Archiv für den Monat Mai 2012

Protokollfamilien

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Prof. Dr. Christoph Meinel

Zur Kommunikation müssen sich – übrigens nicht nur im Falle der digitalen Kommunikation in Rechnernetzen – alle kommunizierenden Parteien auf gemeinsame feste Regeln zum Austausch von Nachrichten einigen. Dies betrifft sowohl die zur Kommunikation verwendete Sprache, als auch alle Verhaltensregeln, die eine effiziente Kommunikation erst ermöglichen. Diese Verhaltensregeln werden in der Fachsprache mit dem Begriff Kommunikationsprotokoll oder Protokoll zusammengefasst. Ein Kommunikationsprotokoll legt sowohl das Format der von den Kommunikationspartnern auszutauschenden Nachrichten fest und spezifiziert auch sämtliche Aktionen, die zur Übermittlung dieser Nachrichten notwendig sind. Im Falle der Kommunikation in Rechnernetzen heißt die Software, mit der das Netzwerkprotokoll auf einem Rechner implementiert wird, Protokoll-Software. Während die Entwicklung der ersten Rechnernetze vornehmlich nur die beteiligte Hardware fokusierte und die Protokollsoftware nur als zweitrangig angesehen wurde, hat sich diese Strategie grundlegend verändert. Protokollsoftware ist heute sehr komplex hochgradig strukturiert. Anstelle ein riesiges, komplexes und universelles Netzwerkprotokoll bereitzustellen, das sämtliche anfallenden Aufgaben der Netzwerk- Kommunikaton regelt, wurde das Problem der Netzwerk-Kommunikation nach dem Prinzip ”Teile-und-Herrsche“ (divide et impera, divide and conquer) in eine Vielzahl einzeln handhabbarer Teilprobleme zerlegt, zu deren Lösung jeweils eigene problemspezifische (Teil-)Protokolle bereitgestellt werden.

Die verschiedenen Teilprobleme werden jeweils von speziellen Protokollen abgehandelt, die aber – und dies ist das zweite zu lösende, in seiner Komplexität nicht zu unterschätzende Problem – alle reibungslos ineinandergreifen und zusammenarbeiten müssen. Um dieses Zusammenspiel zu gewährleisten, wird die Entwicklung der Protokoll-Software als eine umfassend zu lösende Gesamtaufgabe angesehen und durch die Bereitstellung einer zusammengehörigen Familie von Protokollen (Protokollstapel, Protocol Suites) gelöst, in der alle Einzelprotokolle effizient miteinander interagieren und im Zusammenspiel das Gesamtproblem der Netzwerk- Kommunikation lösen.

Zwar besitzen die unterschiedlichen Protokollfamilien viele gemeinsame Konzepte, doch da sie in der Regel unabhängig voneinander entwickelt wurden, sind sie nicht kompatibel. Dennoch ist es möglich, verschiedene Protokollfamilien gleichzeitig und parallel auf den Rechnern eines Netzwerks einzusetzen, und diese alle sogar dieselbe physikalische Netzschnittstelle nutzen zu lassen, ohne dass es dabei zu Störungen kommt.

Der Begriff ” Protokoll“ wird üblicherweise in zwei unterschiedlichen Bedeutungen verwendet. Einerseits bezieht sich der Begriff des Protokolls auf die Definition einer abstrakten Schnittstelle (Interface). Dazu zählen sämtliche Funktionen und Operationen, die über diese Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Andererseits werden unter dem Protokollbegriff sämtliche zur Kommunikation ausgetauschten Nachrichtenformate und deren Bedeutung zusammengefasst. Die Definition des Protokolls – die Protokollspezifikation – erfolgt meist in einer Kombination aus spezifizierendem Text, Abbildungen, Zustandsübergangsdiagrammen und Algorithmen in Pseudocode. Die Spezifikation muss so präzise sein, dass unterschiedliche Implementationen der Protokolle interoperabel sind, dass also zwei der verschiedenen Implementationen erfolgreich Nachrichten austauschen können.

