TCP/IP - Grundlagen und Praxis

1Netzwerke

Wie wir heute wissen, entwickelte sich die zunächst durch Teilung von Ressourcen begründete Netzwerk-Implementierung in Unternehmen (z.B. durch die Einführung von Abteilungsdruckern oder gemeinsam genutzte Speichermedien) in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend zu einem Umfeld komplexer weltweiter Kommunikation. Dabei wurde bereits recht früh der Grundstein für eine Standardisierung der »Sprache der Kommunikation« gelegt. Mit Gründung des Internets in den frühen 80er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Netzwerkprotokollfamilie »TCP/IP« ins Leben gerufen. Sie sorgte dafür, dass Daten zwischen Kontinenten, Ländern und einzelnen Standorten nach festgelegten Kriterien übertragen werden konnten. Das Regelwerk besitzt bis heute seine Gültigkeit und basiert im Wesentlichen auf die in diesem Kapitel dargestellten Standards.

Schnell entstanden die ersten lokalen Netzwerke (LAN = Local Area Network), die dann nach und nach über entsprechende Anbindungen mehr und mehr zu standortübergreifenden WAN-Netzwerken (WAN = Wide Area Network) ausgebaut wurden.

1.1Netzwerkstandards

Wie bei jeder Technologie, so werden auch im Netzwerkbereich bestimmte Vorgaben, Normen oder Standards benötigt, an denen sich die verschiedenen Entwicklungen orientieren. Bei der Behandlung von Netzwerkstandards sind dies insbesondere das ISO/OSI-Referenzmodell sowie die Normierungen und Vorgaben des IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers (Institut der elektrischen und elektronischen Ingenieure), aber ebenso auch bestimmte Kommentierungen von Entwicklungen, die unter der Bezeichnung RFC (Request For Comment) allgemein üblich sind und vom IETF (International Engineering Task Force) verwaltet werden.

1.1.1OSI als Grundlage

Zur Vereinheitlichung der Datenübertragung wurde das OSI-Referenzmodell geschaffen, das bestimmte Vorgaben für die Kommunikation offener Systeme darlegt. Das OSI-Modell ermöglicht den Herstellern, ihre Produkte für den Netzwerkeinsatz aufeinander abzustimmen und Schnittstellen offenzulegen.

Dies ist somit die Basis für sämtliche Festlegungen im sogenannten ISO- bzw. OSI-Schichtenmodell, wobei die einzelnen Schnittstellen dieser Norm auf insgesamt sieben Schichten, sogenannte Layer, verteilt werden. Jede Schicht wiederum erfüllt bei der Kommunikation eine bestimmte Funktion. Das OSI-Schichtenmodell diente in der Vergangenheit, aber auch heutzutage noch generell als Grundlage für die Kommunikationstechnologie. Dabei liegt der Sinn und Zweck darin, dass die Teilnehmer der Kommunikation (z.B. Rechner) über genormte Schnittstellen miteinander kommunizieren. Im Einzelnen setzt sich das OSI-Referenzmodell aus den folgenden Schichten zusammen:

Schicht 1 - Physical Layer

Auf dem Physical Layer (physikalische Schicht) wird die physikalische Einheit der Kommunikationsschnittstelle dargestellt. Diese Schicht (Bit-Übertragungsschicht) definiert somit sämtliche Definitionen und Spezifikationen für das Übertragungsmedium (Strom-, Spannungswerte), das Übertragungsverfahren oder auch Vorgaben für die Pinbelegung, Anschlusswiderstände usw.

Schicht 2 - Data Link Layer

Der sogenannte Data Link Layer (Verbindungsschicht) ermöglicht eine erste Bewertung der eingehenden Daten. Durch Überprüfung auf die korrekte Reihenfolge und die Vollständigkeit der Datenpakete werden beispielsweise Übertragungsfehler direkt erkannt. Dazu werden die zu sendenden Daten in kleinere Einheiten zerlegt und als Blöcke übertragen. Ist ein Fehler aufgetreten, werden einfach die als fehlerhaft erkannten Blöcke erneut übertragen.

Schicht 3 - Network Layer

Der Network Layer (Netzwerkschicht) übernimmt bei einer Übertragung die eigentliche Verwaltung der beteiligten Kommunikationspartner, wobei insbesondere die ankommenden bzw. abgehenden Datenpakete verwaltet werden. In dieser Vermittlungsschicht erfolgt unter anderem eine eindeutige Zuordnung über die Vergabe der Netzwerkadressen, indem der Verbindung weitere Steuer- und Statusinformationen hinzugefügt werden. In einem Netzwerk eingesetzte Router arbeiten immer auf der Schicht 3 des OSI-Referenzmodells.

