Die physischen Teile eines Computernetzwerks allein zusammenzubauen, reicht nicht aus, um es zum Funktionieren zu bringen; Verbundene Geräte erfordern auch eine Kommunikationsmethode. Diese Kommunikationssprachen werden Netzwerkprotokolle genannt.
Zweck von Netzwerkprotokollen
Ohne Protokolle würden Geräte nicht in der Lage sein, die elektronischen Signale zu verstehen, die sie einander über Netzwerkverbindungen senden. Netzwerkprotokolle dienen diesen Grundfunktionen:
- Adressdaten an die richtigen Empfänger.
- Daten physisch von der Quelle zum Ziel übertragen, bei Bedarf mit Sicherheitsschutz.
- Nachrichten empfangen und Antworten entsprechend senden.
Betrachten Sie einen Vergleich zwischen Netzwerkprotokollen damit, wie ein Postdienst mit physischer Papierpost umgeht. So wie die Post Briefe von vielen Quellen und Zielen verw altet, sorgen Netzwerkprotokolle dafür, dass Daten kontinuierlich auf vielen Wegen fließen.
Im Gegensatz zu physischer Post bieten Netzwerkprotokolle jedoch erweiterte Funktionen. Dazu gehören die Zustellung eines konstanten Nachrichtenflusses an ein Ziel (als Streaming bezeichnet) und das automatische Erstellen von Kopien einer Nachricht zur gleichzeitigen Zustellung an mehrere Ziele (als Broadcasting bezeichnet).
Gängige Typen von Netzwerkprotokollen
Es gibt kein einziges Protokoll, das alle Funktionen unterstützt, die jedes Computernetzwerk benötigt. Dennoch dient jeder als Schlüssel, der ein bestimmtes Netzwerkgerät oder einen bestimmten Dienst entsperrt. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Netzwerkprotokolle erfunden, von denen jedes versucht, bestimmte Arten von Netzwerkkommunikation zu unterstützen.
Die drei grundlegenden Merkmale, die einen Protokolltyp von einem anderen unterscheiden, sind:
- Simplex vs. Duplex: Bei einer Simplex-Verbindung kann nur ein Gerät in einem Netzwerk übertragen. Duplex-Netzwerkverbindungen ermöglichen es Geräten, Daten über dieselbe physische Verbindung zu senden und zu empfangen.
- Verbindungsorientiert oder verbindungslos: Ein verbindungsorientiertes Netzwerkprotokoll tauscht (ein Prozess, der als Handshake bezeichnet wird) Adressinformationen zwischen zwei Geräten aus, die es ihnen ermöglichen, ein Gespräch zu führen (sogenannte eine Sitzung). Verbindungslose Protokolle liefern einzelne Nachrichten von einem Punkt zum anderen, ohne Rücksicht auf ähnliche Nachrichten, die davor oder danach gesendet wurden (und ohne zu wissen, ob Nachrichten erfolgreich empfangen wurden).
- Layer: Netzwerkprotokolle arbeiten typischerweise in Gruppen zusammen (genannt Stacks, weil Diagramme Protokolle oft als übereinander gestapelte Kästchen darstellen). Einige Protokolle funktionieren auf niedrigeren Ebenen und sind eng damit verbunden, wie verschiedene Arten von drahtlosen oder Netzwerkkabeln physisch funktionieren. Andere arbeiten auf höheren Ebenen, die mit der Funktionsweise von Netzwerkanwendungen verknüpft sind, und einige arbeiten auf Zwischenebenen dazwischen.
Die Familie der Internetprotokolle
Die allgemein gebräuchlichen Netzwerkprotokolle gehören zur Familie der Internetprotokolle. IP ist das Basisprotokoll, das es Heimnetzwerken und anderen lokalen Netzwerken ermöglicht, über das Internet miteinander zu kommunizieren.
