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TCP/IP

TCP/IP ist eine Protokoll-Familie für die Vermittlung und den Transport von Datenpaketen in einem dezentral organisierten Netzwerk. Es wird im LAN (Local Area Network) und im WAN (Wide Area Network) verwendet. Der Erfolg des Internets ist zum großen Teil auch den Protokollen rund um TCP/IP zu verdanken.

Schicht Dienste und Protokolle
Anwendung Anwendungen
Transport TCP - Transmission Control Protocol
Internet IP - Internet Protocol
Netzzugang Übertragungssystem

Die Abkürzung TCP/IP steht für die beiden Protokolle Transmission Control Protocol (TCP) und Internet Protocol (IP).
Das Internet Protocol (IP) ist auf der Vermittlungsschicht (Schicht 3) des OSI-Schichtenmodells angeordnet. Das Transmission Control Protocol (TCP) ist auf der Transportschicht (Schicht 4) des OSI-Schichtenmodells angeordnet. Innerhalb des DoD-Schichtmodells bildet TCP/IP das Rückgrad für alle Kommunikationsverbindungen.

Aufgaben und Funktionen von TCP/IP

Die zentrale Aufgabe von TCP/IP ist dafür Sorgen zu tragen, dass Datenpakete innerhalb eines dezentralen Netzwerks beim Empfänger ankommen. Dafür stellt TCP/IP die folgenden zentralen Funktionen bereit.

Die Besonderheiten und Probleme der paketorientierten Datenübertragung sind sehr vielfältig und erfordern deshalb spezielle Lösungen und Funktionen, die an dieser Stelle nicht alle berücksichtigt werden. Die folgende Darstellung und Beschreibung ist also nur eine Auswahl der wichtigsten Funktionen.

Logische Adressierung / Logical Addressing (IP)

In einem einfachen, lokalen Netzwerk empfängt jeder Netzwerk-Adapter jedes Datenpaket. Das ist dann der Fall, wenn sich prinzipbedingt alle Netzwerk-Teilnehmer das Übertragungsmedium teilen müssen (z. B. bei WLAN oder Ethernet). Bei Netzwerken mit wenigen Teilnehmern ist das eine praktikable Lösung. Doch in einem Netzwerk mit vielen Tausend oder sogar Millionen Teilnehmern ist das wenig sinnvoll. Ob ein Datenpaket seinen richtigen Empfänger erreicht, wäre dann dem Zufall überlassen.
Deshalb bedarf es einer Möglichkeit das Netzwerk physikalisch (Topologie) und logisch (Adressierung) zu strukturieren. Innerhalb von TCP/IP übernimmt IP die logische Adressierung von Netzwerken und deren Teilnehmern. Dabei gelangen Datenpakete nur in das Netz, in das sie gehören. Die Verfahren der Adressierung sind zum Beispiel fest definierte Netzklassen, Subnetting und CIDR.

Wegfindung / Routing (IP)

Während die logische Adressierung durch IP dafür sorgt, dass ein großes Netzwerk in Segmente geteilt wird, sorgt Routing als eine Art Wegfindung dafür, dass ein Datenpaket sein Ziel über die einzelnen Netzwerk-Segmente erreicht. Für jedes einzelne Datenpaket wird in jedem Netzknoten auf dem Weg vom Sender zum Empfänger, der nächste Netzknoten ermittelt. Auf diese Weise findet ein Datenpaket den Weg zu seinem Empfänger, auch wenn der in einem unbekannten Netzwerk-Segment liegt.

Fehlerbehandlung und Flussteuerung / Error and Flow Control (TCP)

Durch TCP stehen Sender und Empfänger ständig in Kontakt zueinander (Verbindungsmanagement). Obwohl es sich eher um eine virtuelle Verbindung handelt, werden während der Datenübertragung ständig Kontrollmeldungen ausgetauscht, weshalb man von einer verbindungsorientierten Kommunikation spricht. Wird ein Fehler festgestellt, wird das betreffende Datenpaket erneut übertragen.
Zusätzlich ist eine Daten-Flusssteuerung notwendig, um die verfügbare Übertragungsgeschwindigkeit auszunutzen. Weil es im Internet für eine Ende-zu-Ende-Verbindung keinen exklusiven Kanal mit fester Übertragungsgeschwindigkeit gibt, bedarf es hier einer automatischen Anpassung.

Anwendungsunterstützung / Application Support (TCP)

Ähnlich wie Rechner mit IP-Adressen in Netzwerken adressiert werden, bedarf es einer Unterscheidung der Kommunikationsverbindungen zwischen spezifischen Anwendungen, die gemeinsam auf einem Rechner laufen. TCP- und UDP-Ports (Nummern) bilden eine Software-Abstraktion, um spezifische Anwendungen und deren Kommunikationsverbindungen voneinander unterscheiden zu können.

