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TCP/IP Begriffserklärung und Definition

tcp-ipAnfang 1970 entstand aus der Entwicklung von der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) die Suche nach einer neuen Übertragungstechnik. Die Arbeit an terrestrischen Datenübertragungen und satellitengebundenen Netzwerkpaketen wurde durch die Inkompatibilität untereinander eingeschränkt. Die physikalische Struktur der Netzwerke ist nicht das eigentliche Problem beim Datenaustausch der verschiedenen Netzwerke gewesen. Die unterschiedlichen Protokolle (Sprachen) der Netzwerke behinderten den Datenaustausch. Die IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) gaben im Mai 1974 ein Protokoll für die gegenseitige Paket-Netzwerkverbindung bekannt. Der Hintergrund war eine Paketübertragung unabhängig von der physikalischen Struktur von einem Netzwerk. Die Protokolle TCP/IP wurden durch die DARPA auf den verschiedenen Hardware-Plattformen weiter entwickelt bis zu der noch heute gültigen Version IPv4.

Die Auswirkungen von TCP/IP

Die großen Netzwerkanbieter versuchten, ihr eigenes Protokoll zur Datenübertragung und Datensicherheit zu implementieren. Novell Netware basierte auf dem IPX/SPX Protokollen. Das IPX (Internetwork Packet Exchange) ist mit dem IP-Protokoll zu vergleichen. Beide Protokolle sind der Vermittlungsschicht vom OSI-Modell zuzuordnen. Das SPX (Sequenced Packet eXchange) ist der Transportschicht vom OSI-Modell angegliedert. Es kann in der grundlegenden Funktion mit dem TCP-Protokoll verglichen werden. Ende 1980 bis Mitte 1990 war der Einfluss von Novell in der Netzwerktechnik prägnant. Microsoft Windows mit dem eigenen NetBEUI-Protokoll oder Apple mit dem Apple Talk Protokoll konnten in den großen Netzwerken keinen durchgreifenden Erfolg verzeichnen. Erst mit dem Einsatz von TCP/IP und der damit verbundenen Kompatibilität der einzelnen Betriebssysteme untereinander konnte ein heterogenes Netzwerk transparent verwaltet werden. Mobile Telefone können aufgrund ihrer Identifizierung (IP-Adresse) über Satelliten kommunizieren. Die Steuerungstechnik im eigenen Haus ermöglicht den Zugriff auf den Fernseher, Licht, Alarmanlage und jedem Gerät, das eine IP-Adresse besitzt über das iPhone.

Die Funktionsweise von TCP/IP

TCP (Transmission Control Protocol) ist dafür zuständig, wie die Daten zwischen den Computern ausgetauscht werden sollen. Die Zuverlässigkeit von dem Protokoll beinhaltet, das alle Daten vollständig und in der richtigen Reihenfolge beim Empfänger ankommen. Ein Duplikat von den gesendeten Daten existiert nicht. Damit diese Punkte erfüllt werden können, erhält der Versender eine Empfangsbestätigung. Er stellt eine Verbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger her. Die Daten können in beide Richtungen transportiert werden. Zur eigentlichen Datenübertragung wird das Datenvermittlungsverfahren eingesetzt. Bei der Datenvermittlung enthält jedes Datenpaket den Sender, Empfänger und die Länge von dem Paket. Die Paketlaufnummer und die Klassifizierung von dem Paket ermöglichen einen dynamischen Weg durch das Netzwerk über verschiedene Knotenpunkte. Dass TCP Protokoll arbeitet im Vollduplexverfahren. Das bedeutet die Daten können gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden ohne das ein Datenstrom beeinträchtigt wird. Der Vorteil dieser Übertragungsmethode ist nicht nur die schnelle Reaktion auf eine Änderung der Knotenpunkte im Netz, ein Fehler im Paket würde sofort durch eine Nachricht erkannt werden. Eine DSL-Leitung arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Der Anwender kann im Internet „surfen“ und gleichzeitig ein Fax versenden. Die Koordination wird durch einen Protokollstack von dem Betriebssystem übernommen. Die Grundlage einer TCP-Verbindung ist die eindeutige Identifikation der jeweiligen Endpunkte. Jeder Endpunkt (Sender und Empfänger) enthält eine IP-Adresse und einen Port. Der Port unterscheidet mehrere Verbindungen zum gleichen Endpaar. Ein Anwender kann Daten von einem Server herunterladen und gleichzeitig von demselben Server eine andere Anfrage starten. Die Datenpakete werden durch den unterschiedlichen Port unterschieden. TCP wurde entwickelt, die Datenintegrität zu gewährleisten. Die Fehler der Protokolle in den unteren Schichten vom OSI-Modell werden von TCP mittels einer Prüfsumme im Paketkopf bereinigt. Die Sequenznummer im TCP-Paket gewährleistet die richtige Reihenfolge der Pakete beim Empfänger. Wenn keine Bestätigung (Acknowledgement) beim Sender innerhalb einer festgelegten Zeitspanne eingegangen ist, wird das Senden wiederholt. Der Empfänger setzt die erneut gesendeten Daten in der korrekten Reihenfolge zusammen und sendet ein Acknowledgement.
Das Internet Protokoll (IP) ist für die Identifikation der einzelnen Geräte in einem Netzwerk zuständig. Es wird der dritten Schicht vom OSI-Modell der Vermittlungsschicht (Network Layer) zugeordnet. Das Protokoll ist verbindungslos. Erst durch das TCP Protokoll wird eine verbindungsorientierte Datenübertragung erreicht. IP ist in der Vermittlungsschicht das erste Protokoll, das unabhängig vom Übertragungsmedium arbeitet. Die zugeordnete IP-Adresse ist nicht physikalisch mit dem Gerät verbunden. Sie wird benutzt damit ein Gerät (Computer, Server, Router usw.) in Subnets (logische Gruppen) unterteilt werden kann. Das IP-Protokoll sendet einzelne Pakete über das Netzwerk. Die Pakete können unterschiedliche Wege in dem Netzwerk gehen, um ihren Empfänger zu erreichen. Die Router leiten die einzelnen Pakete anhand ihrer Informationen im Header (Kopfteil vom Datenpaket) weiter. Das Ziel von dem dynamischen Weiterleiten (Routing) ist einen möglichst schnellen Weg durch das Netz zu finden. Die Kontrolle über den korrekten Dateninhalt kann nur in Verbindung mit dem TCP Protokoll erreicht werden. In der TCP/IP Protokollfamilie werden noch weitere Protokolle wie das ICMP (Internet Control Messaging Protocol) mit eingebunden.