Kommunikationsprotokolle und Schichtenmodell

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Widmen wir uns zunächst kurz den Grundlagen der Rechnerkommunikation. Die Hardware eines Computernetzwerkes setzt sich aus Komponenten zusammen, deren Aufgabe darin besteht, Informationen kodiert in Form von Bits von einem Rechner zu einem anderen zu übertragen. Würde man die Rechnerkommunikation ausschließlich auf dieser Ebene organisieren wollen, wäre das vergleichbar mit der Programmierung eines Rechners in einer rudimentären Maschinensprache, d.h. unter ausschließlicher Verwendung von Nullen und Einsen. Dadurch würde der notwendige Aufwand und die damit einhergehende Komplexität der zu bewältigenden Aufgaben praktisch unbeherrschbar. Ähnlich wie in der Rechnerprogrammierung wurden deshalb zur Steuerung und Nutzung von Rechnernetzen komplexe Softwaresysteme – sogenannte Netzwerkbetriebssysteme – geschaffen, mit deren Hilfe Rechnernetze auf bequemere Art und Weise von einer höheren Abstraktionsebene aus, gesteuert und genutzt werden können.

Diese Netzwerkbetriebssysteme basieren auf der Idee, Kommunikationsaufgaben und -funktionen in unterschiedlicher Abstraktion und Komplexität zu behandeln. Dabei werden Aufgaben und Funktionalität des gleichen Abstraktionslevels gebündelt in sogenannten Schichten betrachtet. Aufeinander aufbauend werden so unterschiedliche Schichten definiert, die mit zunehmenden Abstraktionsgrad unterschiedlich komplexe Kommunikationsaufgaben abhandeln und dem Benutzer oder einer Computeranwendung über geeignete Schnittstellen zur Verfügung stellen. Das entstehende Modell wird als Schichtenmodell der Kommunikation bezeichnet. Die auf den unterschiedlichen Schichten agierenden Kommunikationsprotokolle greifen über die im Schichtenmodell beschriebenen Schnittstellen ineinander und bieten gemeinsam als Familie von Kommunikationsprotokollen (Protokollfamilie, Protocol Suite) ein funktionstüchtiges Netzwerkbetriebssystem.

Der Nutzer, wie auch die meisten Anwendungsprogramme, die über das Netzwerk kommunizieren, um Daten auszutauschen und Dienste anzubieten, kommen lediglich mit diesem Netzwerkbetriebssystem in Kontakt und nur äußerst selten mit der darunter verborgenen Netzwerk-Hardware.

Internet Research Task Force – IRTF

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In einem weiteren Reorganisationsschritt des IAB wurde 1998 zusätzlich die Internet Research Task Force (IRTF), das Forschungsgegenstück zur IETF als eigenständige Organisation unter dem Dach des IAB ins Leben gerufen. Die IRTF koordiniert längerfristige Forschungsaktivitäten rund um die TCP/IP-Protokollsuite und ist für die Entwicklung der Internet-Architektur im allgemeinen zuständig. Ebenso wie die IETF wird die IRTF durch einen auf jeweils zwei Jahre vom IAB ausgewählten Chairman geleitet. Innerhalb der IRTF existiert eine steuernde Gruppe, die Internet Research Steering Group (IRSG), die aus dem IRTF Chairman, den Leitern der jeweiligen Forschungsgruppen und zusätzlichen, speziell ausgewählten Expertenn besteht. Die Aufgaben der IRSG bestehen darin, die jeweils aktuellen Forschungsprioritäten festzulegen und die zu leistenden Forschungstätigkeiten zu koordinieren und zu leiten. Zusätzlich zu ihren Leitungsaufgaben veranstaltet die IRSG verschiedene Workshops, in deren Fokus jeweils aktuell für die Entwicklung des Internets bedeutsame Forschungsthemen stehen oder in denen Forschungsprioritäten aus Perspektive des Internets diskutiert werden. Im Gegensatz zur IETF ist die IRTF aber zur Zeit viel kleiner und weniger aktiv, da viele Forschungsaktivitäten auch von der IETF selbst wahrgenommen werden. Derzeit arbeiten die folgenden IRTF-Forschungsgruppen:

  • Anti-Spam Research Group
  • Crypto Forum Research Group
  • Delay-Tolerant Networking Research Group
  • End-to-End Research Group
  • Host Identity Protocol (HIP)
  • Internet Measurement Research Group
  • IP Mobility Optimizations Research Group
  • Network Management Research Group
  • Peer-to-Peer Research Group
  • Routing Research Group Charter
  • Transport Modeling Research Group
  • Internet Congestion Control Research Group
  • Scalable Adaptive Multicast Research Group
  • End Middle End Research Group

Weiterführende Informationen zu Organisation und Arbeitsweise der IRTF sind in RFC 2014 ”IRTF Research Group Guidelines and Procedures“ dargelegt.

