Netzwerkprotokoll

Grundidee und Schichten

Ein Netzwerkprotokoll, auch Netzprotokoll, ist ein Kommunikationsprotokoll für den Austausch von Daten zwischen Computern oder Prozessen in einem Rechnernetz, also in einem verteilten System. Es ist eine Vereinbarung aus Regeln und Formaten: Die Syntax beschreibt den Aufbau der Kommunikation, die Semantik das Verhalten der kommunizierenden Instanzen.

Für einen Nachrichtenaustausch wirken meist mehrere Protokolle zusammen. Damit diese Komplexität beherrschbar bleibt, werden sie in Schichten organisiert. Jedes Protokoll übernimmt in seiner Schicht bestimmte Aufgaben; höhere Schichten nutzen dabei Dienste tieferer Schichten. Beispielsweise übermittelt Schicht 2 Daten an einen bestimmten Knoten, während Schicht 3 ein logisches Netzwerk bildet und dafür Schicht 2 zur physischen Zustellung verwendet. Die Gesamtheit der geschichteten Protokolle heißt Protokollstapel und orientiert sich am ISO-OSI-Referenzmodell beziehungsweise am DoD-Schichtenmodell. Nachrichten einer Schicht heißen Protokolldateneinheiten (protocol data units).

Für Betrieb und Nutzung des Internets sind etwa 500 Netzwerkprotokolle der Internetprotokollfamilie essentiell.

Datenpakete und Zuverlässigkeit

Ein Protokoll legt fest, welche Informationen ein Datenpaket für den Austausch enthalten muss. Dazu zählen Absender und Empfänger, damit andere Rechner das Paket ignorieren können, der Pakettyp wie Verbindungsaufbau, Verbindungsabbau oder Nutzdaten, die erwartete Paketgröße sowie bei mehrteiligen Übertragungen laufende Nummer und Gesamtzahl der Pakete. Eine Prüfsumme ermöglicht das Nachvollziehen einer fehlerfreien Übertragung.

Diese Steuerinformationen stehen vor den Nutzdaten im Header oder hinter ihnen im Trailer. Manche Protokolle schreiben außerdem feste Paketfolgen für Aufbau und Abbau einer Verbindung vor. Der dadurch zusätzlich entstehende Datenverkehr heißt Overhead. Er belastet zwar die Leitungskapazität, wird aber wegen der Aufgaben der Protokolle gewöhnlich akzeptiert.

UDP (User Datagram Protocol) in der Transportschicht hat nur geringen Overhead, gewährleistet aber keine Ende-zu-Ende-Kontrolle. Datagramme können daher verloren gehen oder in anderer Reihenfolge eintreffen als sie versendet wurden. TCP (Transmission Control Protocol) überwacht dagegen die vollständige Zustellung, ordnet die Pakete richtig und übergibt der Anwendung einen zusammenhängenden Datenstrom.

Merkmale und Aufgaben

Netzprotokolle lassen sich nach mehreren Merkmalen unterscheiden:

• Bei Simplex fließen Daten nur in eine Richtung, bei Halbduplex abwechselnd in beide Richtungen und bei Vollduplex gleichzeitig in beide Richtungen.
• Synchrone Datenübertragung wird durch ein Taktsignal koordiniert; ohne Taktsignal ist sie asynchron. Auch Kommunikation kann synchron sein, wenn nach einer Anfrage auf die Antwort gewartet wird, oder asynchron, wenn dies nicht geschieht.
• Unicast hat einen Empfänger, Multicast mehrere und Broadcast alle Teilnehmer als Empfänger.
• Bei Peer-to-Peer oder symmetrischer Kommunikation sind die Beteiligten gleichberechtigt. Asymmetrische Kommunikation weist unterschiedliche Rollen zu. Das verbreitete Client-Server-System besteht aus einem Server, der Anfragen verschiedener Clients bearbeitet; stets die Clients initiieren die Kommunikation und öffnen einen Kanal.
• Paketorientierte Kommunikation überträgt Nachrichten oder Datenpakete; Streaming arbeitet mit einem kontinuierlichen Datenstrom einzelner Zeichen.
• Verbindungsorientierte Protokolle definieren Anfang und Ende einer Verbindung durch besondere Paketfolgen und sorgen meist für Reihenfolge und erneutes Senden fehlender Pakete, etwa TCP. Verbindungslos arbeitende Protokolle bieten dies nicht, haben aber geringeren Overhead, etwa UDP und RTP.

Je nach Zweck kann ein Protokoll einen sicheren Verbindungsaufbau (Handshake), zuverlässige Zustellung, Wiederholung nicht angekommener Pakete, Zustellung an gewünschte Empfänger, Fehlererkennung durch Prüfsummen und das richtige Zusammensetzen von Paketen übernehmen. Weitere mögliche Aufgaben sind Vertraulichkeit durch Verschlüsselung sowie Schutz vor Manipulation durch MACs oder elektronische Signaturen.

