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Definition Was ist ein Netzwerk-Protokoll?

Netzwerk-Protokolle regeln den Datenaustausch in Computernetzen. Sie definieren die erforderlichen Regeln für Aufgaben wie das Adressieren von Datenpaketen, die Vermittlung von Datenpaketen, den Transport von Datenpaketen, den Verbindungsaufbau oder die Fehlerüberprüfung. Wichtige Netzwerk-Protokolle für das Internet sind in der IP-Protokollfamilie zu finden.

(© aga7ta - Fotolia )

Mit Hilfe eines Netzwerk-Protokolls lassen sich Daten zwischen Computern über ein Netzwerk austauschen. Es beinhaltet Regeln, Abläufe und Definitionen, in welchem Format die Daten zu übertragen sind und wie sie von der Quelle zum Ziel gelangen.

Je nach Protokoll kann die Datenübertragung in verschiedenen Formen wie verbindungsorientiert, verbindungslos, gesichert oder ungesichert erfolgen. Damit der Datenaustausch gelingt, müssen die beteiligten Stationen die gleichen Netzwerk-Protokolle verstehen und verwenden. Für die Kommunikation ist in der Regel ein Zusammenspiel mehrerer Netzwerk-Protokolle erforderlich. Sie erfüllen jeweils unterschiedliche Aufgaben.

Um für eine Struktur der verschiedenen Protokolle zu sorgen, sind sie gemäß ihren Aufgaben in verschiedenen Schichten (Layer) organisiert. Jedes Protokoll gehört einer bestimmten Schicht an und übernimmt spezifische Aufgaben dieser Schicht. Die Protokolle der höheren Schichten greifen auf die Protokolle der tieferen Schichten zu. Der Layer 3 im ISO/OSI-Schichtenmodell (Netzwerkschicht) regelt beispielsweise das Routing im Netz.

Im Internet und in privaten oder öffentlichen IP-Netzwerken sind die Netzwerkprotokolle der IP-Protokollfamilie für den Datenaustausch verantwortlich. Für viele Netzwerkanwendungen stellen sie eine Art Quasi-Standard dar. Wichtige Inhalte der Netzwerk-Protokolle sind die Adressierung, das Routing, das Format von Datenpaketen, der Transport von Datenpaketen, der Verbindungsauf- und -abbau oder die Fehlerüberprüfung und Sicherung der Übertragung.

Für die unterschiedlichen Netzwerke und Aufgaben gibt es neben standardisierten Protokollen auch proprietäre, herstellerspezifische Netzwerk-Protokolle. Ihr Einsatz ist auf bestimmte Netzumgebungen, Produkte, Geräte oder Betriebssysteme beschränkt.

Die Organisation der Netzwerk-Protokolle in verschiedenen Schichten

Wie schon beschrieben sind die Netzwerk-Protokolle entsprechend ihrer Aufgaben verschiedenen Schichten zugeordnet. Es existieren Protokolle, die für den Austausch der Daten auf der Hardware-Ebene zuständig sind, aber auch Protokolle für den Austausch auf Anwendungsebene. Die Funktionen der einzelnen Protokolle bauen aufeinander auf. So stellen beispielsweise Transportprotokolle die Grundlagen zur Verfügung, damit Anwendungsprotokolle funktionieren. Durch diese hierarchische Struktur der Protokolle ist sichergestellt, dass höhere Ebenen über unterschiedliche Systeme problemlos kommunizieren können. Das Anwendungsprotokoll verwendet dann das jeweils für das System gültige Transportprotokoll.

In der IP-Welt stellt das Internet Protokoll die Regeln für die Adressierung auf. Höhere Protokolle wie das Transmission Control Protocol (TCP) verwenden die Adressierung für die Übermittlung der Daten. Anwendungsprotokolle wie HTTP, POP, IMAP, SMTP oder FTP nutzen wiederum Transportprotokolle wie TCP oder UDP.

