Internetprotokollfamilie

Die Internetprotokollfamilie ist eine Familie von rund 500 Netzwerkprotokollen, die die Basis und die Standards für die Netzkommunikation im Internet bilden. Häufig wird auch die Bezeichnung TCP/IP-Protokollfamilie verwendet.

TCP/IP-Referenzmodell

Ende der 1960er Jahre begann die Entwicklung mit einer Studie der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), die dem Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (DoD) untersteht, zur Entwicklung von Protokollen zur Datenkommunikation. Dabei entstand das DoD-Schichtenmodell, in dem die Aufgaben in vier Schichten unterteilt wurden. Dieses Modell ist Grundlage der Internetprotokollfamilie.^[1]

Kommunikation wird in Rechnernetzen durch Netzwerkprotokolle umgesetzt und in der Praxis in funktionale Schichten (layer) unterteilt. Für das Internet und die Internetprotokollfamilie ist dabei die Gliederung nach dem sogenannten TCP/IP-Referenzmodell, welches 4 aufeinander aufbauende Schichten beschreibt, maßgebend. Dieses ist auf die Internet-Protokolle zugeschnitten, die den Datenaustausch über die Grenzen lokaler Netze hinaus ermöglichen (dies sind vor allem TCP und IP). Hier werden weder der Zugriff auf ein Übertragungsmedium noch die Datenübertragungstechnik definiert. Vielmehr sind die Internet-Protokolle dafür zuständig, Datenpakete über mehrere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Hops) weiterzuvermitteln und auf dieser Basis Verbindungen zwischen Netzteilnehmern über mehrere Hops herzustellen.

Um Probleme der Netzkommunikation im Allgemeinen zu betrachten, greift man auf das detailliertere ISO/OSI-Referenzmodell zurück. Es ist jedoch zu beachten, dass sich die Benennung der einzelnen Schichten in den Modellen unterscheidet, und nachfolgende Zuordnungen zwischen OSI-Schichten und TCP-IP-Ebenen nicht immer vollständig übereinstimmen.

OSI-Schicht	TCP/IP-Schicht	Beispiel
Anwendungen (7)	Anwendungen	HTTP, UDS, FTP, SMTP, POP, Telnet, DHCP, OPC UA TLS, SOCKS
Darstellung (6)
Sitzung (5)
Transport (4)	Transport	TCP, UDP, SCTP
Vermittlung (3)	Internet	IP (IPv4, IPv6), ICMP (über IP)
Sicherung (2)	Netzzugang	Ethernet, Token Bus, Token Ring, FDDI
Bitübertragung (1)	Netzzugang	Ethernet, Token Bus, Token Ring, FDDI

Die einzelnen Schichten erfüllen folgende Funktionen:

Anwendungsschicht: Die Anwendungsschicht (engl.: Application Layer) umfasst alle Protokolle, die mit Anwendungsprogrammen zusammenarbeiten und die Netzinfrastruktur für den Austausch anwendungsspezifischer Daten nutzen.
Transportschicht: Die Transportschicht (engl.: Transport Layer) ermöglicht eine Ende-zu-Ende-Kommunikation. Das wichtigste Protokoll dieser Schicht ist das Transmission Control Protocol (TCP), das Verbindungen zwischen jeweils zwei Netzteilnehmern zum zuverlässigen Versenden von Datenströmen herstellt. Es gehören aber auch unzuverlässige Protokolle – zum Beispiel das User Datagram Protocol (UDP) – in diese Schicht.
Internetschicht: Die Internetschicht (engl.: Internet Layer) ist für die Weitervermittlung von Paketen und die Wegwahl (Routing) zuständig. Auf dieser Schicht und der darunterliegenden Schicht werden Direktverbindungen betrachtet. Die Aufgabe dieser Schicht ist es, zu einem empfangenen Paket das nächste Zwischenziel zu ermitteln und das Paket dorthin weiterzuleiten. Kern dieser Schicht ist das Internet Protocol (IP) in der Version 4 oder 6, das einen Paketauslieferungsdienst bereitstellt. Sogenannte Dual-Stacks können dabei automatisch erkennen, ob sie einen Kommunikationspartner über IPv6 oder IPv4 erreichen können und nutzen vorzugsweise IPv6. Dies ist für entsprechend programmierte Anwendungen transparent. Die Internetschicht entspricht der Vermittlungsschicht des ISO/OSI-Referenzmodells.
Netzzugangsschicht: Die Netzzugangsschicht (engl.: Link Layer) ist im TCP/IP-Referenzmodell spezifiziert, enthält jedoch keine Protokolle der TCP/IP-Familie. Sie ist vielmehr als Platzhalter für verschiedene Techniken zur Datenübertragung von Punkt zu Punkt zu verstehen. Die Internet-Protokolle wurden mit dem Ziel entwickelt, verschiedene Subnetze zusammenzuschließen. Daher kann die Host-an-Netz-Schicht durch Protokolle wie Ethernet, FDDI, PPP (Punkt-zu-Punkt-Verbindung) oder 802.11 (WLAN) ausgefüllt werden. Die Netzzugangsschicht entspricht der Sicherungs- und Bitübertragungsschicht des ISO/OSI-Referenzmodells.

