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Netzzugangsschicht – Elementare Aufgaben

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Prof. Dr. Christoph Meinel

Während in der physikalischen Schicht lediglich elektrische, elektromagnetische oder optische Signale zwischen zwei oder mehreren beteiligten Kommunikationspartnern ausgetauscht werden, betrachtet man auf der Netzzugangsschicht des TCP/IP-Referenzmodells die Kommunikation bereits auf einer abstrakteren, logischen Ebene, losgelöst von der physikalischen Ebene. Folgen von Bits – logische Nullen und Einsen – werden zu größeren Einheiten zusammengefasst und versendet.
Die Netzzugangsschicht wird in unterschiedlichen Netzwerktechnologien implementiert, angefangen von sogenannten Personal Area Networks (PANs), die nur das direkte, persönliche Umfeld auf wenige Meter Entfernung miteinander vernetzen,
über die weitverbreiteten lokalen Netzwerke (Local Area Networks, LANs) zur Vernetzung von Gebäuden und ausgedehntere Metropolitan Area Networks (MANs) zur Vernetzung ganzer Städte, bis hin zu globalen Weitverkehrsnetzwerken (Wide
Area Networks, WANs).

Die Netzzugangsschicht (Link Layer, Data Link Layer, Sicherungsschicht) ist die unterste Schicht des TCP/IP-Referenzmodells. Sie setzt direkt auf dem physikalischen Übertragungsmedium (Physikalische Schicht) auf, das selbst nicht Teil des TCP/IP-Referenzmodells ist. Während die physikalische Schicht lediglich Bitfolgen in physikalische Signale übersetzt, die entlang eines physikalischen Übertragungsmediums versendet werden,besteht die Hauptaufgabe der Netzzugangsschicht darin, diese Bitfolgen zu strukturierten Einheiten (Datenpakete, Datagramme, Rahmen, Frames) zusammenzufassen (Framing) und diese zwischen zwei (benachbarten) Endsystemen entlang eines Kommunikationskanals auszutauschen. Die Datenpakete werden dabei mit Zusatzinformationen versehen, die eine korrekte Übertragung unterstützen, wie z.B. Prüfsummen zur einfachen Fehlererkennung (Fehlerbehandlung). Die auf der Netzzugangsschicht verwendeten Datenpakete werden üblicherweise
als Rahmen (Frames) bezeichnet. Die kommunizierenden Endsysteme können entweder direkt durch ein Übertragungsmedium miteinander verbunden sein oder an einen sogenannten Bus (Diffusionsnetzwerk, Broadcast Netzwerk) angeschlossen sein, der mehrere Endsysteme direkt, also ohne Zwischensysteme miteinander verbindet. Protokolle, die die Kommunikation auf der Netzzugangsschicht implementieren, definieren das Format der Rahmen, die zwischen den kommunizierenden Endsystemen ausgetauscht werden, und bestimmen die zum Senden und Empfangen der Rahmen notwendigen Aktionen. Zusätzlich muss die Netzzugangsschicht dafür sorgen, dass langsame Empfänger nicht von schnellen Sendern mit Daten überflutet
werden. Diese Regulierung des Datenflusses wird auch als Flusssteuerung (Flow Control) bezeichnet.

Die wichtigsten Aufgaben der Netzzugangsschicht bestehen also in:

  • 1. Bereitstellung einer definierten Dienstschnittstelle für höhere Protokollschichten,
  • 2. Reglementierung des Mehrfachzugriffs auf ein gemeinsam genutztes Kommunikationsmedium,
  • 3. Behandlung von Übertragungsfehlern (Fehlererkennung, Neuübertragung, Fehlerkorrektur, etc.) und
  • 4. Flusssteuerung.

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.

Prolog

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Teil 1 von 3

Computer und Internet gehören zu den ganz wenigen technologischen Entwicklungen in der Geschichte der Menschheit, die das Leben und Handeln der Menschen wirklich grundlegend verändert haben. Als Treiber der digitalen Revolution erweitern sie unsere gedankliche Mobilität in einem bisher unvorstellbaren Maße und befreien unseren geistigen Aktionsradius von (fast) jeglicher körperlicher Beschränkung. Gemeinsam mit den beiden anderen Bänden dieser Serie ”Grundlagender digitalen Kommunikation“ und ”Web-Technologien“ bietet dieser Band einen umfassenden und lehrreichen Führer durch die Welt der modernen, digitalen Kommunikation. Dabei bildet der vorliegende Band das eigentliche Herzstück der Serie, in dem die grundlegenden Technologien und Funktionsprinzipien der Kommunikationsinfrastruktur des Internets detailliert beschrieben werden.

Ein kurzer historischer Rückblick auf fast 50 Jahre Internetgeschichte bilden als Prolog den Auftakt zusammen mit einer Vorstellung der wichtigsten Akteure des globalen Internets und ihrer Aufgaben.

Die vom Internet bewältigten Kommunikationsaufgaben sind überaus komplex. Unterschiedliche Rechnerarchitekturen werden dem jeweiligen Bedarf vor Ort entsprechend in Netzen unterschiedlichster Dimension und Technologie zu einem virtuellen Kommunikationsnetz verbunden, wobei dem Benutzer stets der Eindruck vermittelt wird, dass das so entstandene Internet tatsächlich ein einheitliches und homogenes Gebilde ist. Um der mit dieser Herkulesaufgabe verbundenen Komplexität Herr zu werden, wurde ein hierarchisch modularer Ansatz in Form eines Kommunikationsschichtenmodells gewählt. Das birgt den Vorteil, dass die jeweils von den einzelnen Schichten zu bewältigenden Aufgaben in sich abgeschlossen sind und die Interaktion zwischen diesen Schichten über fest definierte Schnittstellen erfolgt. Kapitel 2 widmet sich diesem als TCP/IP-Referenzmodell bezeichneten Kommunikationsschichtenmodell und erläutert detailliert die allgemeinen Aufgaben und Funktionen der einzelnen Protokollschichten.

Im Anschluss reflektieren die weiteren Kapitel jeweils die unterschiedlichen Schichten des TCP/IP-Referenzmodells und stellen die auf diesen Schichten angesiedelten Kommunikationsprotokolle vor. Kapitel 3 startet mit der physikalischen Schicht. Obwohl sie nicht offizieller Bestandteil des TCP/IP-Referenzmodells ist, bildet sie die Basis, auf der das Internet aufsetzt. Vergleicht man einfache Situationsparameter, wie z.B. zu überbrückende Distanzen, Mobilität, technischer Aufwand oder Kosten, erfordern unterschiedliche Situationen auch unterschiedliche Technologien, die jeweils auf unterschiedlichen physikalischen Kommunikationsmedien und -infrastrukturen basieren. So thematisiert Kapitel 3 die theoretischen Grundlagen der Kommunikation mit elektromagnetischen Signalen und stellt unterschiedliche kabelgebundene und kabellose Technologievarianten vor.