Rechnernetze: Schichten, Adressen und Protokolle

Zwischen deinem Rechner und einem Server in Australien liegen Glasfaser, Funkstrecken, Kupferkabel, Dutzende Geräte verschiedener Hersteller und mehrere Länder mit unterschiedlichen Techniken.

Trotzdem kommt die Seite an, und zwar zuverlässig. Niemand hat je alle beteiligten Techniken aufeinander abgestimmt, und niemand könnte das.

Möglich wird das durch eine einzige Entwurfsentscheidung: Schichten. Sie ist der Grund, warum das Internet über fünfzig Jahre lang wachsen konnte, ohne je neu gebaut zu werden, und sie ist der eigentliche Inhalt dieses Kapitels.

Vorausgesetzt werden Sender-Empfänger-Modell, Client und Server, IP-Adresse und URL aus Wie das Internet arbeitet und Internetdienste.

Neu ist die Frage, warum das Netz so gebaut ist, wie es gebaut ist.

Ein Netz muss sehr Verschiedenes zugleich leisten: Bits über ein Kabel schicken, den Weg durch die halbe Welt finden, verlorene Daten wiederholen, unterscheiden, welches Programm gemeint ist, und ein Bild darstellen.

Man könnte das in einem einzigen großen Regelwerk unterbringen. Dann müsste aber jede Änderung an einer Stelle alles andere berücksichtigen. Ein neues Funkverfahren würde eine Änderung am Webbrowser erzwingen, und das ist offensichtlich unhaltbar.

Die Lösung ist die Schichtung: Jede Schicht erledigt eine Aufgabe, benutzt die Schicht unter sich und bietet der Schicht über sich einen festen Dienst an. Wie sie das intern macht, geht die Nachbarn nichts an.

Beim Senden durchläuft eine Nachricht die Schichten von oben nach unten, und jede fügt ihre eigenen Angaben als Kopfdaten hinzu:

Anwendung:   [ HTTP-Anfrage ]
Transport:   [ TCP | HTTP-Anfrage ]
Internet:    [ IP | TCP | HTTP-Anfrage ]
Netzzugang:  [ Ethernet | IP | TCP | HTTP-Anfrage ]

Beim Empfänger wird von unten nach oben wieder ausgepackt. Jede Schicht liest genau ihre eigenen Kopfdaten und reicht den Rest weiter.

🔴 Der Gewinn zeigt sich beim Ändern. Ein WLAN ersetzt ein Kabel, ohne dass HTTP davon erfährt. Ein neues Anwendungsprotokoll entsteht, ohne dass ein Router angepasst wird. Jede Schicht ist austauschbar, solange sie ihren Dienst nach oben unverändert anbietet. Genau dieser Gedanke steckt auch hinter der Kapselung in der Objektorientierung und hinter dem abstrakten Datentyp: außen die Zusage, innen die freie Umsetzung.

Eine IP-Adresse bezeichnet einen Anschluss im Netz. In der verbreiteten Fassung IPv4 sind das 32 Bit, geschrieben als vier Zahlen:

Jede der vier Zahlen steht für ein Byte, geht also von 0 bis 255. Damit gibt es $2^{32} \approx 4{,}3$ Milliarden Adressen, und genau deshalb wurden sie knapp; die Nachfolgefassung IPv6 benutzt 128 Bit.

Eine Adresse zerfällt in Netzanteil und Geräteanteil. Welcher Teil wie lang ist, sagt die Angabe hinter dem Schrägstrich:

Die 24 bedeutet: Die ersten 24 Bit sind der Netzanteil, hier also $\texttt{192.168.10}$; die restlichen 8 Bit bezeichnen das Gerät im Netz.

Damit erklärt sich die Arbeitsweise eines Routers. Er prüft für jedes Paket nur den Netzanteil der Zieladresse und entscheidet danach, über welche Leitung es weitergeht.

Beachte, was er dabei nicht tut: Er kennt nicht den ganzen Weg zum Ziel, sondern nur den nächsten Schritt. Er merkt sich auch nichts über frühere Pakete. Genau deshalb kommt er mit vergleichsweise kleinen Tabellen aus, obwohl es Milliarden Adressen gibt: Er muss nur Netze unterscheiden, nicht Geräte.

Daten werden nicht am Stück verschickt, sondern in Pakete zerlegt. Jedes trägt Absender, Ziel und eine laufende Nummer und findet seinen eigenen Weg. Beim Empfänger werden sie anhand der Nummern wieder zusammengesetzt.

