Netzwerkprotokoll - Beschreibung, wie Informationen in Computernetzwerken ausgetauscht werden

Beschreibung

Netzwerkprotokoll

Festlegungen für den Austausch von Daten

Zwischen verbundenen Instanzen in einem Rechnernetz

Vereinbarung

Syntax	Regeln und Formate
Semantik	Verhalten der kommunizierenden Instanzen

Schichtenmodelle

Der Austausch von Nachrichten erfordert häufig ein Zusammenspiel verschiedener Protokolle, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen

Um die damit verbundene Komplexität beherrschen zu können, werden die einzelnen Protokolle in Schichten organisiert

Im Rahmen einer solchen Architektur gehört jedes Protokoll einer bestimmten Schicht an und ist für die Erledigung der speziellen Aufgaben zuständig (etwa Übermitteln an einen bestimmten Knoten – Schicht 2)
Protokolle höherer Schichten verwenden Dienste von Protokollen tieferer Schichten (Schicht 3 bildet ein logisches Netzwerk und verwendet Schicht 2 für die physische Zustellung)

Zusammen bilden die so strukturierten Protokolle einen Protokollstapel – in Anlehnung an das ISO-OSI-Referenzmodell (siehe auch DoD-Schichtenmodell)

Protocol Data Unit (PDU)

Nachrichten einer bestimmten Schicht werden auch als Protokolldateneinheiten (protocol data units) bezeichnet

Aufbau eines Datenpaketes

Der in einem Protokoll beschriebene Aufbau eines Datenpaketes

enthält für den Datenaustausch wichtige Informationen über das Paket wie beispielsweise:
dessen Absender und Empfänger, damit Nicht-Empfänger das Paket ignorieren
den Typ des Pakets (beispielsweise Verbindungsaufbau, Verbindungsabbau oder reine Nutzdaten)
die Paketgröße, die der Empfänger zu erwarten hat
bei mehrteiligen Übertragungen die laufende Nummer und Gesamtzahl der Pakete
eine Prüfsumme zum Nachvollziehen einer fehlerfreien Übertragung

Diese Informationen werden den Nutzdaten als Header vorangestellt oder als Trailer angehängt

Außerdem werden in manchen Protokollen feste Paketsequenzen für den Verbindungsaufbau und -abbau beschrieben

Diese Maßnahmen verursachen weiteren Datenverkehr (Traffic) auf den Datenleitungen – den sogenannten Overhead
Dieser Overhead ist unerwünscht, weil er die Kapazität belastet, wird aber aufgrund der wichtigen Aufgaben, die Protokolle leisten, in der Regel in Kauf genommen

In der Internetprotokolle steht mit dem User Datagram Protocol (UDP) in der Transportschicht auch ein Protokoll mit nur geringem Overhead zur Verfügung

Das keine Ende-zu-Ende-Kontrolle der Übertragung gewährleistet, sodass Datagramme eventuell verloren gehen können oder die Reihenfolge beim Empfang nicht der beim Versand entspricht

Im Gegensatz dazu wird beim Transmission Control Protocol (TCP) die vollständige Zustellung der Datenpakete überwacht und diese außerdem in die richtige Reihenfolge gebracht, so dass der Anwendung ein zusammenhängender Datenstrom übergeben wird

Unterscheidungsmerkmale

Option	Beschreibung
Richtung	Findet die Kommunikation nur in eine Richtung statt, spricht man von Simplex, fließen die Daten wechselweise in beide Richtungen, von Halbduplex oder gleichzeitig in beide Richtungen, von Vollduplex
Taktsignal	Wird die Kommunikation über ein Taktsignal synchronisiert, spricht man von synchroner Datenübertragung, ansonsten von asynchroner Datenübertragung
Anzahl von Parteien	Die Anzahl von Parteien, die an der Kommunikation teilnehmen: Gibt es für eine Übermittlung immer nur einen Empfänger, spricht man von Unicast, bei Übertragungen an mehrere Teilnehmer von Multicast Wird das Paket an alle gesandt, so ist es ein Broadcast
Stellung	Stellung der Kommunikationsteilnehmer: Sind diese untereinander gleichberechtigt, spricht man von Peer-to-Peer oder symmetrischer, anderenfalls von asymmetrischer Kommunikation Das am weitesten verbreitete asymmetrische Modell ist das Client-Server-System, bei dem ein Dienstanbieter (der Server) Anfragen von verschiedenen Clients bearbeitet (wobei es immer die Clients sind, die die Kommunikation initiieren, d. h. einen Kanal öffnen)
Synchrone Kommunikation	Wird nach einer Anfrage auf Antwort gewartet, spricht man von synchroner Kommunikation, andernfalls von asynchroner Kommunikation
Paketorientierte Kommunikation	Während einer paketorientierten Kommunikation werden Nachrichten bzw. Datenpakete übertragen, beim Streaming wird mit einem kontinuierlichen Datenstrom einzelner Zeichen gearbeitet
Verbindungsoriente Kommunikation	Bei verbindungsorientierten (connection oriented) Protokollen wird durch spezielle Paketsequenzen der Anfang und das Ende einer Verbindung definiert