Internet Engineering Task Force – IETF

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Die Internet Engineering Task Force (IETF) ist eine der beiden wichtigsten Organisationen, die unter dem Dach des IAB arbeiten. Die Aufgabe der IETF liegt in der Lösung von kurz- bis mittelfristigen Problemen zur technischen Weiterentwicklung des Internets, um dessen Funktionsweise zu verbessern. Im Gegensatz zur eher forschungsorientierten Internet Research Task Force (IRTF), kümmert sich die IETF um die kurzfristig zu lösenden Probleme des Internets, insbesondere um die Standardisierung der im Internet eingesetzten Kommunikationsprotokolle. Zu den Aufgaben zählt die Erarbeitung von hochqualitativen, relevanten technischen Dokumentationen für die Internetprotokolle. Die IETF ist eine offene, internationale Vereinigung von Freiwilligen, in der sowohl Netzwerktechniker, Hersteller, Netzbetreiber und Forscher als auch Internetanwender mitwirken. Eine Mitarbeit steht jedem Interessierten offen. Es existiert keine förmliche Mitgliedschaft oder Mitgliedsvoraussetzung. Als lose Organisation besitzt die IETF keine Rechtsform und ist daher formell unter dem Dach der Internet Society (ISOC) tätig.

Logo der Internet Engineering Task Force

Die IETF existierte bereits als eine der zum ICCB, dem Vorgänger des IAB, gehörenden Task Forces. Ihre Arbeitserfolge gaben mit den Ausschlag zur Reorganisation des IAB. Anders als die anderen Task Forces, die meist nur aus wenigen Spezialisten bestehen, die zusammen an einem bestimmten Problem arbeiten, war die IETF von Anfang an sehr groß und ihre zahlreichen Mitglieder bearbeiteten viele Probleme gleichzeitig. Sie wurde deshalb in über 20 Arbeitsgruppen unterteilt, die sich jeweils einem bestimmten Problem widmeten. Die Arbeitsgruppen hielten ihre eigenen Treffen ab, um entsprechende Problemlösungen zu formulieren, die sie dann in den regulären Treffen der IETF vorstellten, wo deren Aufnahme in das Internet-Standard-Werk diskutiert wurde. An den IETF-Treffen nahmen oft Hunderte von Personen teil. Die Task Force wurde zu groß, um noch erfolgreich von einem einzelnen Chairman geleitet zu werden. Auf Grund ihrer großen Bedeutung wurde die IETF nach der Reorganisation der IAB zwar beibehalten aber in einzelne Arbeitsgruppen unterteilt. Jede Arbeitsgruppe wird von einem ernannten Vorsitzenden geleitet und verfügt über eine eigene Charta, die die Ziele der Arbeitsgruppe festschreibt und vorgibt, wann welche Dokumente produziert werden sollen. Die IETF-Arbeitsgruppen widmen sich derzeit den folgenden acht Bereichen (Areas):

  • Internet-Anwendungen (Applications)
  • Allgemeines (General)
  • Internet Dienste (Internet)
  • Betrieb und Netzmanagement (Operations and Management)
  • Echtzeitanwendungen und Infrastruktur (Real-Time and Infrastructure)
  • Routing
  • Sicherheit (Security)
  • Transport- und Anwenderdienste (Transport and User Services)

Die Arbeitsgruppen diskutieren ihre jeweiligen Themen per E-Mail über offene Mailinglisten und üblicherweise finden dreimal im Jahr so genannte IETF-Meetings statt, in denen dann persönlich diskutiert werden kann. Nach Beendigung der Arbeit an einem Thema wird die Arbeitsgruppe wieder aufgelöst. Die einzelnen Arbeitsgruppen gehören entsprechend ihrem Themengebiet zu bestimmten Bereichen (Areas). Jeder Bereich wird von einem eigenen Area Director betreut, zu dessen Aufgabe es zählt, die Vorsitzenden der zu dem Area gehörenden Arbeitsgruppen zu ernennen. Der IETF Chairman und die Area Directors bilden die Internet Engineering Steering Group (IESG), die für die Koordinierung der Arbeit in den Arbeitsgruppen Sorge trägt und für den Gesamtbetrieb der IETF verantwortlich ist.