Beispiel

Aufbau eines Ethernet-Frames mit maximalen IPv4- / TCP-Daten
OSI- Schicht	TCP/IP-Schicht	Struktur
4	Transport								TCP-Header	Nutzlast (1460 bytes)
3	Internet							IP-Header	Nutzlast (1480 bytes)
2	Netzzugang			MAC-Empfänger	MAC-Absender	802.1Q-Tag (opt.)	EtherType	Nutzlast (1500 bytes)			Frame Check Sequence
1	Netzzugang	Präambel	Start of Frame	Nutzlast (1518/1522 bytes)								Interframe Gap
Oktette		7	1	6	6	(4)	2	20	20	≤1460	4	12

Protokollstapel

Anwendungsschicht (entspricht OSI-Schicht 5–7)

DNS (Domain Name System) – Auflösung von Domainnamen zu IP-Adressen
DoIP (Diagnostics over IP) – Transportprotokoll für Fahrzeugdiagnose
FTP (File Transfer Protocol) – Dateitransfer
- FTPS (FTP über SSL/TLS) – Erweiterung von FTP für verschlüsselten Dateitransfer
HTTP (Hypertext Transfer Protocol)
- HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure)
WS (WebSocket Protocol)
IMAP (Internet Message Access Protocol) – Zugriff auf E-Mails
IPFIX (Internet Protocol Flow Information Export)
LLMNR (Link-local Multicast Name Resolution)
NDMP (Network Data Management Protocol, ndmp.org, kein IETF RFC)
MBS/IP (Multi-purpose Business Security over IP)
NNTP (Network News Transfer Protocol) – Diskussionsforen (Usenet)
NTP (Network Time Protocol)
POP3 (Post Office Protocol, Version 3) – E-Mail-Abruf
PTP (Precision Time Protocol) – Zeitsynchronisation von Uhren in einem Netzwerk
RDP (Remote Desktop Protocol) – Darstellen und Steuern von Desktops auf fernen Computern (Microsoft)
RTP (Real-Time Transport Protocol)
SIP (Session Initiation Protocol) – Aufbau, Steuerung und Abbau von Kommunikationssitzung (VoIP)
SNMP (Simple Network Management Protocol) – Verwaltung von Geräten im Netzwerk
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – E-Mail-Versand
SOCKS (Internet Sockets-Protokoll)
SSH (Secure Shell) – verschlüsseltes remote terminal
- SCP (Secure Copy) – Dateitransfer (verwendet SSH-Session)
- SFTP – SSH Dateitransfer (verwendet SSH-Session)
Telnet – Unverschlüsseltes Login auf entfernten Rechnern (remote terminal)
XMPP (Extensible Message and Presence Protocol)
Z39.50 – Abfrage von Informationssystemen

Transportschicht (entspricht OSI-Schicht 4)

TCP (Transmission Control Protocol) – Übertragung von Datenströmen (verbindungsorientiert, zuverlässig)
UDP (User Datagram Protocol) – Übertragung von Datenpaketen (verbindungslos, unzuverlässig, geringer Overhead)
SCTP (Stream Control Transmission Protocol) – Transportprotokoll
TLS (Transport Layer Security, ehemals 'Secure Socket Layer [SSL]) – Erweiterung von TCP um Verschlüsselung
DTLS (Datagram Transport Layer Security) – Auf TLS basierendes Verschlüsselungsprotokoll, welches auch über zustandslose Protokolle wie UDP übertragen werden kann