Innerhalb einer solchen Verbindung wird durch das Protokoll meistens gewährleistet, dass Pakete in einer bestimmten Reihenfolge ankommen und/oder sichergestellt, dass die Pakete nochmals gesendet werden, falls sie nicht angekommen sind (zum Beispiel TCP). Verbindungslose (connectionless) Protokolle bieten diesen Komfort nicht, haben aber einen geringeren Overhead (zum Beispiel UDP, RTP)

Aufgaben

Aufgaben eines Netzwerkprotokolls

Ob sie in einem bestimmten Protokoll abgebildet sind, wird durch dessen Einsatzzweck bestimmt
Ein sicherer und zuverlässiger Verbindungsaufbau zwischen den an der Kommunikation beteiligten Computern (Handshake)
Das verlässliche Zustellen von Paketen
Wiederholtes Senden nicht angekommener Pakete
Zustellen der Datenpakete an den/die gewünschten Empfänger
Das Sicherstellen einer fehlerfreien Übertragung (Prüfsumme)
Das Zusammenfügen ankommender Datenpakete in der richtigen Reihenfolge
Das Verhindern des Auslesens durch unbefugte Dritte (durch Kryptografie)
Das Verhindern der Manipulation durch unbefugte Dritte (durch MACs oder elektronische Signaturen)

Beispiel

Anhand des Verbindungsaufbau-Prozederes des TCP-Protokolls soll ein einfaches praktisches Beispiel gezeigt werden (Handshake-Verfahren)

Zunächst schickt Computer 1 ein Datenpaket, in dem steht, dass er eine Verbindung zu Computer 2 aufbauen möchte
Darauf antwortet Computer 2, dass er dazu bereit ist
Computer 1 bestätigt anschließend Computer 2, dass er verstanden hat, dass Computer 2 bereit ist

Die Verbindung ist damit hergestellt, und der eigentliche Datenaustausch kann beginnen, im Beispiel eine Dateiübertragung auf Anwendungsebene

Computer 1 schickt ein Datenpaket, in dem angefragt wird, welche Dateien verfügbar sind
Darauf antwortet Computer 2 mit einer Liste der verfügbaren Dateien
Computer 1 schickt ein Datenpaket, in dem eine bestimmte Datei angefordert wird
Darauf antwortet Computer 2, dass die Datei existiert, beschreibt die Datei und beginnt mit der Übertragung

Protokolle zur Datenübermittlung

Es gibt eine Reihe von grundsätzlichen Protokollen, die den Datenverkehr in einem Netzwerk regeln

Sie werden vom Netzwerkstack – einem speziellen Systemprogramm – allen weiteren Programmen auf diesem Rechner zur Verfügung gestellt
Diese Protokolle dienen als Standard für die Datenübermittlung zwischen unterschiedlichen Systemen, dienen aber keiner Anwendung durch den Benutzer
Dabei legt man sich in der Regel auf eines dieser Protokolle für ein Netzwerk fest
Für das Internet wird die Internetprotokolle verwendet, vor allem TCP/IP und UDP

