Wir haben bislang zwei von vier Schichten des TCP/IP-Referenzmodells kennengelernt. Wir haben gesehen, wie sich eine Hierarchie aus Abstraktionsschichten bildet, die Ordnung schafft und klare Verantwortungen zuweist. Höhere Schichten verlassen sich darauf, dass die Schichten darunter korrekt implementiert wurden.

Es gibt ein generelles, abstraktes 7-Schichtenmodell für die Netzwerkkommunikation (das OSI-Modell). Wir lernen hier das in der Praxis nützlichere TCP/IP-Referenzmodell, das das OSI-Modell (links) auf vier Schichten zusammenfasst (Mitte).

Transportschicht

Das Transmission Control Protocol (TCP)

Mit dem Internetprotokoll können wir grundsätzlich bereits Pakete zwischen zwei Computern auf dem ganzen Planeten hin- und herschicken. Das ist toll, aber:

• Wie bauen wir eine Verbindung auf, die über mehrere Pakete hinweg bestehen bleibt?
• Wenn eine Datei in Teile zerstückelt wird, wie wissen wir, dass wir am anderen Ende alle Teile erhalten und wieder richtig zusammengesetzt haben?
• Wenn mehrere Programme auf einem Computer Daten verschicken und empfangen können, wie stellen wir sicher, dass die richtigen Programme ihre Daten empfangen?

Das sind Probleme, die das Transmission Control Protocol (TCP) löst. Es regelt die grundlegenden Operationen der Verbindung: Verbindungsaufbau, Datenaustausch, Zustellung ans richtige Programm, und ein geregeltes Verbindungsende.

Am sichtbarsten für Nutzer ist TCPs Art, den Netzwerkverkehr verschiedener Programme auf demselben Computer zu unterscheiden. Bei unserer Postanalogie ist die Idee ähnlich dem Namen über einer Adresse: Mit der Adresse (IP) haben wir das richtige Haus (Gerät/Host) gefunden, nun müssen wir die richtige Person (Programm) in diesem Haus finden.

Marc Chéhab
Lehrerstrasse 3
8000 Zürich

TCP nutzt dazu nicht die Namen der Programme, sondern sogenannte Ports. Das sind 2-Byte-lange Nummern (also von 0 bis 65’535), die verschiedene Türen an Ihrem Computer sein könnten. Um über einer dieser Ports Daten zu senden oder zu empfangen, steht ein Programm quasi in die Tür und reserviert diesen Port.

Die Portnummern können Sie frei bestimmen, aber folgende Regeln gelten im Internet:

• 0-1023 sind reserviert für etablierte Anwendungen wie HTTPS (Webserver), SMTP/POP (Email), SSH (Kommandozeile), etc.
• 1024-49151 sind für Server-Applikationen vorgesehen (z.B. ein Game-Server),
• 49152-65535 sind für Client-Applikationen vorgesehen (z.B. ein Browser oder Game-Client).

UDP - verbindungslose Übertragung (optional)

Im Vergleich zu TCP ist das Protokoll UDP einfacher: Es merkt sich keine Verbindung und verifiziert auch nicht, ob Pakete angekommen sind. UDP ermöglicht so eine schnelle, verbindungslose Kommunikation, da es keine Handshakes für Verbindungsbestätigungen durchführt. Es ist ideal für Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit wichtiger ist als Zuverlässigkeit, wie z.B. Live-Streaming oder Online-Spiele. UDP bietet keine Garantie für die Reihenfolge der Pakete, sie können in beliebiger Reihenfolge ankommen.

UDP kennt einzig Ports und eine Art, um fehlerhafte Pakete zu erkennen.

Server-Client-Verbindung

Die meisten Netzwerkverbindungen werden zwischen einem Server-Programm und einem Client-Programm aufgebaut.

• Das Server-Programm läuft immer und wartet, bis jemand mit ihm eine Verbindung aufbauen will. Ein Webserver wie informatikgarten.ch läuft immer, egal ob Sie gerade hier sind oder nicht. Es steht immer in den Ports 443 (reserviert für HTTPS) und 80 (reserviert für das alte, unverschlüsselte HTTP).
• Ein Client-Programm läuft nicht immer und baut dann eine Verbindung mit dem Server auf, wenn er benötigt wird. Ihr Internet-Browser, in dem Sie diese Webseite anschauen, ist ein Client-Programm. Wenn Sie informatikgarten.ch aufrufen, wählt der Browser automatisch irgendeinen Port im Client-Bereich und nutzt ihn für die Verbindung mit dem Webserver informatikgarten.ch. Sobald Sie den Browser schliessen, beendet der Browser die Verbindung und damit den Port - aber der Server läuft natürlich weiter.

