Protokollstapel: Schichten und Kapselung verstehen

Ein Protokollstapel ordnet die Aufgaben beim Datenaustausch in Schichten. Wir verwenden ein Modell mit vier Schichten. Von oben nach unten heißen sie Anwendungsschicht, Transportschicht, Internetschicht und Netzzugangsschicht. Ein Modell stellt wichtige Zusammenhänge vereinfacht dar.

Die oberen Schichten nutzen jeweils die Dienste der direkt darunterliegenden Schicht. Ein Dienst ist eine angebotene Leistung, etwa das Übertragen von Daten. Die unterste Schicht bildet den Zugang zum Netz. Die Anwendung muss dadurch nicht selbst jede Einzelheit der Übertragung erledigen.

Eine Schnittstelle legt fest, wie eine Schicht einen Dienst aufruft und Daten übergibt oder zurückbekommt. Die Schnittstelle beschreibt also die Zusammenarbeit zwischen benachbarten Schichten. Das Protokoll legt die Regeln für den Austausch mit der entsprechenden Schicht auf einem anderen Gerät fest.

Ein Ersatzprotokoll passt ohne Änderungen an der darüberliegenden Schicht, wenn es die benötigten Schnittstellen und Leistungen bereitstellt. Braucht eine Anwendung vollständige Daten in ursprünglicher Reihenfolge, muss der Ersatz diese Leistung weiterhin ermöglichen. Die Zugehörigkeit zur gleichen Schicht reicht dafür nicht aus. Das Modell vereinfacht außerdem die Zusammenarbeit: In echten Systemen können Prüfverfahren auch Angaben aus anderen Schichten benötigen.

Bei der Kapselung fügt eine Schicht zusätzliche Angaben zu den übernommenen Daten hinzu. Ein vorangestellter Teil heißt Kopfteil, häufig auch Header. Er enthält Angaben für die jeweilige Schicht. Die ergänzten Angaben bilden bildlich eine Hülle um die Daten.

Wir betrachten einen Weg mit TCP, IP und Ethernet. TCP bedeutet Transmission Control Protocol und bietet eine geordnete Übertragung als Datenstrom. Ein Datenstrom ist eine Folge von Daten ohne erhaltene Nachrichtengrenzen: Eine Nachricht der Anwendung muss daher nicht genau einem TCP-Datenstück entsprechen. IP bedeutet Internet Protocol, also Internetprotokoll. Es übernimmt die Adressierung und Weiterleitung zwischen Netzen. Ethernet ist eine Technik für die Übertragung auf einem Netzabschnitt.

Beim Senden ergänzt TCP seine Angaben. IP behandelt das TCP-Datenstück samt TCP-Kopfteil als Inhalt und ergänzt ein IP-Kopfteil. Ethernet umschließt dieses IP-Paket mit einem Ethernet-Kopfteil und einem abschließenden Prüffeld. Ein Datenpaket ist ein abgegrenztes Stück Daten mit zugehörigen Angaben. Das Paket mit der Ethernet-Hülle heißt Ethernet-Rahmen. Das Prüffeld enthält eine Prüfsumme: einen aus Daten berechneten Wert zum Erkennen von Übertragungsfehlern.

Bei erfolgreicher Übertragung verarbeitet der Zielrechner die Hüllen in umgekehrter Reihenfolge. Ethernet gibt das enthaltene IP-Paket weiter. IP verarbeitet sein Kopfteil und gibt den Inhalt an TCP. TCP verarbeitet seine Angaben und stellt der Anwendung den Datenstrom bereit. Das heißt Entkapselung. Die Reihenfolge lautet hier Ethernet → IP → TCP → Anwendung. Der Pfeil bedeutet „weiter zu“.

Ein Router ist ein Gerät, das IP-Pakete zwischen Netzen weiterleitet. Betrachte einen Router zwischen zwei Ethernet-Netzabschnitten. Bei der normalen IP-Weiterleitung entfernt er die eingehende Ethernet-Hülle und erstellt für den nächsten Abschnitt eine neue. Das IP-Kopfteil bleibt dabei größtenteils erhalten, insbesondere die IP-Zieladresse. Der Router ist auf diesem Weg nicht der Empfänger der Anwendungsnachricht.