Netzwerkprotokoll	Vorteile	Nachteile
Schicht-3&4-Protokolle
TCP/IP und UDP	routingfähig IP sorgt dafür, dass das Datenpaket sein Ziel erreicht; TCP oder UDP kontrollieren die Datenübertragung an keinen Hersteller gebunden, aber von allen akzeptiert ist sowohl in LANs als auch in WANs nutzbar für komplizierte (TCP) und einfache (UDP) Übertragungen geeignet	verhältnismäßig großer Stack, ungünstig für sehr einfache oder kleine (eingebettete) Systeme UDP eher für kleine Datenpakete, deren Zustellung nicht kritisch ist TCP eher für große Übertragungen oder Datenströme mit garantierter Fehlerfreiheit
IPX/SPX	routingfähig wird von vielen Betriebssystemen unterstützt	nicht für große Netzwerke geeignet, da Routen nicht zusammengefasst werden können SPX: schlechte WAN-Leistung, da nur jeweils ein Paket angefordert wird (vgl. TCP Receive Window) bei Nicht-Novellnetzwerken nicht zu empfehlen Unterstützung nach Microsoft Windows XP/Microsoft Windows Server 2003 eingestellt
NetBEUI	wenig Overhead entsprechend einfach zu konfigurieren und einzurichten	nur für sehr kleine Netzwerke geeignet nicht routingfähig nicht im Internet einsetzbar Unterstützung nach Microsoft Windows 2000 eingestellt
AppleTalk	komfortabel große Bedienerfreundlichkeit einfache Fehleranalyse leichte Erweiterbarkeit leicht einzurichten	nur für kleine Netzwerke geeignet geringer Datendurchsatz bei schnelleren Verbindungen (>10 Mbit/s) nur von Apple-Betriebssystemen genutzt, inzwischen durch TCP/IP ersetzt
BACnet	speziell für Gebäudeleittechnik schnelle Kommunikation	nur für elementare Daten fast keine Verwendung in anderen Bereichen

Protokolle für bestimmte Anwendungen

Funktionen bauen aufeinander auf

Transportprotokolle bereiten den Übertragungsweg für von ihnen prinzipiell unabhängige Anwendungsprotokolle
Das stellt sicher, dass Anwendungsprogramme auf unterschiedlichen Systemen untereinander kommunizieren können, sobald diese Systeme in der Lage sind, auf irgendeine Art eine Verbindung herzustellen
So regelt etwa das Internet Protocol die weltweit eindeutige Adressierung von Rechnern
Diese Adressierung nutzen dann beispielsweise das Transmission Control Protocol zur Datenübertragung und das Simple Mail Transfer Protocol zum Übermitteln von E-Mails

Dieser schichtweise Aufbau der Protokolle wird mithilfe des OSI-Modells dargestellt

Auch dienen Anwendungsprotokolle als Standard für die Übertragung zwischen unterschiedlichen Programmen gleichen Typs

Bekannte Beispiele

Laden von Webseiten – HTTP
Abholen von E-Mails – POP oder IMAP
Übertragung von Dateien – FTP, BitTorrent oder viele andere

Dokumentation

Anhang

Siehe auch

Links

Projekt

Weblinks

https://de.wikipedia.org/wiki/Netzwerkprotokoll

TMP

Protokolle

Die Kommunikation erfolgt über verschiedene Protokolle, die mit dem ISO/OSI-Modell strukturiert werden können

Obwohl in der Praxis kein Rechnernetz das ISO/OSI-Modell vollständig abbildet, ist es von entscheidender Bedeutung für das Verständnis von Rechnernetzen, da hierbei aus kleinen grundlegenden Strukturen durch Verknüpfung größere und komplexere Strukturen gebildet werden
Dabei greifen höhere (komplexere) Protokollschichten auf die Funktionalitäten einfacherer darunter liegender Protokollschichten zu

Protokollschichten

Ein wichtiges Prinzip dabei ist, dass den meisten Protokollschichten jeweils sogenannte Nutzdaten zum Transport übergeben werden können

Die Protokollschicht fügt zu diesen Nutzdaten (deren Inhalt sie weitgehend ignoriert) vorn und teilweise hinten weitere Daten an, die für die Abwicklung des Transportes durch die Protokollschicht wichtig sind
Jedoch gibt es auch hiervon Ausnahmen, da einige Protokolle nicht dazu gedacht sind, fremde Nutzdaten zu transportieren, sondern ausschließlich als eigenständige Informationssysteme für bestimmte Aufgaben fungieren

Internet

Die allgemein bekannteste Netzstruktur ist das Internet, und die bekanntesten Protokolle sind das TCP (Transmission Control Protocol) und das IP (Internet Protocol), jedoch spielt auch im Internet eine Reihe weiterer Protokolle wichtige Rollen

Das Internet selbst ist kein homogenes Netz, sondern besteht aus einer Vielzahl teils recht unterschiedlich konzipierter Teilnetze (Subnetze), die nur die oberen Protokollschichten gemeinsam haben und die Nutzdatenübertragung auf den unteren Protokollschichten teilweise sehr unterschiedlich handhaben

Zentralrechner

Als Zentralrechner oder Hauptrechner wird innerhalb eines Rechnernetzes derjenige Computer – meist ein Großrechner – bezeichnet, der den übrigen angeschlossenen Rechnern (etwa Arbeitsplatzrechnern oder Terminals) bzw. den darauf betriebenen Programmen Daten, Dienste, Systemprogramme, Anwendungsprogramme u. Ä. zur Verfügung stellt