Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 86 Die TCP/IP-Protokollfamilie – ein Überblick

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Es gibt heute nur wenige Anwendungsbereiche, in denen TCP/IP-Protokolle nicht die Arbeit der OSI-Protokolle wesentlich weniger aufwendig und meist viel billiger tun. Denn die TCP/IP-Protokollfamilie ist nicht für ein spezielles Nachrichtentransportsystem konzipiert, sondern auf verschiedenen Übertragungsmedien, -systemen und -netzen sowie auf verschiedenen Rechnern einsetzbar. TCP/IP ist daher seit vielen Jahren essentiell für Netzwerke und verdient eine detaillierte Betrachtung.

Firma zum Thema

Die Welt von TCP/IP in Relation zum ISO-OSI-Modell; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Die Welt von TCP/IP in Relation zum ISO-OSI-Modell; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

TCP/IP wurde vor über 25 Jahren vom US Department of Defense entwickelt. Das DoD war lange Zeit Betreiber eines der größten Datennetze überhaupt, des ARPA-Netzes, und hatte schnell das Problem, einheitliche Protokolle für die Kommunikation der äußerst unterschiedlichen Rechner in diesem Netz festzulegen. Zunächst hat man hierfür nur vier Schichten definiert:

  • DoD-Anwendungsschicht
  • DoD-Rechner Ende-zu-Ende-Schicht
  • DoD-Internet-Schicht
  • DoD-Netzzugangsschicht

Die Teaserabbildung stellt eine ungefähre Relation zum OSI-Modell her, wobei die Ränder allerdings nicht so scharf sind. Die drei OSI-Schichten Bitübertragung, Sicherung und Vermittlung entsprechen dem Netz-Zugang. Dies ist eine durchaus legitime Perspektive, denn erstens waren zu Beginn der DoD-Standardisierung die unteren Funktionsschichten nicht so stark definiert und differenziert wie heute und zum andern ist es einem angeschlossenen Rechner völlig gleichgültig, wie diese Schichten strukturiert sind.

Das DoD Internet Protokoll (IP) ist ein Netzwerkprotokoll, da die innere Strukturierung und Arbeitsweise des DoD-Netzes für die angeschlossenen Stationen uninteressant sind. Ende-zu-Ende-Verbindungen müssen mit einem entsprechenden Protokoll unterstützt und realisiert werden. Das TCP/IP-Protokoll ist hierzu in der Lage. Es fängt mögliche Fehler weitestgehend ab und verbindet Prozesse und Programme in entfernten, vernetzten Rechensystemen untereinander.

Damit übernimmt es auch gewisse Aufgaben der OSI-Kommunikations-Steuerungsschicht. Die Anwendungsschicht enthält kompakte Protokolle für anwendungsunterstützende Grunddienste. Die Schichten setzen nicht so stur aufeinander auf, wie dies bei OSI der Fall ist. Anwendungsorientierte Grunddienste können Protokolle der unteren Schichten auch unmittelbar benutzen, wenn dies zweckmäßig ist.

Schnelle Protokoll-Privatisierung

Schnell wurden die vom DoD, Herstellern und Universitäten erarbeiteten Protokolle durch die IFIP (International Federation of Information Processing) veröffentlicht und „privatisiert“. Allerdings hat sich IFIP als zu träge erwiesen, um dem schnellen Fortschritt angemessen Rechnung zu tragen. So wurde die sog. IETF (Internet Engineering Task Force) ins Leben gerufen, die schon seit vielen Jahren Dreh- und Angelpunkt allen Wissens um TCP/IP ist.

IETF hat einen höchst interessanten Prozess definiert, der technische Erweiterungen innerhalb einer endlichen Zeit unter Berücksichtigung von Anpassungen entweder zu Internet-Standards macht oder ganz verwirft. Dies steht im Gegensatz zur bürokratischen Arbeitsweise anderer Standardisierungsgremien und ist sicherlich auch ein wesentlicher Grund für den Erfolg der TCP/IP-Protokollfamilie. Grob gesagt werden die technischen Vorschläge in so genannten RFC-Dokumenten formuliert (RFC: Request for Comment) und stehen dann der Internet-Gemeinde zur Diskussion zur Verfügung. Parallel müssen in annehmbarer Zeit Pilotrealisierungen in einem Mindestumfang durchgeführt und veröffentlicht werden. Erst wenn etwas wirklich funktioniert, hat es die Chance, auch Standard zu werden.

Integration in die UNIX-Familie

Durch die Integration in die UNIX-Familie haben die Protokolle in der Vergangenheit einen weiteren großen Schub erhalten. Ab Berkeley UNIX 4.2 stand dem Benutzer die DoD-Protokollfamilie für die problemlose Kommunikation unterschiedlichster UNIX-Systeme zur Verfügung. Die Portabilität des Betriebssystems führte dabei zu einer Portabilität der Kommunikationssoftware. Dies war ein entscheidender Schritt zur Vereinfachung und Vereinheitlichung der Kommunikation.