IP eignet sich gut zum Verschieben einzelner Nachrichten von einem Netzwerk in ein anderes. Es unterstützt nicht das Konzept einer Konversation (eine Verbindung, über die ein Nachrichtenstrom in eine oder beide Richtungen übertragen werden kann). Das Transmission Control Protocol (TCP) erweitert IP um diese Fähigkeit einer höheren Schicht. Da Punkt-zu-Punkt-Verbindungen im Internet unerlässlich sind, werden die beiden Protokolle gepaart und als TCP/IP bezeichnet.
TCP und IP arbeiten in den mittleren Schichten eines Netzwerkprotokollstapels. Gängige Anwendungen im Internet haben manchmal ihre Protokolle zusätzlich zu TCP/IP implementiert. Das HyperText Transfer Protocol wird weltweit von Webbrowsern und Servern verwendet. TCP/IP wiederum läuft auf untergeordneten Netzwerktechnologien wie Ethernet. Andere beliebte Netzwerkprotokolle der IP-Familie sind ARP, ICMP und FTP.
Wie Netzwerkprotokolle Pakete verwenden
Das Internet und die meisten anderen Datennetzwerke funktionieren, indem sie Daten in kleine Stücke organisieren, die Pakete genannt werden. Um die Kommunikationsleistung und -zuverlässigkeit zu verbessern, wird jede große Nachricht, die zwischen zwei Netzwerkgeräten gesendet wird, oft durch die zugrunde liegende Hardware und Software in kleinere Pakete unterteilt. Diese Paketvermittlungsnetzwerke erfordern, dass Pakete gemäß den vom Netzwerk unterstützten Protokollen auf bestimmte Weise organisiert werden. Dieser Ansatz funktioniert gut mit der Technologie moderner Netzwerke, da diese Daten in Form von Bits und Bytes (digitale Einsen und Nullen) verarbeiten.
Jedes Netzwerkprotokoll definiert Regeln, wie seine Datenpakete organisiert werden müssen. Da Protokolle wie das Internetprotokoll oft in Schichten zusammenarbeiten, können einige Daten, die in ein für ein Protokoll formatiertes Paket eingebettet sind, das Format eines anderen verwandten Protokolls haben (eine Methode, die als Kapselung bezeichnet wird).
Protokolle unterteilen normalerweise jedes Paket in drei Teile: Header, Payload und Footer. Einige Protokolle, wie IP, verwenden keine Fußzeilen. Paket-Header und -Footer enth alten die Kontextinformationen, die zur Unterstützung des Netzwerks erforderlich sind, einschließlich der Adressen der sendenden und empfangenden Geräte. Payloads enth alten die zu übertragenden Daten.
Kopf- oder Fußzeilen enth alten oft spezielle Daten, um die Zuverlässigkeit und Leistung von Netzwerkverbindungen zu verbessern, wie z. B. Zähler, die die Reihenfolge verfolgen, in der Nachrichten gesendet wurden, und Prüfsummen, die Netzwerkanwendungen helfen, Datenkorruption oder -manipulation zu erkennen.
Wie Netzwerkgeräte Protokolle verwenden
Die Betriebssysteme von Netzwerkgeräten beinh alten eingebaute Unterstützung für einige niedrigere Netzwerkprotokolle. Alle modernen Desktop-Computer-Betriebssysteme unterstützen beispielsweise Ethernet und TCP/IP. Viele Smartphones unterstützen Bluetooth und Protokolle aus der Wi-Fi-Familie. Diese Protokolle stellen eine Verbindung zu den physischen Netzwerkschnittstellen eines Geräts her, wie z. B. seinen Ethernet-Ports und Wi-Fi- oder Bluetooth-Funkgeräten.
Netzwerkanwendungen unterstützen die übergeordneten Protokolle, die mit dem Betriebssystem kommunizieren. Ein Webbrowser übersetzt beispielsweise Adressen wie https://lifewire.com/ in HTTP-Pakete, die die Daten enth alten, die ein Webserver empfangen und die richtige Seite zurücksenden kann. Das empfangende Gerät ist dafür verantwortlich, einzelne Pakete wieder zur ursprünglichen Nachricht zusammenzusetzen, indem es die Kopf- und Fußzeilen entfernt und die Pakete in der richtigen Reihenfolge verkettet.