Zu den Aufgaben der IESG zählt weiter auch die Begutachtung und eventuell sich anschließende Genehmigung neuer offizieller Protokollstandards. Zudem entscheidet die IESG auch in Streitfällen darüber, ob ein grober Konsens innerhalb einer Arbeitsgruppe erreicht wurde. Auch die Entscheidung über die Einrichtung neuer Arbeitsgruppen obliegt der Beurteilung durch die IESG. Der Ablauf ist dabei üblicherweise folgender: Zuerst diskutieren interessierte Teilnehmer mit einem Area Director über ein neues Thema. Ein solches erstes Treffen gleichgesinnter Interessenten wird als Birds of a feather-Treffen (BOF) bezeichnet und kann während eines IETF-Meetings abgehalten werden. Im Rahmen eines BOFs werden dann die Probleme diskutiert, welche durch die neu einzurichtende Arbeitsgruppe gelöst werden sollen, und erste Vorschläge für eine Charta dieser neuen Arbeitsgruppe erarbeitet. BOF-Treffen können durchaus auch mehrfach stattfinden, bis klar geworden ist, ob sich genügend Freiwillige zur Gründung einer neuen Arbeitsgruppe finden. Organisation und Arbeitsweise des IETF wurden in mehreren Standarddokumenten (RFCs) festgelegt:

  • RFC 3233 ”Defining the IETF“
  • RFC 3935 ”A Mission Statement for the IETF“
  • RFC 4677 ”The Tao of IETF – A Novice’s Guide to the Internet Engineering Task Force“

Das Internet Architecture Board – IAB

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Logo des Internet Architecture Board

Das Internet Architecture Board (IAB) – vormals Internet Activities Board oder auch Internet Advisory Board – ging 1983 aus dem von der ARPA reorganisierten Internet Control and Configuration Board (ICCB) hervor. Hauptanliegen des IAB ist es, die Weiterentwicklung des Internet zu lenken. Das bedeutet unter anderem, dass das IAB dafür zuständig ist, festzulegen, welche neuen Protokolle notwendig sind und welcher offiziellen Politik gefolgt werden soll, wenn es um deren Einführung und die Weiterentwicklung des Internet geht. Die ursprüngliche Idee war es hier, die Hauptverantwortlichen für die Entwicklung der Internet-Technologie zusammenzubringen, den Gedankenaustausch unter ihnen zu fördern und gemeinsame Richtlinien und Forschungsziele festzulegen und zu verfolgen. Bis zur ersten großen Reorganisation des IAB im Jahre 1989 erwuchs aus der zunächst ARPA-zentrierten Forschungsgruppe eine autonom handelnde Institution. 1989 hatten sich das Internet und die damit verbundene TCP/IP-Technologie weit über das ursprünglichen Forschungsprojekts hinaus entwickelt. Hunderte von Firmen arbeiteten an TCP/IP-bezogenen Produkten und neue Standards ließen sich schon lange nicht mehr von heute auf morgen festlegen und umsetzen. Der kommerzielle Erfolg der Internettechnologie machte eine Reorganisation des Lenkungsgremiums IAB notwendig, um den veränderten politischen und kommerziellen Bedingungen Rechnung zu tragen. Die Rolle des Vorsitzenden wurde neu definiert: die Wissenschaftler wanderten vom eigentlichen Board in zugeordnete Unterstützungsgruppen ab, und das neue IAB Board wurde aus Repräsentanten der neu zusammengesetzten Internet-Gemeinde gebildet.