Die Netzzugangsschicht überträgt Daten auf dem jeweiligen Netzabschnitt. In unseren Beispielen übernimmt Ethernet diese Aufgabe. Die Internetschicht mit IP stellt die Adressierung und Weiterleitung über mehrere Netze bereit. IP versucht, Pakete zuzustellen, bietet aber selbst keine Empfangsbestätigungen und kein erneutes Senden verlorener Pakete.

Die Transportschicht stellt Dienste für Anwendungen bereit. TCP liefert bei erfolgreicher Verbindung einen geordneten Datenstrom und sendet verlorene Daten erneut. TCP erhält keine Nachrichtengrenzen. TCP und UDP verwenden Ports. Ein Port ist eine Nummer, mit der ankommende Daten einem zuständigen Programm auf dem Rechner zugeordnet werden können.

UDP bedeutet User Datagram Protocol. Es überträgt einzelne Datenpakete ohne vorherigen Verbindungsaufbau. UDP selbst erkennt keine fehlenden Pakete und sendet sie nicht automatisch erneut. Braucht eine Anwendung diese Leistungen bei UDP, muss sie eigene Regeln dafür bereitstellen. TCP und UDP gehören somit zur gleichen Schicht, bieten aber unterschiedliche Dienste.

UDP besitzt ein Feld für eine Prüfsumme. Eine Sonderregel aus der ursprünglichen UDP-Festlegung lautet: Ein mit lauter Nullen übertragenes Prüfsummenfeld steht für „keine Prüfsumme erzeugt“. Das ist keine allgemeine Erlaubnis für alle Fassungen von IP. Ein vorhandenes Prüfsummenfeld allein belegt deshalb noch nicht, dass eine Prüfsumme erzeugt wurde.

Anwendungsprotokolle regeln den Austausch für eine bestimmte Anwendung. HTTP bedeutet Hypertext Transfer Protocol und dient unter anderem dem Abrufen von Webseiten. Dabei stellt ein Client eine Anfrage und ein Server antwortet. Ein Client ist das anfragende Programm; ein Server bietet den angefragten Dienst an. Für unsere HTTP-Beispiele nehmen wir eine Übertragung über TCP an. Diese Annahme gilt nicht für jede HTTP-Übertragung. Die hier betrachtete Anordnung wird häufig TCP/IP-Protokollstapel genannt; UDP ist darin eine weitere Möglichkeit auf der Transportschicht.

Ethernet berechnet seine Prüfsumme mit einem Verfahren namens CRC. CRC steht für Cyclic Redundancy Check, auf Deutsch zyklische Redundanzprüfung. Gemeint ist ein bestimmtes Rechenverfahren für den Prüfwert. Der Sender trägt den Prüfwert in den Rahmen ein. Der Empfänger berechnet den Wert aus den empfangenen Daten erneut und prüft, ob er passt.

Erkennt diese Prüfung einen Fehler, verwirft der Empfänger den Ethernet-Rahmen. Die Prüfung repariert die beschädigten Daten nicht. Eine passende Prüfsumme bedeutet außerdem nur, dass das Verfahren keinen Fehler erkannt hat. Sie garantiert nicht, dass jeder denkbare Übertragungsfehler ausgeschlossen ist. Die Ethernet-Prüfsumme bestätigt auch keine Zustellung beim Programm auf einem entfernten Zielrechner.

TCP verwendet zusätzlich eigene Prüfsummen sowie Bestätigungen und Zeitüberwachung. Eine Bestätigung meldet dem Sender, welche Daten angekommen sind. Sie kann mehrere Datenstücke abdecken und verzögert gesendet werden. Es gibt deshalb nicht für jedes TCP-Datenstück eine sofortige einzelne Bestätigung.

TCP überwacht die Wartezeit auf die nötige Bestätigung. Läuft sie ab, sendet TCP noch unbestätigte Daten erneut. Eine fehlende Bestätigung beweist keinen Datenverlust: Auch die Bestätigung selbst kann verloren gegangen sein oder sich verzögern. Deshalb können erneut gesendete Daten bereits beim Empfänger angekommen sein.

Die Aufgaben ergänzen sich: Ethernet kann einen beschädigten Rahmen erkennen und verwerfen. TCP kann wegen der ausbleibenden Bestätigung später Daten erneut senden. Das ist keine unbedingte Erfolgsgarantie. Bleiben die Versuche erfolglos, kann TCP nach einiger Zeit einen Fehler melden.