Der TCP/IP - Protokollstapel

1. Einführung

Die Entwicklung des TCP/IP - Protokollstapels, welcher durch sein offenes und flexibles Design zum raschen Wachstum des Internets beigetragen hat, begann Mitte der 60er Jahre und wurde vom amerikanischen Department of Defense in Auftrag gegeben. Das Ziel war es, ein offenes Netzwerk zu schaffen, welches imstande war, unterschiedlichste Hard- u. Softwaresysteme zu verbinden und auch noch funktionsfähig zu sein, wenn große bzw. wichtige Teile des Netzes ausfallen.

Nach der Einbindung von TCP/IP ins Berkley UNIX war die Grundlage für die erfolgreiche Verbreitung  geschaffen.

2. Vergleich OSI-Modell - TCP/IP-Schichtenmodell

Das TCP/IP - Modell basiert auf dem OSI-Schichtmodell, konzentriert sich aber eher auf die unteren Schichten und läßt relativ viel Spielraum in den oberen Schichten.

OSI-Modell TCP/IP-Modell

Kurz beschrieben, bieten die Schichten des TCP/IP-Modells folgende Funktionen:

Netzwerkzugangsschicht: In dieser Schicht gibt es kein Protokoll des TCP/IP-Modells, sondern diese wird von bereits bestehenden Implementierung realisiert wie z.B.: Ethernet, Token Ring, ATM, FDDI,

Vermittlungsschicht: Sie entspricht in etwa der Vermittlungsschicht im OSI-Referenzmodell. Diese Schicht umfaßt unter anderem die TCP/IP-Protokolle IP, ICMP, IGMP (Internet Group Management Protocol). Das ARP-Protokoll ist zwischen der Vermittlungsschicht und der Netzwerkzugangsschicht angesiedelt.

Transportschicht: Diese Schicht umfaßt die Protokolle TCP und UDP und entspricht in etwa der Transportschicht im OSI-Referenzmodell.

Applikationsschicht: Umfaßt die Sitzungs-, Darstellungs- und Applikationsschicht des OSI-Referenzmodells. In dieser Schicht existieren eine Vielzahl von Protokollen, wie zum Beispiel HTTP, FTP, SMTP und NNTP.

3. Physisches  Netzwerk - TCP/IP - Datenfluß

3.1 ARP

ARP (Address Resolution Protocol) wird benutzt, um die IP-Adressen, die unabhängig von der Art des physichen Netzwerkes sind, in physische Netzwerkadressen umzuwandeln. Das bedeutet, daß für jede Netzwerkschnittstelle in einem Rechner genau eine zugehörige ARP-Schnittstelle existieren muß.

ARP arbeitet mit einer Adreßtabelle, die durch Broadcast-Techniken um noch nicht bekannte, aber benötigte physische Adressen ergänzt wird. Genauer wird hier auf ARP nicht eingegangen. siehe Referat "Adreßumsetzungsverfahren" (Gumpinger)

3.2 Datenfluß im TCP/IP - Modell

Wenn wir als Beispielanwendung FTP verwenden, welches wiederum TCP verwendet, ergibt sich also folgender Datenfluß: FTP TCP IP NIC

Das TCP-Modul, das UDP-Modul und das NIC-Modul können als n-zu-1 Multiplexer betrachtet werden. Sie besitzen mehrere Eingänge aber nur einen Ausgang. Weiters sind sie aber auch 1-zu-n Demultiplexer, d.h. sie leiten Pakete vom einzigen Eingang anhand einer Kennung im Protokollheader an das passende übergeordnete Modul weiter.

Der Datenfluß von der Anwendung zum Netzwerk hin ist einfach zu durchzuführen, da ohnehin nur ein Weg gegangen werden kann.

Der umgekehrte Weg wird mit Hilfe der schon genannten Kennung im jeweiligen Protokollheader durchgeführt.

Bei nur einer Netzwerkschnittstelle in einem Rechner ist dies relativ einfach, da auch das IP-Model ein n-zu-1 Multiplexer bzw. ein 1-zu-n Demultiplexer ist. Komplizierter wird es da schon bei mehreren Netzwerkschnittstellen, da hier das IP-Modul als n-zu-m Multiplexer bzw. m-zu-n Demultiplexer fungiert.

Diese Tatsache führt auch dazu, daß Daten von einer Schnittstelle direkt zur nächsten Schnittstelle weitergeleitet werden können. Dieser Vorgang wird "IP-Forwarding" genannt.

Zusammenfassend und vereinfacht kann man sagen, daß ein Protokoll die Daten der übergeordneten Schicht übernimmt, seinen Header hinzufügt und dem untergeordnetem Protokoll übergibt. Dies geht so lange, bis die Daten bei der Empfängerschnittstelle angekommen sind. Hier wird genau der umgekehrte Weg gegangen.

