Wozu sind Protokolle notwendig und warum gibt es so viele verschiedene Protokolle ?

Das Internet verbindet einzelne Rechner und einzelne voneinander unabhängige Netzwerke (internationale, nationale und regionale Netzwerke) zum größten Computer-Netzwerk der Welt. Von fast jedem Punkt der Erde aus können sich weitere Rechner und Netzwerke ans Internet anschließen, um am weltweiten Datenaustausch teilzunehmen. Dies kann beispielsweise per Modem, ISDN oder ADSL über das Telefonnetz, per Kabelmodem über das Kabelnetz oder via Satellit geschehen. Die so verbundenen Computer bestehen weiterhin aus unterschiedlichen Hardwarekomponenten, die über die entsprechenden Treiber der jeweiligen Hersteller angesteuert werden und auf denen unterschiedliche Betriebssysteme und die vielfältigsten Anwendungsprogramme (Client- und Serveranwendungen) installiert sind.

Es bedarf also einer technischen Lösung, die es ermöglicht, Daten in Form von Zahlen, Texten, Bildern und Tönen korrekt zwischen den unterschiedlichen und räumlich häufig Tausende von Kilometer entfernten technischen Systemen auszutauschen. Dazu bedarf es eines komplizierten Regelsystems, welches den Datenverkehr zwischen den kommunizierenden Computern organisiert und technische Standards festlegt, an die sich alle am Internet angeschlossenen Systeme (Computer, Netzwerkgeräte,…) halten müssen und die vor allem von allen Teilnehmern verstanden werden.

Diese technische Lösung stellen die Internet-Protokolle bereit, in denen beispielsweise die Datenstruktur und der Aufbau der Datenpakete festgelegt ist. Die Protokolle werden gemäß der IETF (Internet Engineering Task Force ) in den RFC’s ( Requests for Comment ) beschrieben. Die RFC’s sind allgemein die Dokumente, in denen die technischen Standards des Internets dokumentiert werden.

Das wohl bekannteste Internetprotokoll ist das Hypertext Transfer Protocol (HTTP), das zur Übertragung von Webseiten von einem Rechner zum anderen dient. Dazu wird mit Hilfe des WWW-Clients die betreffende Internetseite vom WWW-Server angefordert, der diese dann den Regeln und Standards des Hypertext Transfer Protokolls entsprechend zum Client-Rechner überträgt.

Die große Zahl der Protokolle beruht vor allem darauf, daß im Internet sehr vielfältige technische Systeme (Betriebssysteme, Anwendungsprogramme, Netzwerkgeräte, Datenübertragungssysteme,…) verschiedener Hersteller für die unterschiedlichsten Dienste und Anwendungen zum Einsatz kommen und diese für alle, die Interesse daran haben, über den eigenen Computer verfügbar sein sollen, unabhängig von der Hard- und Software, mit der dieser betrieben wird. Praktische Beispiel für die unterschiedliche Art und Weise wie mit Internetdiensten Daten ausgetauscht werden können und welche Anforderungen sich daraus ergeben, sind der Internet Relay Chat und der E-Mail-Dienst.

Während beispielsweise mit dem Internet Relay Chat-Protokoll nur Textnachrichten von einem Rechner zum anderen transportiert werden, können mit dem E-Mail-Dienst und dem MIME-Protokoll neben Textinhalten auch Bilder, Videos oder Musikstücke übertragen werden. Weiterhin dient der Chat-Dienst (elektronisches Cafe) ausschließlich der Kommunikation, der E-Mail-Dienst (elektronischer Postdienst) kann neben Kommunikationszwecken auch noch zum Austausch bestimmter Dokumente verwendet werden. Während beim Chat die Kommunikation zwischen den Teilnehmern gleichzeitig stattfindet, antwortet der Empfänger beim E-Mail-Dienst zeitversetzt zum Sender.

