Heimnetzwerk Lexikon - Netzwerkprotokolle

Gerät A möchte Daten an Gerät B senden. Das hört sich einfach an, doch damit das tatsächlich passiert braucht es eine Vielzahl von Funktionen. Die damit verbundene Komplexität wird spätestens dann etwas verständlicher, wenn man sich vorstellt, dass Gerät B eines von Billionen von Geräten sein kann, welches irgendwo auf der Erde steht. Damit die sehr hohe Komplexität beherrschbar bleibt, gibt es zwei grundlegende Prinzipien in der Datenkommunikation. Das Prinzip zusammengehörige Funktionen in Protokolle zusammenzufassen und Funktionsschichten zu modellieren. Ferner das Prinzip der Kapselung von Daten.

• Für ein Heimnetzwerk relevante Netzwerprotokolle sind im ersten Abschnitt zu finden.
  
• Ein gängiges Schichtenmodell für die Datenkommunikation wird im dritten Abschnitt vorgestellt.
  
• Das Prinzip der Kapselung von Daten und Funktionen wird im zweiten Abschnitt erläutert.

Notiz: Die Prinzipien werden in diesem Artikel vereinfacht erläutert. Wenn man es ganz genau nimmt, dann müsste man noch das ein oder andere mehr erklären und auch die Darstellungen umfangreicher gestalten. Es geht aber darum die Idee an sich zu erfassen.

Für ein Heimnetzwerk relevante Netzwerkprotokolle

Hier eine Liste mit Netzwerkprotokollen, welche für ein Heimnetzwerk relevant sind. Zu jedem dieser Netzwerkprotokolle finden Sie einen eigenen Artikel, welcher das Protokoll etwas ausführlicher erläutert.

• ARP - Protokoll zur Adressauflösung einer IPv4 Adresse zu einer MAC Adresse.
• DDNS - System um eine wechselnde IP Adresse extern zu einem Heimnetzwerk verfügbar zu machen.
• DHCP - Protokoll um Geräten automatisch IP Adressen zuzuweisen.
• DNS - System um statt IP Adressen Namen verwenden zu können und diese wieder auf IP Adressen zurückzuführen.
• IGMP - Eine kompakte Beschreibung des Internet Group Management Protokolls (IGMP), inklusive des IGMP snooping Mechanismus.
• IP - Eine kurze Einführung in das Internet Protokolls (IP).
• MAC - Die Media Access Control (MAC) Schicht im Überblick
• PCP - Eine einfache Beschreibung des Port Control Protokolls (PCP).
• TCP & UDP - Die Transportprotokolle TCP und UDP im Überblick.
• UPnP - Das Universal Plug and Play (UPnP) System zur kommunikation und finden von Diensten.
• QUIC - Zeitenwende im Internet durch das QUIC-Protokoll

Das TCP/IP Schichtenmodell für die Datenkommunikation

Es gibt ein Sprichwort welches sinngemäß lautet „Besser mit drei kleinen Schritten zum Ziel, als mit einem großen Satz und sich dabei das Bein brechen“. Das gilt im Prinzip auch für die Datenkommunikation. Um die benötigten Funktionen beherrschbar zu machen, werden diese zu Protokollen zusammengefasst. Jedes Protokoll bündelt dabei Funktionen, welche für eine größere Aufgabe benötigt werden. Die Protokolle selbst werden wiederum Schichten zugeordnet, um die, für die Datenkommunikation benötigten Funktionen, einem weiteren Ordnungskriterium zuzuordnen und zueinander abzugrenzen.

Der vorherige Absatz klingt wahrscheinlich noch etwas abstrakt. Klarer wird das ganze, wenn man sich vorstellt, dass die Funktionen für unterschiedliche Übertragungsmedien wie Kabel, Funk oder Stromnetz, jeweils durch eigene in sich abgegrenzte Protokolle zusammengefasst sind. IEEE802.3 für Ethernet (Kabel), IEEE802.11 für WLAN (Funk) und HomePlug AV (Stromnetz) für PowerLine. Diese Protokolle würden im Prinzip ausreichen, damit Geräte in einem kleinen Netzwerk mit mehreren zehn, gerne auch mehreren hundert Geräten, Daten untereinander austauschen können.

Weltweit gibt es aber Billionen von Geräten, welche über das Internet miteinander verbunden sind. Um dieser Größenordnung Herr zu werden, wurden Protokolle definiert, welche den Datenaustausch zwischen einer solchen Zahl von Geräten ermöglichen.