4. Die Vermittlungsschicht

4.1 Allgemeines

Die Aufgabe der Vermittlungsschicht ist es, Daten vom Ursprung zum Ziel zu bringen, auch wenn der Weg über mehrere zwischenliegende Rechner führt. Weitere Ziele sind die Erkennung und Ausgleichung von Lastunterschieden und das Auswählen einer optimalen Route.

4.2 IP (Internet Protocol)

Das Layout eines IP-Paketes sieht folgendermaßen aus:

Erklärung der einzelnen Felder:

Weitere Infos zu den Optionen:

Security: Bezeichnet, wie geheim ein Paket ist

Strict Source Routing: Bestimmt den Pfad, den das Paket gehen muß. Es dürfen nur die angegebenen Stationen ohne Zwischenstationen und in der richtigen Reihenfolge verwendet werden.

Loose Source Routing: ähnlich wie Strict Source Routing, nur dürfen zwischen zwei vorgegebenen Stationen noch andere Stationen liegen.

Record Route: Veranlaßt jeden Router, seine IP-Adresse in das Paket zu schreiben, um so den Pfad verfolgen zu können. Da die Optionen maximal nur 40 Byte umfassen können, kann diese Option heute meist nicht mehr genutzt werden.

Time Stamp: Ahnlich wie Record Route, nur wird neben der IP-Adresse auch ein Zeitstempel von jedem Router eingetragen.

IP-Adressen

Jedes Gerät in einem Internet muß eine eindeutige IP-Adresse haben, welche in einen Netz- und einen Hostanteil zerfällt. Genauere Informationen zu IP-Adressen findet man im Referat "Routing" Spitzbart.

4.3 ICMP (Internet Control Message Protocol)

Dieses Protokoll kommt dann zum Einsatz, wenn ein unvorgesehenes Ereignis eintritt. ICMP-Nachrichten, von denen es mehrere Typen gibt, werden mit einem IP-Header gesendet.

DESTINATION UNREACHABLE

Wird benutzt, wenn ein Teilnetz oder ein Router das Ziel nicht finden kann

TIME EXCEEDED

Wird benutzt, wenn ein Paket weggeworfen wird, wenn sein Zähler (Time To Live) 0 erreicht hat. Ist ein Anzeichen dafür, daß eine hohe Überlastung vorliegt, oder die Pakete kreisen in einer Schleife, weil eine Fehlkonfiguration auf einem Router herrscht

PARAMETER PROBLEM

Zeigt einen unzulässigen Wert im IP-Header an. Dies deutet auf einen Fehler in der Software des Quellrechners bzw. eines Routers hin

SOURCE QUENCH

Wird heute kaum mehr benutzt. Diente früher dazu, um einem Host mitzuteilen, daß er seine Aktivitäten drosseln soll.

REDIRECT

Wird benutzt, wenn ein Router festgestellt hat, daß ein Paket falsch weitergeleitet wurde.

ECHO REQUEST, ECHO REPLY

Wird benutzt, um festzustellen, ob ein Ziel noch erreichbar ist. Von jedem Ziel wird erwartet, auf einen ECHO-REQUEST mit einem ECHO-REPLY zu antworten.

TIMESTAMP REQUEST, TIMESTAMP REPLY

Ahnlich wie ECHO-x, nur wird zusätzlich die Zeit mitgesendet. Die Optionen ECHO-x und TIMESTAMP-x werden auch zum Messen der Netzleistung verwendet.

4.4 Routing

Das Routing ist eine der wichtigsten Aufgaben der Vermittlungsschicht und somit auch des IP-Protokolls. Meist wird diese Aufgabe von eigenen Geräten erfüllt, die auf diese Anforderungen optimiert sind. Es kann jedoch auch ein beliebiger Rechner mit mindestens zwei Netzwerkschnittstellen als Router fungieren.

Wenn ein IP-Paket von einem Router empfangen wird, stellt dieser anhand seiner Routing-Tabellen fest, in welche Richtung (auf welche Schnittstelle) er dieses Paket weiterleiten soll. Weiters können hier auch Fakten wie die Verfügbarkeit und Netzwerkauslastung auch einen Rolle für die Auswahl der Route eine Rolle spielen.

Der Inhalt der Routing-Tabellen kann entweder statisch eingetragen werden oder dynamisch von Routing-Protokollen erstellt werden. Näheres zu diesem Thema gibt es in den Referaten "Routing" und "Routing Protokolle".

4.5 Mulitcasting

Überlicherweise findet die Kommunikation in der Vermittlungsschicht zwischen Sender und Empfänger statt (Ende-zu-Ende-Kommunikation). Es wäre aber nützlich, ein IP-Paket gleichzeitig an mehrere Rechner zuzustellen. Dies wird in IP durch die Klasse-D-Adressen (224.0.0.0 - 239.255.255.255) möglich.