Warum so? Die Alternative wäre, für jede Verbindung eine feste Leitung zu schalten, wie beim alten Telefonnetz. Die Paketvermittlung hat drei Vorteile:

Bessere Ausnutzung. Die Leitung wird nur belegt, wenn wirklich Daten fließen. In Denkpausen können andere sie nutzen. Ausfallsicherheit. Fällt eine Verbindung aus, nehmen die folgenden Pakete einen anderen Weg. Ein fest geschalteter Weg wäre unterbrochen. Kein Aufbau nötig. Ein Paket kann sofort losgeschickt werden.

Der Preis: Pakete können in falscher Reihenfolge ankommen, sich verzögern oder ganz verlorengehen. Die Internet-Schicht verspricht ausdrücklich nichts darüber; sie versucht nur ihr Bestes. Wer Zuverlässigkeit braucht, muss sie eine Schicht höher herstellen.

Genau das leistet die Transportschicht, und sie bietet zwei Möglichkeiten an.

TCP stellt eine zuverlässige Verbindung her:

• Es baut vor der Übertragung eine Verbindung auf.
• Es nummeriert Pakete und bringt sie beim Empfänger in die richtige Reihenfolge.
• Es lässt sich jedes Paket bestätigen und sendet unbestätigte erneut.
• Es drosselt die Senderate, wenn das Netz überlastet ist.

UDP verzichtet auf all das. Es schickt Pakete los, ohne Verbindung, ohne Bestätigung, ohne Wiederholung.

🔴 Die Wahl ist keine Frage von „besser", sondern der Anwendung. Bei einer Datei oder einer Webseite wäre ein einziges fehlendes Byte fatal → TCP. Bei einem Videogespräch ist ein verlorenes Einzelbild kaum bemerkbar, eine halbe Sekunde Verzögerung dagegen sehr wohl → UDP.

Das nachträgliche Wiederholen eines Bildes wäre bei einem laufenden Gespräch sogar schädlich: Bis es ankäme, wäre der Moment vorbei, und die Wiederholung würde die aktuellen Daten nur weiter verzögern.

Auf einem Rechner laufen viele Programme zugleich. Die IP-Adresse bezeichnet nur das Gerät; welches Programm gemeint ist, sagt die Portnummer.

Adresse und Port zusammen bezeichnen einen Endpunkt: $\texttt{93.184.216.34:443}$. Man kann sich die IP-Adresse als Hausnummer und den Port als Wohnungsnummer vorstellen.

Niemand merkt sich Zahlenkolonnen. Das DNS übersetzt Namen in IP-Adressen.

Es ist hierarchisch aufgebaut, und zwar von rechts nach links gelesen:

www . beispiel . de .
 │       │        │   └── Wurzel
 │       │        └────── Bereich "de"
 │       └─────────────── Bereich "beispiel"
 └─────────────────────── Rechner im Bereich

Der Ablauf einer Auflösung:

1. Der Rechner fragt seinen zuständigen DNS-Server. 2. Kennt der die Antwort nicht, fragt er einen Wurzelserver: „Wer ist für $\texttt{de}$ zuständig?" 3. Der $\texttt{de}$-Server nennt den für $\texttt{beispiel.de}$ zuständigen Server. 4. Dieser liefert die IP-Adresse von $\texttt{www.beispiel.de}$. 5. Die Antwort wird zwischengespeichert, damit die nächste Anfrage sofort beantwortet werden kann.

Warum die Hierarchie? Weil kein einzelner Server alle Namen der Welt kennen könnte, weder vom Speicher noch von der Last her. Die Aufteilung erlaubt außerdem, dass jeder Betreiber seine eigenen Namen selbst verwaltet, ohne eine zentrale Stelle zu fragen.

Der Zwischenspeicher hat allerdings eine Kehrseite: Ändert sich eine Adresse, dauert es, bis alle Zwischenspeicher die alte Angabe vergessen haben. Deshalb bekommt jede Antwort eine Gültigkeitsdauer mit.

Alles zusammen, wenn du eine Adresse eingibst:

1. DNS löst den Namen in eine IP-Adresse auf. 2. TCP baut eine Verbindung zu dieser Adresse auf Port 443 auf. 3. HTTPS verschlüsselt die Verbindung. 4. HTTP sendet die Anfrage. 5. Die Antwort wird in Pakete zerlegt, von IP durch das Netz geleitet, von TCP wieder zusammengesetzt. 6. Der Browser stellt die Seite dar.

Sechs Schritte, vier Schichten, mehrere Protokolle, und der ganze Vorgang dauert Bruchteile einer Sekunde.