Dennoch war TCP/IP vor allem in Europa nur einer recht kleinen Fan-Gemeinde bekannt. Alles wartete auf OSI. Der massenhafte Durchbruch wurde Mitte der Achtziger Jahre damit erreicht, dass man eine eher generelle Kommunikation für PCs erreichen wollte und hierbei weder auf OSI warten konnte noch den geschätzten Aufwand für Implementierungen von OSI-Protokollen bezahlen mochte. Gleichzeitig begannen die großen Hersteller wie IBM oder DEC mit der Unterstützung von TCP/IP neben den eigenen Protokollstacks.

Schließlich ist mit SNMP aus der TCP/IP-Gemeinde noch ein Protokoll für das Netz-Management hervorgegangen (SNMP = Simple Network Management Protocol), welches alle anderen Konkurrenten an die Wand drücken konnte.

Heute unterstützen alle Hersteller weltweit die TCP/IP-Protokollfamilie.

Die einzelnen DoD-Protokolle zeichnen sich durch relative Einfachheit aus.

Entsprechende Implementierungen gibt es nicht nur für fast alle Systeme, die UNIX als Betriebssystem benutzen, sondern auch für DEC-VMS Systeme, für MS-DOS, für OS/2, Windows in allen Varianten, für CP/M und für IBM-VM und MVS sowie alle anderen, die hier nicht aufgelistet wurden, einschließlich der neuen mobilen Geräte

File Transfer, die Versendung von E-Mails und der Dialog werden damit von einem Endgerät aus mit den unterschiedlichsten Systemen möglich. Die TCP/IP-Protokolle sind für viele Systeme der „natürliche“ Weg zur Kommunikation.

weiter mit: Der überschäumende Erfolg von TCP/IP

Der überschäumende Erfolg von TCP/IP

Durch die rasante Verbreitung des Internet schließlich wurde der TCP/IP-Familie ein überschäumender und allgegenwärtiger Erfolg beschert. Allerdings: eben aus dieser Ecke konnten auch die größten Probleme erwachsen, da TCP/IP nicht für eine derart große Zahl von Endgeräten und Teilnetzen entworfen wurde.

Vor mehr als 30 Jahren konnte man sich diese Entwicklung nur in den kühnsten Träumen vorstellen, weil der Computer- und Kommunikationsbereich in seinem Fortschritt alle anderen Bereiche weit hinter sich gelassen hat. Denken Sie nur einmal an Folgendes: Von allen Segnungen der Science Fiction Serien wie Star Trek oder Orion, die etwa zu der Zeit gemacht wurden wie auch TCP/IP, haben uns die Kommunikationstechniken wirklich erreicht: „Kirk an Enterprise...“ , die Kommunikation mittels eines Armbands, welches einen kleinen Bildschirm beinhaltet, ist praktisch Realität. Nur dass wir zudem auch noch eine ganz andere Dimension an Teilnehmern erreichen.

Das Transmission Control Protocol (TCP)

Die DoD-Protokollfamilie hat Elemente in den OSI-Schichten 3-7. Das IP-Protokoll ist grundsätzlich in allen Systemen installiert, die mittels der DoD-Protokolle kommunizieren möchten. Das Transmission Control Protocol (TCP) wird als sicheres Host-to-Host-Protokoll in praktisch allen Netzwerken benutzt. Es erstellt eine voll-duplexfähige virtuelle Verbindung und spiegelt dem Benutzer eine kontinuierliche Datenübertragung als Datenstrom vor.

Es sichert die Datenübertragung durch Sequenznummern, Prüfsummen, Quittungen mit Zeitüberwachung und automatischer Segmentwiederholung im Fehlerfalle. Dabei verwendet es das vorteilhafte Sliding-Window-Konzept, wie es auch bei HDLC, SDLC oder LLC 2 oder 3 angewandt wird und vermeidet unnützen Leerlauf-Overhead für die Kontrollfunktionen. Der Benutzer des TCP (meist eines der anwendungsunterstützenden Programme SMTP, FTP oder Telnet), erreicht es über einen sog. Port, der durch eine Portnummer identifiziert wird.

Das User Datagram Protocol (UDP)

Das User Datagram Protocol (UDP) erlaubt es Anwendungsprozessen, ohne Aufbau einer virtuellen Verbindung Datagramme auszutauschen. TCP und UDP setzen auf IP auf.

Telnet (Dialogsystem), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) und FTP (File Transfer Protocol) sind für den Benutzer direkt verfügbare Anwendungen, die TCP sowie IP benutzen.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Strukturprotokollen. DNS, der Domain Name Service, sorgt dafür, dass jeder immer die Adressen der Geräte finden kann, mit denen er kommunizieren möchte, und ist damit eine Art Telefonbuch für TCP/IP-basierte Netze.

SNMP, das Simple Network Management Protocol, fragt alle Geräte eines Bereiches zyklisch ab und erfährt durch standardisierte Vektoren, wie es ihnen geht. Auf diese Weise kann man vielfältige Netzwerk-Management Funktionen aufbauen.

NFS schließlich ist ein netzweites Dateisystem, welches in seiner Leistung weit über den eigentlichen File Transfer hinausgeht und Dateien, die auf Servern in einem Netz verstreut sind, nach außen hin als zusammenhängendes Dateisystem präsentieren kann.