Namensauflösung / Name Resolution (DNS)

In einem TCP/IP-Netzwerk werden Verbindungen zwischen den Netzwerk-Teilnehmern mit IP-Adressen aufgebaut. Eine IP-Adresse hat ursprünglich die binären Form bzw. Schreibweise und ist damit eine Folge von 1en und 0en, mit denen elektronische Schaltungen und digitale Programme arbeiten. Zur besseren Lesbarkeit werden IP-Adressen in der dezimalen (IPv4) oder hexadezimalen (IPv6) Schreibweise dargestellt. Doch weder die Bitfolge, noch eine andere Schreibweise sind für das menschliche Gehirn einfach zu erfassen und zu merken. Der Mensch verwendet lieber Namen um eine Sache zu benennen und zu identifizieren. Deshalb werden statt IP-Adressen eher Namen zur Adressierung auf der Anwendungsebene verwendet. Damit eine Verbindung auf IP-Ebene möglich ist, ist eine Namensauflösung notwendig. Gemeint ist, dass zu einem Computer- oder Domain-Namen eine zugehörige IP-Adresse ermittelt werden muss. Man bezeichnet das als Namensauflösung.

Vorteile von TCP/IP

TCP/IP hat mehrere entscheidende Vorteile. Jede Anwendung ist mit TCP/IP in der Lage über jedes Netzwerk Daten zu übertragen und auszutauschen. Dabei ist es egal, wo sich die Kommunikationspartner befinden. Das Internet Protocol (IP) sorgt dafür, dass das Datenpaket sein Ziel erreicht und das Transmission Control Protocol (TCP) steuert die Datenübertragung und sorgt für die Zuordnung von Datenstrom und Anwendung.

Für die Anwendungen soll die Art und Weise der physikalischen und logischen Datenübertragung keine Rolle spielen. Der Anwender soll sich auch nicht um Verbindungsaufbau und -abbau kümmern müssen. So lange der Anwender eine korrekte Adresse kennt, wird sich TCP/IP um den Verbindungsaufbau, -abbau und die Übertragung zum Ziel kümmern. Ganz egal welche Anwendung oder welcher Übertragungsweg verwendet wird.

Nachteile von TCP/IP

Allerdings ist TCP/IP alles andere als eine effiziente Methode um Daten zu übertragen. Die Daten werden in kleine Datenpakete aufgeteilt. Damit der Empfänger eines Datenpakets weiß, was er damit machen soll, wird dem Datenpaket ein Kopfdatensatz, der als Header bezeichnet wird, vorangestellt. Pro Datenpaket ergibt sich ein Verwaltungsanteil von mindestens 40 Byte pro TCP/IP-Datenpaket. Nur wenn Datenpakete von mehreren kByte gebildet werden, bleibt der Verwaltungsanteil im Vergleich zu den Nutzdaten (Payload) gering.

Wenn die Anwendung bestimmte Anforderungen an das Übertragungssystem stellt, dann lässt sich das nur sehr schwer zu realisieren. Die systeminterne Kommunikation zwischen Anwendung und Übertragungssystem über TCP/IP hinweg ist nicht vorgesehen.
Auch lässt sich ein koordiniertrn Austausch von Verbindungsqualität und -anforderungen zwischen Netzknoten nur sehr schwer netzüberbreifend realisieren. Es gibt zwar Quality of Service (QoS). Doch das ist optional und erfordert die Kontrolle über das Netzwerk, was in einem dezentral organisierten Netzwerk, wie dem Internet, nicht vorgesehen ist.

Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Netzneutralität. Die Netzneutralität fordert, dass jedes Paket gleich behandelt wird. Das hat den Nachteil, dass bestimmte Datenpakete nicht priorisiert werden können. Das hat wiederum die Konsequenz, dass bestimmte Anwendungen im Internet mit TCP/IP nicht gut funktionieren.

IP - Internet Protocol

Das Internet Protocol, kurz IP, hat maßgeblich die Aufgabe, Datenpakete zu adressieren und in einem verbindungslosen paketorientierten Netzwerk zu vermitteln (Routing). Dazu haben alle Hosts und Endgeräte eine eigene IP-Adresse. Die IP-Adresse dient nicht nur zur Adressierung einzelner Hosts, sondern ganzer Netze. Beim IP-Routing geht es nicht darum, Datenpakete an bestimmte Hosts zu schicken, sondern die Pakete ins richtige Netzwerk zu leiten.
Man unterscheidet zwischen IPv4 und dem Nachfolger IPv6.

TCP - Transmission Control Protocol

In der TCP/IP-Protokollfamilie übernimmt TCP, als verbindungsorientiertes Protokoll, die Aufgabe der Anwendungszuordnung, der Daten-Flusssteuerung und ergreift Maßnahmen bei einem Paketverlust. Die Funktionsweise von TCP besteht darin, die Dateien oder den Datenstrom von den Anwendungen entgegen zu nehmen, aufzuteilen, mit einem Header zu versehen und an das Internet Protocol (IP) zu übergeben.
Beim Empfänger werden die Datenpakete in die richtige Reihenfolge gebraucht, wieder zusammengesetzt und der richtigen Anwendung übergeben. Die Zuordnung erfolgt über eine Port-Nummer. Durch die Ports ist es möglich, dass mehrere Anwendungen gleichzeitig Verbindungen zu unterschiedlichen Kommunikationspartnern aufbauen können.
Der kleine Bruder von TCP ist UDP, das ein abgespecktes Transport-Protokoll ist.

Weitere wichtige Protokolle der TCP/IP-Protokollfamilie

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