Zu den typischen Aufgaben eines Netzwerk-Protokolls zählen:

  • Verbindungsaufbau zwischen den beteiligten Rechnern
  • zuverlässige Zustellung der Datenpakete an den gewünschten Empfänger
  • Routing der Datenpakete durch das Netzwerk
  • Festlegung des Datenformats
  • Festlegung der Adressierung und des Adressformats
  • Sicherstellung der fehlerfreien Übertragung der Datenpakete
  • Sicherstellen der richtigen Reihenfolge ankommender Datenpakete
  • Verhindern des unbefugten Zugriffs auf Daten durch Verschlüsselung
  • Verhindern der Manipulation von Daten beispielsweise durch elektronische Signaturen

Die verschiedenen Arten der Netzwerk-Protokolle

Je nach Art des Netzwerkes und der angeschlossenen Endgeräte oder Systeme existiert eine Vielzahl an verschiedenen Netzwerkprotokollen. Für die unterschiedlichen Netze und Kommunikationsformen sind unterschiedliche Protokolle definiert. Es gibt Protokolle, die Daten an einzelne Empfänger (Unicast-Protokolle), mehrere Empfänger (Multicast-Protokolle) oder alle Stationen (Broadcast-Protokolle) übermitteln. Auch der Weg des Datenstroms ist ein wichtiges Merkmal, um Netzwerk-Protokolle voneinander zu unterscheiden.

Bei Simplex-Protokollen ist eine Station nur Sender und die andere Station nur Empfänger. Vollduplex-Protokolle ermöglichen den gleichzeitigen Datenaustausch der beteiligten Stationen in beide Richtungen. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der Netzwerk-Protokolle ist die Hierarchie der verbundenen Rechner. Unterschiedliche Protokolle übernehmen die Aufgaben der Datenübermittlung in Client-Server- oder Peer-to-Peer-Strukturen.

Sender und Empfänger von Daten können über die Protokolle synchronisiert oder asynchron Daten übertragen. Weitere Arten von Netzwerk-Protokollen sind verbindungslose und verbindungsorientierte Protokolle. Verbindungsorientierte Protokolle sorgen für den definierten Auf- und Abbau einer Verbindung für den Zeitraum der Kommunikation. Verbindungslose Protokolle verzichten auf Verbindungen und müssen weitere Mechanismen zur Sicherung der Datenübertragung implementieren oder in höheren Schichten übertragen.

Die Internet-Protokollfamilie

In modernen IP-Netzwerken und im Internet bestimmen die Protokolle der Internetprotokollfamilie die Datenkommunikation. Es existieren in der IP-Welt über 500 unterschiedliche Protokolle für die verschiedenen Aufgaben und Anwendungen. Die Internetprotokolle legen beispielsweise die Richtlinien für die Adressierung und das Routing fest und können in LAN- oder WAN-Umgebungen zum Einsatz kommen. Alle gängigen Betriebssysteme wie Windows, Linux, MacOS, Android oder iOS unterstützen den IP-Protokollstapel und ermöglichen den Endgeräten die Kommunikation über IP-Netze.

Im Netzwerk sind Komponenten wie Router erforderlich, die die Netzwerk-Protokolle für die Adressierung, die Wegfindung und die Zustellung der Datenpakete sowie weitere IP-Protokolle wie TCP oder UDP beherrschen. Eine wichtige Rolle unter den IP-Protokollen nehmen TCP (Transmission Control Protocol) und UDP (User Datagram Protocol) ein. Sie sind für den verbindungsorientierten oder verbindungslosen Transport der Daten zuständig. TCP garantiert über Parameter wie Sequenznummern und Prüfsummen einen zuverlässigen Transport der Daten. UDP ist für das schnelle, verbindungslose Übertragen kleinerer Datenmengen optimiert und verzichtet auf eigenen Sicherungsmechanismen.

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