Damit diese Protokolle nicht zu groß und unbeherrschbar werden, wurden davon wiederum Funktionen abgegrenzt. So gibt es eigene Protokolle, welche nur die beiden Endgeräte (Gerät A und Gerät B) einer Kommunikation können müssen. Diese Transport-Protokolle sind weitestgehend unabhängig von den Protokollen, um Daten über ein weltumspannendes Netz zu transportieren.

Die eigentlichen Anwendungen wie das Browsen im Web, das Anschauen eines Video-Streams, das Spielen eines Online-Spiels, verwenden dann wiederum die Ende-zu-Ende Transport-Protokolle, ohne sich darum kümmern zu müssen wie jetzt im einzelnen die Daten von Gerät A nach Gerät B kommen. Gleich ob Gerät B im selben Zimmer wie Gerät A, oder am anderen Ende der Welt steht.

Folgende Grafik illustriert das eben beschriebene Prinzip. Die Grafik illustriert, dass sogenannte „TCP/IP-Modell“, welches in der Praxis das vorherrschende Modell ist. Man kann in der Grafik auch schön sehen, dass dabei verschiedene Protokolle aufeinander aufbauen und Schichten bilden. Die letzten 4 Absätze beschreiben „zufällig“ den Aufgabenbereich der vier Schichten des TCP/IP-Modells.

1. Netzwerkschicht: Die Kommunikation über eine einzelne Verbindung oder ein kleines Netzwerk.
   
2. Internetschicht: Die Kommunikation über ein weltumspannendes Internet.
3. Transportschicht: Die Kommunikation Ende-zu-Ende zwischen zwei Geräten.
4. Anwendungsschicht: Die Anwendungen welche den Datenaustausch benötigen.

Notiz: Für Lehrzwecke wird auch gern das OSI-Schichtenmodell verwendet. Dieses beschreibt etwas genauer die benötigten Funktionsschichten für die Datenkommunikation. Das OSI-Modell ist aber auch etwas abstrakter, da in der Praxis das TCP/IP Modell und die entsprechenden Protokolle Anwendung finden.

Notiz: Um die Datenkommunikation in einem Heimnetzwerk besser zu verstehen, ist es noch gut zu wissen, dass sich die Netzwerkschicht nochmals in zwei Schichten unterteilt. Die MAC Schicht für die Adressierung in einem kleinen Netzwerk und die Zugriffsregelung auf das eigentliche Übertragungsmedien. Die Bitübertragungsschicht, welche genau definiert wie ein Bit nun tatsächlich physisch über ein Kabel, per Funk oder ein Stromnetz übertragen wird.

Das Prinzip der Kapselung von Daten

Im vorherigen Abschnitt war hauptsächlich von Funktionen die Rede. Doch das Prinzip etwas zusammenzufassen und abzugrenzen, um es beherrschbarer zu machen, wird auch für die zu kommunizierenden Daten angewandt.

Die Umsetzung in der Praxis ist relativ einfach. Die Anwendung, z.B. ein Online-Spiel, übergibt einem Protokoll, der Transport Schicht, die zu versendenden Daten. Dazu noch ein paar benötigte Informationen wie z.B. den Empfänger. Das Transportprotokoll nimmt jetzt die Anwendungsdaten 1:1 und umhüllt (kapselt) diese Daten, mit den Daten, welche es selbst für den Ende-zu-Ende Transport benötigt. Diese zusätzlichen Daten werden Kopfdaten genannt. Dann übergibt das Transportprotokoll seine Daten an ein Protokoll der Internetschicht. Dieses behält seinerseits die Daten des Transportprotokolls unverändert bei und umhüllt diese mit den Kopfdaten für die Übertragung über das Internet. Und so weiter … .

Dieses Prinzip ist hier grafisch abgebildet.

Wenn die Daten am Empfangsgerät ankommen, dann wird umgedreht verfahren. Die Kopfdaten, welche von einem bestimmten Protokoll einer Schicht benötigt wurden, werden entfernt und die „Nutzdaten“ an das nächste Protokoll übergeben. Dieses verfährt auf gleiche Art und Weise, bis die übriggebliebenen Daten der Anwendung übergeben werden, welche als Empfänger ausgewiesen wurde.

Notiz: Dieses Prinzip verdeutlicht übrigens auch eine der Ursachen, warum auf Anwendungsebene keine z.B. 100Mbit/s erzielt werden, auch wenn diese ihre Daten über z.B. eine 100Mbit/s Ethernet-Verbindung überträgt. Da auch die Kopfdaten Übertragungskapazität benötigen, bleiben am Ende für dieses Beispiel ca. 90Mbit/s für die Anwendung übrig.