Das IAB setzt sich aus etwa zehn so genannten Internet Task Forces (ITF) zusammen, die sich alle mit jeweils unterschiedlichen Problemen rund um das Internet befassen. Die beiden bedeutendsten Task Forces sind dabei die Internet Engineering Task Force (IETF) und die Internet Research Task Force (IRTF). Das IAB organisiert Hauptversammlungen, auf denen die ITFs ihre jeweiligen Status-Reports abliefern, technische Spezifikationen prüfen, verbessern und die jeweilige Politik festgelegen. Der Vorsitzende des IAB, der so genannte Chairman, hat die Aufgabe, aus Vorschlägen technische Direktiven zu machen, und die Arbeiten der verschiedenen ITFs zu organisieren. Er richtet auf Anregung der IAB-Mitglieder neue ITFs ein und repräsentiert das IAB nach außen. Allerdings – und das mag überraschen – verfügte das IAB niemals über große finanzielle Mittel. Angehörige des IAB sind in der Regel Freiwillige, die für die jeweiligen ITFs wiederum freiwillige Mitarbeiter werben, die meist aus dem universitären oder industriellen Bereich der Internet-Forschung stammen. Die freiwillige Mitgliedschaft zahlt sich allerdings für die Mitwirkenden aus, da sie zum Einen die Möglichkeit bietet, stets über die aktuellsten Trends und Technologien gut unterrichtet zu sein, und andererseits aktiv an der Ausgestaltung des Internets mitwirken zu können.

Zu den Aufgaben des IAB zählt vor allen Dingen auch die Überwachung des Standardisierungsprozesses, wofür ein spezieller RFC Editor ernannt wird. Desweiteren ist das IAB für die Verwaltung der Zuweisung von Protokollparameterwerten durch die Internet Assigned Numbers Authority (IANA) zuständig.

Wegweiser durch die Welt des Internets

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Map of the Internet

Map of the Internet

Das Internet als Netz der Netze wird nicht von einer Zentralstelle aus gesteuert, sondern ist fast vollständig dezentral konzipiert und organisiert, eine Leitstelle oder zentrale Instanz, die die Organisation und Einhaltung von Standards überwacht und ein Funktionieren garantiert, sucht man vergebens. Da seine internationalen Verflechtungen jedoch unterschiedlichste Kommunikationsinfrastrukturen mit einschließen, ist eine interne Lenkung und Standardisierung unverzichtbar. So regulieren international zusammengesetzte Nonprofit-Organisationen im Zusammenspiel mit der gesamten Internet-Gemeinde die technische Organisation in Form eines offenen Standardisierungsprozesses. Basiskomponente dieses Prozesses ist der so genannte Request for Comments (RFC), in dem die Spezifikation eines neuen Standards vorgeschlagen wird. Im Zuge seiner Festschreibung durchläuft der vorgeschlagene Standard verschiedene Entwicklungsstufen, deren Fortschritt in der Verantwortung der steuernd eingreifenden Organisationen liegt.

Der Kitt, der das Netz der Netze zusammenhält, besteht in einer Reihe von zum Teil sehr alten Standards rund um den Austausch von Daten und Dateien über physikalische Netzwerkgrenzen hinweg. Die beiden wichtigsten Normen des Internet sind das Internet Protocol (IP) und das Duo Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP). Diese sorgen für den Transport von Daten von einem Endpunkt in einem Netz zu einem anderen in einem (möglicherweise) anderen Netz. Weitere Standards regeln den Austausch elektronischer Post, die Aufbereitung von WWW-Seiten oder auch Aufbau und Funktionsweise von Internet-Adressen. All diese Standards sind dafür verantwortlich, dass Millionen von Menschen tagtäglich trotz unterschiedlichster Hardwarevoraussetzungen über das Internet miteinander kommunizieren können. Das Internet ist, trotz seiner dezentralen Strukturen und verteilten Verantwortlichkeiten, in technischer Hinsicht straff und zum Teil sogar hierarchisch durchorganisiert.

Organigramm der Internet Verwaltungsgremien

Wer aber setzt diese Standards? Und wer trägt Sorge für deren Einhaltung, die weitere Entwicklung und den Betrieb des Internets? Es gibt dazu eine Reihe von Organisationen, die für die Belange des Internets und seine Weiterentwicklung weltweit Sorge tragen.Die wichtigsten dieser Organisationen sowie deren speziellen Aufgaben werden hier in Kürze vorgestellt werden.