TCP/IP der Version IPv4 und IPv6

Die noch gültige Version IPv4 ist in 4 Blöcken mit jeweils 8 Bit aufgeteilt. Die IP Adressvergabe wird offiziell in drei Klassen unterteilt. Die Klasse A ist in dem Bereich 10.0.0.0 – 10.255.255.255 angegeben. Klasse B entspricht dem Bereich 172.16.0.0 – 172.31.255.255. Die Klasse C Adressen sind 192.168.0.0 – 192.168.255.255 zugeordnet. Insgesamt stehen 2³² IP Adressen zur Verfügung. Dezimal entspricht das einem Wert von 4 294 967 296 Adressen. Diese unendlich große Zahl war 1981 bei der Entwicklung von dem Protokoll ausreichend. Den Netzwerklassen A, B und C sind einer Subnet zugeordnet, die das Netzwerk identifiziert indem die IP Adressen vergeben sind. Klasse A entspricht 255.0.0.0, B ist 255.255.0.0 und die Klasse C ist mit 255.255.255.0 angegeben. Diese Unterteilung ist notwendig, damit die Computer in einem Netzwerksegment miteinander kommunizieren können. Bei örtlich getrennten Netzwerken wird ein Router die Netzwerkadressen weiterleiten und dem entsprechenden Empfänger unabhängig von der Netzwerkklasse zuordnen. Das DHCP ((Dynamic Host Control Protocol) ordnet, die IP Adressen automatisch zu ohne das der Administrator die Adressen manuell eintragen muss. Ein NAT (Network Adress Translation) Router sorgt für eine statische oder dynamische Zuordnung der Adressen im Internet. Der DNS (Domain Name Server) löst den Namen der Domain in die gewünschte IP-Adresse auf, die über DHCP gesteuert wird.
Ab dem Jahr 1995 konnten die IPv4 Adressen nur über Subnet und Hypersubnets vergeben werden. Die Lösung ist das neue IPv6 mit 2¹²³ Adressen, das 1998 von der RFC offiziell als Nachfolger bekannt gegeben wurde. In dezimal entspricht der Wert 340 Sextillionen möglichen Adressen. Die Adressen werden in acht Blöcke mit 4 Hexadezimalstellen dargestellt, die durch einen Doppelpunkt getrennt sind. Eine mögliche Adresse ist 2001:2B33:4db4:d2003:a1002:aab5:2001:3ab5. Eine Änderung zu IPv4 ist, das IPv6 die Kopfdaten im IP Paket vereinfacht hat, um ein schnelles Routing zu gewährleisten. DHCP wird bei großen Netzwerken nicht mehr benötigt. Mit einer Autokonfiguration kann ein Host automatisch eine Internetverbindung aufbauen. Die verschiedenen Netzwerksegmente lesen die Routertabellen der benachbarten Router und weist dem Host eine link-lokale Adresse zu. Ein Broadcast der Router ermittelt die Hardwareadressen der Computer, die mit einem Unicast antworten können. Durch dieses Verfahren werden doppelte Adressen vermieden. Die Authentifizierung der IP Pakete ist möglich. Ein NAT-Router wird nicht mehr benötigt.



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