Jede Adresse der Klasse D identifiziert eine Hostgruppe. Sendet nun ein Prozeß ein Paket an eine Adresse der Klasse D, dann wird es allen Mitgliedern der adressierten Gruppe zugestellt, was aber nicht garantiert ist.

Es gibt 2 Gruppen von Klasse-D-Adressen: permanente und temporäre. Jede permanente Gruppe hat auch eine permanente Gruppenadresse.

Temporäre Gruppen müssen vor der Nutzung erstellt werden, wobei jeder Host die Mitgliedschaft einer bestimmten Gruppe beantragen kann.

Multicasting wird durch spezielle Multicast-Router implementiert, welche auch neben "normalen" Routern existieren können. Dieser Multicast-Router sendet einmal pro Minute einen Broadcast an die Rechner in seinem LAN, welche ihm dann mitteilen, in welcher Gruppe sie Mitglied sind. Diese Kommunikation erfolgt über IGMP (Internet Group Management Protocol), welches grob ICMP entspricht.

4.6 Fragmentierung

Jedes Netzwerk gibt Höchstwerte für Paketgrößen vor, die von mehreren Faktoren abhängen (z.B.: Hardware, Standards, Protokolle, Betriebssysteme,).

Daher kommt es zu Problemen wenn großes IP-Paket auf ein Netz trifft, wo es die physische Maximalgröße überschreitet. Aus diesem Grund wird den Routern erlaubt, das Paket in mehrere Fragmente zu unterteilen. Schwierigkeiten entstehen hier natürlich bei der Zusammensetzung des Paketes am anderen Ende. Weiteres zu diesem Thema ist im Referat "Fragmentierung" zu finden.

5. Transportschicht

5.1 Allgemeines

Das Ziel der Transportschicht ist es, die Qualität der Übertragung zu verbessern. Ein weiteres Merkmal sind Ports, welche in etwa Nebenstellennummern einer Telefonanlage entsprechen. Eine Verbindung auf Ebene der Transportschicht wird durch die Adresse und die gewünschte Portnummer eindeutig identifiziert.

5.2 UDP (User Datagram Protocol)

UDP ist die verbindungslose Variante der Transportschicht in der TCP/IP-Suite. Ein UDP-Header hat folgenden Aufbau:

Wie man leicht erkennen kann ist der Header ziemlich klein und somit ist UDP ein sehr schnelles Protokoll. Der Nachteil von UDP ist, daß keine Sicherung gegen

Übertragungsfehler

Paketverlust

Paketverdoppelung

Sequenzfehler

gegeben ist, dies ist bei UDP ein Problem der Anwendung.

UDP wird dort eingesetzt, wo nicht die Qualität der Verbindung eine Rolle spielt, sondern wo Schnelligkeit gefragt ist. Beispiele dafür sind DNS und TFTP.

5.3 TCP (Transmission Control Protocol)

TCP ist die verbindungsorientierte Implementierung in der Transportschicht der TCP/IP-Protokollsuite.

Es bietet eine Ende-zu-Ende-Verbindung und sichert gegen:

Übertragungsfehler

Paketverlust

Paketverdopplung

Sequenzfehler

Überlastung des Empfängers

Wie auch bei UDP wird eine TCP-Verbindung durch die Adressen und die Portnummer gekennzeichnet. Eine TCP-Verbindung ist eine Voll-Duplex-Verbindung und ein Datenstrom, deshalb kann man auch nicht von TCP-Paketen sprechen, sondern von TCP-Segmenten. Weiters hat die Größe eines gesendeten Segments nichts mit der Größe des empfangenen Segments zu tun.

TCP wird von Applikationen verwendet, die diese Vorteile den Vorteilen von UDP (Schnelligkeit) vorziehen (z.B.: FTP, Telnet, ). Aufgrund des großen Overheads ist TCP auch merkbar langsamer als UDP und belastet das Netz viel mehr.

Der Grund dieser Belastung liegt auch in der komplizierten Kommunikationsform, da zuerst eine Verbindungsanfrage geschickt, die von der Gegenstelle bestätigt werden muß, Näheres dazu erfährt man beim Referat "Sockets".

TCP führt für jede Verbindung einen eigenen Puffer und muß die Daten für IP in Pakete umwandeln.

Ein TCP-Segment sieht folgendermaßen aus:

Beschreibung der einzelnen Felder:

Bemerkungen:

Flags: Diese Flags dienen der Flußsteuerung, was ein kompliziertes Verfahren bei TCP ist.

Zeitfenstergröße: Diese Angabe ist sehr wichtig für die Steuerung der Übertragungsrate, falls zwei kapazitiv unterschiedliche Netze verbunden werden. Hier kommt die "Sliding Window Technik" zum Tragen.