Internetprotokollfamilie

Grundidee und Bedeutung

Die Internetprotokollfamilie ist eine Familie von rund 500 Netzwerkprotokollen. Sie bildet die Basis und die Standards für die Netzkommunikation im Internet. Häufig wird sie auch TCP/IP-Protokollfamilie genannt, weil TCP und IP zu den wichtigsten Protokollen gehören.

Ein Netzwerkprotokoll ist eine festgelegte Regel, nach der Geräte Daten austauschen. Die Internetprotokollfamilie sorgt dafür, dass Daten nicht nur innerhalb eines lokalen Netzes, sondern über viele miteinander verbundene Netze hinweg übertragen werden können. Dazu werden Daten in Pakete aufgeteilt und über mehrere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen weitergeleitet. Solche Zwischenschritte heißen Hops.

Für die Beschreibung dieser Aufgaben nutzt man das TCP/IP-Referenzmodell. Es teilt die Kommunikation in vier aufeinander aufbauende Schichten ein: Anwendung, Transport, Internet und Netzzugang. Jede Schicht übernimmt bestimmte Aufgaben und nutzt die darunterliegende Schicht.

Entstehung und Modell

Die Internetprotokollfamilie hat ihre Wurzeln in Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die Ende der 1960er Jahre von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) gefördert wurden. Das ursprüngliche Modell hieß DOD Internet Architecture Model. 1969 rief die DARPA das ARPANET ins Leben. Steve Crocker gründete eine „Networking Working Group“, die ein Host-zu-Host-Protokoll entwickelte: das Network Control Program (NCP).

Aus den Arbeiten zur Datenkommunikation entstand das DoD-Schichtenmodell mit vier Schichten. Es ist die Grundlage der Internetprotokollfamilie. Das Modell unterscheidet sich vom etwa gleichzeitig entwickelten ISO/OSI-Referenzmodell. Das OSI-Modell beschreibt sieben Schichten und wird verwendet, um Probleme der Netzkommunikation allgemein genauer zu betrachten. Die Zuordnung zwischen OSI-Schichten und TCP/IP-Schichten stimmt jedoch nicht immer vollständig überein.

Im TCP/IP-Referenzmodell entspricht die Anwendungsschicht ungefähr den OSI-Schichten 5 bis 7, die Transportschicht der OSI-Schicht 4, die Internetschicht der OSI-Schicht 3 und die Netzzugangsschicht den OSI-Schichten 1 bis 2.

Die vier Schichten

Die Anwendungsschicht umfasst alle Protokolle, die mit Anwendungsprogrammen zusammenarbeiten. Sie nutzt die Netzinfrastruktur, um anwendungsspezifische Daten auszutauschen. Beispiele sind HTTP für Webseiten, FTP für Dateitransfer, SMTP für E-Mail-Versand oder DNS zur Auflösung von Domainnamen zu IP-Adressen.

Die Transportschicht ermöglicht Ende-zu-Ende-Kommunikation. Das bedeutet, dass Daten zwischen zwei Netzteilnehmern übertragen werden. Das wichtigste Protokoll dieser Schicht ist TCP, das Verbindungen zwischen jeweils zwei Netzteilnehmern herstellt und Datenströme zuverlässig versendet. UDP gehört ebenfalls zu dieser Schicht, arbeitet aber verbindungslos und unzuverlässig, dafür mit geringerem Overhead.

Die Internetschicht ist für die Weitervermittlung von Paketen und die Wegwahl, also das Routing, zuständig. Sie ermittelt für ein empfangenes Paket das nächste Zwischenziel und leitet es dorthin weiter. Kern dieser Schicht ist das Internet Protocol (IP) in Version 4 oder 6. IP stellt einen Paketauslieferungsdienst bereit. Dual-Stacks können automatisch erkennen, ob ein Kommunikationspartner über IPv6 oder IPv4 erreichbar ist, und nutzen vorzugsweise IPv6.

Die Netzzugangsschicht ist im TCP/IP-Referenzmodell vorgesehen, enthält aber keine Protokolle der TCP/IP-Familie. Sie ist ein Platzhalter für Techniken zur Datenübertragung von Punkt zu Punkt. Dazu gehören zum Beispiel Ethernet, FDDI, PPP oder 802.11 (WLAN).

Protokollstapel und wichtige Beispiele

Ein Protokollstapel ordnet Protokolle nach Schichten. Auf der Anwendungsschicht liegen viele Protokolle, die direkt für Dienste verwendet werden. Dazu gehören DNS zur Auflösung von Domainnamen zu IP-Adressen, FTP für Dateitransfer, HTTP und HTTPS für Webkommunikation, IMAP und POP3 für E-Mail-Zugriff, SMTP für E-Mail-Versand, SSH für ein verschlüsseltes remote terminal, Telnet für unverschlüsseltes Login auf entfernten Rechnern, SNMP zur Verwaltung von Netzwerkgeräten, NTP zur Zeitsynchronisation und SIP für Aufbau, Steuerung und Abbau von Kommunikationssitzungen wie VoIP.

Auf der Transportschicht stehen TCP, UDP, SCTP, TLS und DTLS. TCP ist verbindungsorientiert und zuverlässig. UDP ist verbindungslos und unzuverlässig, verursacht aber wenig zusätzlichen Aufwand. TLS erweitert TCP um Verschlüsselung; DTLS basiert auf TLS und kann auch über zustandslose Protokolle wie UDP übertragen werden.

Auf der Internetschicht stehen IP, IPsec, ICMP und verschiedene Routing-Protokolle. ICMP liefert Kontrollnachrichten, zum Beispiel Fehlermeldungen, und ist Teil jeder IP-Implementierung. OSPF, BGP und RIP dienen dem Informationsaustausch zwischen Routern oder autonomen Systemen. IGRP ist veraltet und wird durch EIGRP ersetzt.

Auf der Netzzugangsschicht stehen Techniken und Standards wie Ethernet (IEEE 802.3), WLAN (IEEE 802.11), PPP, Token Bus, Token Ring, FDDI und L2TP. RARP ist veraltet und wird durch BOOTP ersetzt.

Datenkapselung im Beispiel

Das Beispiel zeigt den Aufbau eines Ethernet-Frames mit maximalen IPv4-/TCP-Daten. Es macht deutlich, dass Daten beim Durchlaufen der Schichten jeweils in eine neue Struktur eingebettet werden. Diese Einbettung nennt man Kapselung.

Auf der Transportschicht enthält ein TCP-Segment einen TCP-Header und eine Nutzlast von 1460 bytes. Auf der Internetschicht wird daraus ein IP-Paket mit IP-Header und einer Nutzlast von 1480 bytes. Auf der Netzzugangsschicht wird dieses Paket in einen Ethernet-Frame eingebettet. Der Frame enthält unter anderem MAC-Empfänger, MAC-Absender, optional ein 802.1Q-Tag, EtherType, eine Nutzlast von 1500 bytes und eine Frame Check Sequence.

Auf der Bitübertragungsebene kommen zusätzlich Präambel, Start of Frame und Interframe Gap hinzu. Im Beispiel werden dafür Oktettgrößen angegeben: Präambel 7, Start of Frame 1, MAC-Empfänger 6, MAC-Absender 6, optionales 802.1Q-Tag 4, EtherType 2, IP-Header 20, TCP-Header 20, Nutzlast höchstens 1460, Frame Check Sequence 4 und Interframe Gap 12.