Schicht 4 - Transport Layer

Auf dem Transport Layer (Transportschicht) werden die Verbindungen zwischen den Systemschichten 1 bis 3 und den Anwendungsschichten 5 bis 7 hergestellt. Dies geschieht, indem die Informationen zur Adressierung und zum Ansprechen der Datenendgeräte (z.B. Arbeitsstationen, Terminals) hinzugefügt werden. Aus dem Grund enthält diese Schicht auch die meiste Logik sämtlicher Schichten. Im Transport Layer wird die benötigte Verbindung aufgebaut und die Datenpakete werden entsprechend der Adressierung weitergeleitet. Somit ist diese Schicht unter anderem auch für Multiplexing und Demultiplexing der Daten verantwortlich.

Schicht 5 - Session Layer

Der Session Layer (Sitzungsschicht) ist die Steuerungsschicht der Kommunikation, wo der Verbindungsaufbau festgelegt wird. Tritt bei einer Übertragung ein Fehler auf oder kommt es zu einer Unterbrechung, wird dies von dieser Schicht abgefangen und entsprechend ausgewertet.

Schicht 6 - Presentation Layer

Die Anwendungsschicht (Presentation Layer) stellt die Möglichkeiten für die Ein- und Ausgabe der Daten bereit. Auf dieser Ebene werden beispielsweise die Dateneingabe und -ausgabe überwacht, Übertragungskonventionen festgelegt oder auch Bildschirmdarstellungen angepasst.

Schicht 7 - Application Layer

Schicht 7 ist die oberste Schicht des OSI-Referenzmodells (Application Layer), auf der die Anwendungen zum Einsatz kommen. Dies ist somit die Schnittstelle zwischen dem System (z.B. Rechner oder sonstige Hardware) und einem Anwendungsprogramm.

1.1.2IEEE-Normen

Neben dem ISO-Schichtenmodell existieren weitere Vorgaben oder Normen für den Netzwerkbereich. Eine wichtige Institution ist dabei das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Das IEEE (gesprochen Ai Trippel I) ist ein Berufsverband für Ingenieure und ein amerikanisches Normungsgremium, das sich generell mit Festlegungen, Standards und Normen für die Kommunikation auf den beiden untersten Ebenen des OSI-Schichtenmodells (Physical Layer, Data Link Layer) beschäftigt. Die einzelnen Definitionen in Bezug auf die Datenübertragung werden allesamt unter dem Titel des »Komitee 802« zusammengefasst. Eine der ersten Definitionen des Komitees war die Verabschiedung des Ethernet-Zugriffsverfahrens CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Im Dezember 1980 trat eine spezielle Projektgruppe (802.5) zusammen, um das Zugriffsverfahren für den Token-Ring-Bereich zu standardisieren. Ein Jahr später konstituierte sich dann die Token-Bus-Projektgruppe (802.4). Die zahlreichen IEEE-Arbeitsgruppen sind verschiedenen Themen gewidmet und beschäftigen sich vor allem mit Netzwerktopologien, Netzwerkprotokollen oder Netzwerkarchitekturen. Die wichtigsten der Normen und Arbeitsgruppen sind nachfolgend aufgeführt. Details hierzu können aber auch jederzeit auf der Website des IEEE unter www.ieee.org nachgelesen werden.

IEEE 802.1

Der IEEE-Standard mit der Bezeichnung 802.1 beschreibt den Austausch der Daten unterschiedlicher Netzwerke. Dazu gehören Angaben zur Netzwerkarchitektur und zum Einsatz von Bridges (Brücken). Zusätzlich erfolgen hier auch Angaben über das Management auf der ersten Schicht (Physical Layer). IEEE 802.1 wird in der Fachliteratur auch mit dem Namen Higher Level Interface Standard (HLI) bezeichnet.

IEEE 802.1Q

Innerhalb des Arbeitskreises HLI (Higher Level Interface) beschäftigt sich die Arbeitsgruppe 802.1Q mit der Definition des Standards für den Einsatz virtueller LANs (VLANs).

IEEE 802.2

Im Arbeitskreis 802.2 wird eine Definition für das Protokoll festgelegt, mit dem die Daten auf der zweiten Ebene des OSI-Modells (Data Link) behandelt werden. Dabei wird unterschieden zwischen dem verbindungslosen und dem verbindungsorientierten Dienst. Die Einordnung dieses Standards im OSI-Referenzmodell erfolgt auf Schicht 2.

IEEE 802.3

Dies ist eine Definition, die im Bereich der Netzwerke eine der wichtigsten Vorgaben darstellt, denn mit 802.3 wird neben der Topologie, dem Übertragungsmedium und der Übertragungsgeschwindigkeit auch ein ganz spezielles Zugriffsverfahren beschrieben bzw. vorgegeben: CSMA/CD, was als Abkürzung für Carrier Sense Multiple Access, Collision...