Internetschicht (entspricht OSI-Schicht 3)

IP (Internet Protocol) – Datenpaket-Übertragung (verbindungslos)
IPsec (Internet Protocol Security) – Sichere Datenpaket-Übertragung (verbindungslos)
ICMP (Internet Control Message Protocol) – Kontrollnachrichten (zum Beispiel Fehlermeldungen), Teil jeder IP-Implementierung
IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) – Informationsaustausch zwischen Routern (Distanzvektor) (veraltet – wird ersetzt durch EIGRP)
EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) – Informationsaustausch zwischen Routern via IP
OSPF (Open Shortest Path First) – Informationsaustausch zwischen Routern (Linkzustand) via IP
BGP (Border Gateway Protocol) – Informationsaustausch zwischen autonomen Systemen im Internet (Pfadvektor) via TCP
RIP (Routing Information Protocol) – Informationsaustausch zwischen Routern (Distanzvektor) via UDP
IGMP (Internet Group Management) – Organisation von Multicast-Gruppen, Bestandteil von IP auf allen Hosts, die den Empfang von IP-Multicasts unterstützen

Netzzugangsschicht (entspricht OSI-Schicht 1–2)

Ethernet – Netzwerkstandard IEEE 802.3
WLAN – Netzwerkstandard IEEE 802.11
PPP – Point-to-Point Protokoll, RFC 1661^[2]
Token Bus – Netzwerkstandard IEEE 802.4
Token Ring – Netzwerkstandard IEEE 802.5
FDDI – Fiber Distributed Data Interface
L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol)
RARP (Reverse Address Resolution Protocol) – Adressumsetzung zwischen Geräte- (MAC) und IP-Adressen (veraltet – wird ersetzt durch BOOTP)
IPoAC (Internet Protocol over Avian Carriers) – Internet-Protokoll mittels fliegender Träger – RFC 1149^[3]

Literatur

William Richard Stevens: TCP/IP. ISBN 3-8266-5042-5 (Standardwerk).
Andrew S. Tanenbaum: Computernetzwerke. 5., aktualisierte Auflage, Pearson Studium, München 2012, ISBN 978-3-86894-137-1 (Standardwerk).
James F. Kurose, Keith W. Ross: Computernetzwerke. ISBN 978-3-8273-7330-4 (Standardwerk).
Manfred Weiss: TCP/IP Handbuch. ISBN 3-7723-5026-7
Uyless Black: TCP/IP & Related Protocols. ISBN 0-07-005560-2.
Craig Hunt: TCP/IP. ISBN 3-89721-110-6.

Weblinks

RFC 1122 – Requirements for Internet Hosts – Communication Layers. Oktober 1989 (Internet Engineering Task Force, englisch).
Website „TCP/IP-Info“ inkl. Schulung Heterogene Netze mit TCP/IP. (über 270 Folien – auch als PDF)
Jürgen Plate: Grundlagen Computernetze. Fachhochschule München – Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Netzwerktechnologie TCP/IP
Einführung in Computernetze

Einzelnachweise

↑ Vinton G. Cerf, Edward Cain: The DoD Internet Architecture Model. (PDF; 866 kB) Pennsylvania State University, 1983, abgerufen am 6. Juli 2013 (englisch).
↑ RFC 1661 – The Point-to-Point Protocol (PPP). Juli 1994 (englisch).
↑ D. Waitzman: RFC 1149 – Standard for the transmission of IP datagrams on avian carriers. 1. April 1990 (Brieftauben, englisch).

[Cerf/Cain-1] Vinton G. Cerf, Edward Cain: The DoD Internet Architecture Model. (PDF; 866 kB) Pennsylvania State University, 1983, abgerufen am 6. Juli 2013 (englisch).

[2] RFC 1661 – The Point-to-Point Protocol (PPP). Juli 1994 (englisch).

[3] D. Waitzman: RFC 1149 – Standard for the transmission of IP datagrams on avian carriers. 1. April 1990 (Brieftauben, englisch).

[1]

[2]

[3]