Auch die Datenmenge pro Zeit, die während eines Chats zwischen den Kommunikationspartnern ausgetauscht wird, unterscheidet sich wesentlich von der, die bei der E-Mail-Nutzung erzeugt wird. Beim Chat werden in der Regel über einen längeren Zeitraum fortlaufend geringe Datenmengen zwischen dem Sender und dem Empfänger ausgetauscht, beim Abholen der E-Mails vom Mail-Server dagegen, je nach Menge und Größe der einzelnen Mails, über einen kurzen Zeitraum hohe Datenmengen. Weiterhin sind die Funktionen, die notwendig sind, um den E-Mail-Dienst zu nutzen, nicht gleichzeitig auch für einen Chat brauchbar. Wofür braucht ein Chatprogramm beispielsweise Funktionen, um Nachrichten in einem Posteingangs- oder -ausgangsfach zu speichern ?

Wie können anhand des ISO/OSI-Modells die Zusammenhänge zwischen der Übertragung von Daten über das Internet und der jeweils zuständigen Protokolle aus der Internet-Protokollfamilie erklärt werden ?

Das ISO/OSI-Modell (International Standards Organization/Reference Model of Open Systems Interconnection) ist ein Netzwerkentwurfsmodell und dient zur Beschreibung von Computer-Netzwerken, einschließlich des Internets. Es betrachtet die Netzkommunikation losgelöst von jeder speziellen Implementierung. Dabei unterscheidet das Modell zwischen sieben Ebenen (Layer). Während die obersten drei Schichten anwendungsorientiert sind, handelt es sich bei den untersten vier Ebenen um Transport-Schichten. Die einzelnen Schichten des ISO/OSI-Modells erfüllen bestimmte Funktionen und bauen von unten (Physical Layer) nach oben (Application Layer) auf. Der Vorteil dieses Aufbaus ist, daß er die Unabhängigkeit höherer Schichten von den darunter liegenden physikalischen Bedingungen gewährleistet.

So ist es beispielsweise für die Installation und Bedienung eines WWW-Clients egal ob die Daten über das Telefonnetz (ISDN, Modem, DSL,…), Kabelnetz (Kabelmodem) oder via Satellit übertragen werden. Der WWW-Client befindet sich dabei in der obersten Schicht, die Übertragungsmedien stellen die unterste Schicht dar.
Auch die Protokolle folgen dieser Regel und setzen aufeinander auf: Ganz unten stehen beispielsweise Protokolle wie das Point to Point Protocol (PPP) oder das Serial Line Internet Protocol (SLIP), die zur Übertragung der Daten vom Sender zum Einwahlrechner des Providers dienen, ganz oben Protokolle wie das Hypertext Transfer Protocol (HTTP), das die Übertragung von HTML-Seiten realisiert. Dabei handelt es sich um eine ganze Familie von Protokollen, die modular miteinander verknüpft sind und wie bereits vorher erwähnt, in verschiedenen Schichten aufeinander aufbauen und daher auch als Protokoll-Stapel bezeichnet werden. Dabei kann jede Schicht lediglich auf die Dienste der direkt darunter liegenden Schicht zugreifen. Hier sorgt das Transmission Control Protocol (TCP) der Transportschicht dafür, daß die Protokolle der darüber liegenden Anwendungsschicht eine gesicherte Verbindung zur Verfügung haben, ohne wissen zu müssen, auf welchem Weg die Daten transportiert werden.

Nachfolgend werden Schritt für Schritt die Protokolle aufeinander aufgesetzt, die notwendig sind, damit Sie über das Internet Webseiten aufrufen, E-Mail’s versenden und empfangen oder andere Internetdienste nutzen können. Das Ganze fängt auf der untersten Ebene an; diese wird durch die Übertragungshardware (Telefonleitungen, Glasfaserkabel,…) gebildet.

Lesen Sie deshalb die nachfolgende Tabelle von unten, angefangen bei „1. Physical Layer / Bitübertragungsschicht“ und endend bei „7. Application Layer / Anwendungsschicht„.

Tab.  Aufbau der TCP/IP-Protokollfamilie anhand des allgemeinen ISO/OSI-Modells