Die Anwendungsschicht

Mit diesem Beispiel sind wir bereits in der Anwendungsschicht. Die ersten drei Schichten des TCP/IP-Modells lösen die gesamte Verbindungslogik für die Programme, die eine Verbindung für eine gewisse Anwendung aufbauen wollen. Die Programme müssen sich also nicht mehr um die grundlegende Logik der Netzwerkverbindung kümmern.

Nun gibt es viele verschiedene Anwendungen: Schauen Sie eine Webseite an? Ein Videocall? Ein Multiplayer-Spiel? All das sind Anwendungen, die definieren müssen, was für Informationen sie wie austauschen. Mehr müssen Sie sich dazu nicht merken.

Wir schauen uns zwei Beispiele an, aber wir konzentrieren uns auf die unteren drei Schichten!

Beispiel 1: HTTP/HTTPS

HTTP oder HTTPS regelt, wie Dateien und Informationen einer Webseite zwischen Ihrem Webbrowser (Client) und einem Webserver (Server) ausgetauscht werden.

HTTP steht dabei für “Hypertext Transfer Protokoll”. HTTPS ist dasselbe, einfach verschlüsselt (S für “Secure”). Beide nutzen TCP/IP um Webseiten (sogenannten Hypertext, z.B. HTML) im Internet austauschen.

Ein Paket, das Ihr Webbrowser an den Server sendet, könnte dann so aussehen:

Achten Sie auf die Transport-Ebene und die Port-Nummern:

• Für einen Webserver mit HTTP ist standardmässig Port 80 reserviert, für HTTPS wäre es Port 443.
• Der Webbrowser (Client) hat sich einfach einen zufälligen Client-Port ausgesucht und hat 53’152 erwischt.

Beispiel 2: DHCP (optional)

Eine weitere Anwendung, die für Sie tagtäglich gute Dienste verrichtet, ist DHCP. Das ist das Protokoll, das Sie gebrauchen, um automatische IP-Adressen zu erhalten.

Aber Moment! Wie können Sie etwas verschicken und erhalten bevor Sie eine IP-Adresse haben?

Die Antwort ist folgende: Im lokalen Netzwerk kann man allein mit der Netzzugangsschicht und der Broadcast-MAC-Adresse FF:FF:FF:FF:FF:FF theoretisch alle Geräte im Netzwerk erreichen. Als IP nutzen wir die “netzwerklose” Broadcast-Adresse 255.255.255.255, und als Absender nichts (0.0.0.0). Und wir nutzen UDP, weil wir ohne IP sowieso keine TCP-Verbindung aufbauen könnten.

Wenn Sie Ihren Computer an ein unbekanntes Netzwerk hängen und keine IP-Adresse vorkonfiguriert ist, verschickt er also folgendes Paket ans gesamte Netzwerk:

1. Diese Nachricht, genannt “Discover”, geht theoretisch an alle Geräte im lokalen Netzwerk.
2. Typischerweise existiert ein DHCP-Server im Netzwerk, der diese Nachricht erhält und ebenfalls über diese Broadcast-Adressen eine IP-Adresse anbietet (eine “Offer”). Die Offer beinhaltet je nach Anfrage Subnetmaske, Gateway, DNS-Serveradressen, Reservationszeitraum (Lease-Time), etc.
3. Ihr Computer sollte dann überprüfen, ob die offerierte IP-Adresse tatsächlich frei ist. Falls ja, beansprucht er über Broadcast diese Adresse beim DHCP-Server (“Request”).
4. Der DHCP-Server bestätigt zum Schluss, dass Sie die Adresse immer noch haben dürfen und reserviert die IP-Adresse für Sie.

Diesen Austausch habe ich bei mir zuhause mit einem Netzwerk-Paket-Sniffer aufgezeichnet:

Abschliessender Überblick