TCP-Handschlag und Dateiübertragung

Der TCP-Verbindungsaufbau ist ein Handshake-Verfahren: Computer 1 sendet zunächst ein Paket mit dem Wunsch, eine Verbindung zu Computer 2 aufzubauen. Computer 2 antwortet, dass er bereit ist. Computer 1 bestätigt daraufhin, dass er diese Bereitschaft verstanden hat. Danach ist die Verbindung hergestellt.

Anschließend kann auf Anwendungsebene beispielsweise eine Datei übertragen werden. Computer 1 fragt zunächst an, welche Dateien verfügbar sind. Computer 2 schickt eine Liste der verfügbaren Dateien. Danach fordert Computer 1 eine bestimmte Datei an. Computer 2 bestätigt deren Existenz, beschreibt die Datei und beginnt mit der Übertragung.

Übertragungs- und Anwendungsprotokolle

Grundlegende Protokolle regeln den Datenverkehr eines Netzwerks. Ein Netzwerkstack, ein spezielles Systemprogramm, stellt sie anderen Programmen des Rechners bereit. Sie standardisieren die Datenübermittlung zwischen unterschiedlichen Systemen, sind jedoch nicht selbst für eine Anwendung durch Benutzende bestimmt. Meist wird für ein Netzwerk eines dieser Protokolle gewählt. Im Internet wird die Internetprotokollfamilie eingesetzt, vor allem TCP/IP und UDP.

TCP/IP und UDP sind Schicht-3- und Schicht-4-Protokolle. Sie sind routingfähig, nicht an einen Hersteller gebunden, in LANs und WANs nutzbar und für komplizierte TCP- sowie einfache UDP-Übertragungen geeignet. IP sorgt dafür, dass ein Datenpaket sein Ziel erreicht; TCP oder UDP kontrollieren die Datenübertragung. Nachteile sind der verhältnismäßig große Stack für sehr einfache oder kleine eingebettete Systeme; UDP eignet sich eher für kleine, nicht kritische Pakete, TCP eher für große Übertragungen oder Datenströme mit garantierter Fehlerfreiheit.

Weitere genannte Übertragungsprotokolle sind IPX/SPX, NetBEUI, AppleTalk und BACnet. IPX/SPX ist routingfähig, aber für große Netzwerke ungeeignet; die Unterstützung wurde nach Microsoft Windows XP beziehungsweise Microsoft Windows Server 2003 eingestellt. NetBEUI hat wenig Overhead, ist einfach einzurichten, aber nicht routingfähig und nur für sehr kleine Netzwerke geeignet; seine Unterstützung endete nach Microsoft Windows 2000. AppleTalk wurde inzwischen durch TCP/IP ersetzt. BACnet ist für Gebäudeleittechnik und schnelle Kommunikation mit elementaren Daten bestimmt.

Transportprotokolle bereiten den Übertragungsweg für unabhängige Anwendungsprotokolle vor. So können gleichartige Anwendungen auf unterschiedlichen Systemen kommunizieren, sobald die Systeme eine Verbindung herstellen können. Das Internet Protocol regelt die weltweit eindeutige Adressierung von Rechnern; diese nutzen unter anderem TCP (1981 ff.) zur Datenübertragung und SMTP (1982 ff.) für E-Mails. Das OSI-Modell stellt dieses schichtweise Aufeinanderaufbauen dar. Beispiele für Anwendungsprotokolle sind HTTP (1991) und HTTPS (1995) für Webseiten, POP (1984) und IMAP (1994) zum Abholen von E-Mails sowie FTP (1985), TFTP (1981), EFTP (vor 1980) und BitTorrent (2001) für Dateiübertragungen.

Anfangs waren Regeln direkt in Anwendungsprogramme eingebaut, wodurch Programme an Netztechnik und Gegenstellen angepasst werden mussten und oft nur gleiche Systeme kompatibel waren. In den späten 1970er und 1980er Jahren entwickelten Hersteller modularisierte Protokolle als Standards für abgeschlossene Rechnernetze. 1968 veranlasste das amerikanische Verteidigungsministerium (DoD) durch ARPA Versuche zu Rechnernetzen; 1969 entstand daraus das ARPANET-Projekt. Ab 1983 setzte sich dort die Internetprotokollfamilie durch. Sie blieb nach der Öffnung des ARPANET als Internet erhalten und gilt, da viele Computer spätestens seit den 2000er Jahren mit dem Internet verbunden sind, als Quasistandard für viele Netzwerkanwendungen.