeitig versuchen, Daten zu senden. Mechanismen zur Media Access Control (MAC) dienen dazu, Kollisionen zu behandeln. Sogenannte pessimistische Verfahren versuchen dabei Kollisionen von vornherein zu vermeiden, während optimistische Verfahren versuchen, geeignet auf entstandene Kollisionen zu reagieren.
Im Ethernet oder WLAN werden Computer über eine sogenannte MAC-Adresse eindeutig identifiziert. Das Format zum Austausch von Daten im Ethernet besteht im Wesentlichen aus einem Header, der die Absender- und Empfängeradresse enthält, gefolgt den eigentlichen Nutzdaten und einer Prüfsumme zur Fehlerbehandlung.
Eine Prüfsumme ist eine Methode, um Übertragungsfehler durch Redundanz zu erkennen. Als vereinfachtes Beispiel dieses Prinzips könnten wir jeder Nachricht ein Bit anhängen, dass angibt, ob die Nutzdaten eine gerade oder eine ungerade Anzahl von Einsen enthalten. Beim Dekodieren der Nachricht können (manche) Übertragungsfehler dann daran erkannt werden, dass das angehängte Bit nicht zu der empfangenen Anzahl von Einsen passt.
Zum Beispiel könnten wir die Nachricht
011011
durch eine angehängte 0 ergänzen, die anzeigt, dass sie eine gerade
Anzahl von Einsen enthält:
0110110
Dadurch ist sicher gestellt, das gesendete Nachrichten immer eine gerade Anzahl von Einsen enthalten. Denn wenn die Anzahl ursprünglich ungerade ist, wird ja eine zusätzliche Eins angehängt. Angenommen, die obige Nachricht würde bei der Übertragung wie folgt verfälscht:
0100110
Der Empfänger würde dann einen Übertragungsfehler daran erkennen, dass die Anzahl der Einsen in der empfangenen Nachricht ungerade ist. Anhand dieser Information kann der Empfänger den Fehler zwar erkennen aber nicht korrigieren, da nicht klar ist, an welcher Stelle der Fehler auftrat.
Auch werden nicht alle Übertragungsfehler auf diese Weise erkannt. Wenn zum Beispiel mehr als ein Bit verfälscht wird, kann es passieren, dass der Fehler nicht erkannt wird (zum Beispiel, wenn genau zwei Einsen jeweils durch Nullen ersetzt werden oder umgekehrt). Um mehr Fehler zu erkennen, kann die Prüfsumme verlängert werden. Zum Beispiel könnten wir zwei Bits anhängen, die dem Rest bei der Division durch vier entsprechen. Die Nachricht
010100
würde also wie folgt verlängert, da “10” die Binärdarstellung des Restes der Division von zwei durch vier ist.
01010010
Diese Methode erlaubt es mehr, wenn auch noch immer nicht alle, Übertragungsfehler zu erkennen. Zum Beispiel würden wir erkennen, wenn zwei Nullen in der ursprünglichen Nachricht durch Einsen ersetzt würden, da dann die Anzahl zwar noch immer durch zwei aber nun auch durch vier teilbar wäre.
Bits (also Nullen und Einsen) als elektrisches Signal in Kupferkabeln, optisches Signal in Glasfaserkabeln oder Funk-Signal zur Drahtlosübertragung zu konvertieren, ist nicht Teil der Informatik sondern (ähnlich wie die physikalische Realisierung von Schaltwerken) Teil der Elektro- bzw. Nachrichtentechnik. ↩︎