Ein Paket durch den Stack verfolgen

Um die Schichten anschaulich zu machen, verfolgen wir eine einzelne Nachricht von einem Computer zu einem anderen. Wir beobachten, wie die Daten den Stapel des Senders nach unten, durch das Netzwerk und den Stapel des Empfängers nach oben durchlaufen. Die vollständige Reise verbindet Verkapselung, Adressierung und Routing zu einem verständlichen Ablauf und zeigt, welchen Beitrag jede Schicht leistet.

Alles beginnt auf dem sendenden Computer in der Anwendungsschicht. Nehmen wir an, ein Browser erstellt eine Anfrage für eine Webseite. Diese unverarbeiteten Daten sind die ursprüngliche Nachricht und enthalten noch keine Netzwerk-Header. Die Anwendung übergibt sie an die Transportschicht, damit die Übertragung beginnen kann. Von hier an verpackt jede Schicht die Daten, während sie in Richtung Netzwerk nach unten wandern.

Die Transportschicht fügt einen Header mit Portnummern hinzu, damit die Daten den richtigen Dienst erreichen. Bei TCP fügt sie außerdem Sequenznummern hinzu, um eine zuverlässige Übertragung zu ermöglichen. Die Daten sind nun ein Segment. Bei Bedarf teilt die Transportschicht große Daten in mehrere Segmente auf. Anschließend wird jedes Segment zur Adressierung an die Internetschicht übergeben.

Die Internetschicht verpackt das Segment mit einem IP-Header, der die Quell- und Ziel-IP-Adressen enthält, und bildet daraus ein Paket. Diese IP-Adressen bleiben vom Anfang bis zum Ende unverändert und identifizieren den ursprünglichen Sender und den endgültigen Empfänger. Das Paket weiß nun, welches Gerät es letztendlich erreichen muss, unabhängig davon, wie viele Netzwerke dazwischenliegen.

Die Link-Schicht verpackt das Paket in einen Frame mit der MAC-Adresse des nächsten Geräts im lokalen Netzwerk sowie einem Trailer zur Fehlerprüfung. Der Frame wird in Signale umgewandelt und über das Medium gesendet. Beachten Sie, dass die Ziel-MAC-Adresse nur zum nächsten Hop und nicht zum endgültigen Gerät gehört. Das ist ein wichtiges Detail dieser Reise.

Wenn sich das Ziel in einem anderen Netzwerk befindet, wird der Frame zuerst an den Router (das Standardgateway) gesendet. Der Router empfängt den Frame, entfernt ihn, liest die IP-Adresse im Paket und entscheidet, wohin er ihn als Nächstes weiterleitet. Anschließend erstellt der Router einen neuen Frame mit einer neuen Ziel-MAC-Adresse für den nächsten Hop. Das Paket bleibt erhalten, der Frame wird neu erstellt.

Dieses Muster wiederholt sich an jedem Router entlang des Pfads. Bei jedem Hop wird der Frame mit neuen MAC-Adressen für den jeweiligen lokalen Link neu erstellt, während das Paket und seine IP-Adressen unverändert bleiben. Die Verpackung der Link-Schicht ändert sich also ständig, die Adressierung der Netzwerkschicht gilt jedoch durchgehend von Ende zu Ende. Das Paket wandert von Router zu Router, bis es das Zielnetzwerk erreicht.

Wenn das Paket das endgültige Netzwerk erreicht, stellt das letzte Gerät den Frame dem Zielcomputer zu. Nun beginnt die Entkapselung. Der Empfänger bewegt die Daten in seinem Stapel nach oben; jede Schicht liest und entfernt dabei ihren eigenen Header. Die Reise nach unten beim Sender wird durch die Reise nach oben beim Empfänger gespiegelt.

Die Link-Schicht prüft den Frame auf Fehler und entfernt ihn, um das Paket freizulegen. Die Internetschicht bestätigt die Ziel-IP-Adresse und entfernt den IP-Header. Die Transportschicht liest den Port, sortiert Segmente bei Bedarf neu, setzt sie wieder zusammen und übergibt die bereinigten Daten nach oben. Jede Schicht macht genau das rückgängig, was ihre entsprechende Schicht beim Sender getan hat.

Schließlich erhält die Anwendungsschicht auf dem Empfänger die ursprünglichen Daten, also die Webanfrage, genau so, wie der Sender sie erstellt hat. Der empfangende Dienst verarbeitet sie und sendet eine Antwort, die denselben Weg in umgekehrter Richtung nimmt. Die Nachricht hat das Netzwerk durchquert, und für die Anwendungen wirkt es einfach so, als hätten sie direkt miteinander kommuniziert.

Eine Nachricht wandert im Stapel des Senders nach unten und erhält dabei einen Transport-Header (Segment), einen IP-Header (Paket) und einen Link-Header (Frame). Sie durchquert Router, an denen der Frame bei jedem Hop neu erstellt wird, während das Paket unverändert bleibt. Anschließend wandert sie im Stapel des Empfängers nach oben, während jeder Header entfernt wird. Dieser Weg nach unten, durch das Netzwerk und wieder nach oben ist der Ablauf jeder Netzwerkkommunikation.

Was bleibt gleich und was ändert sich bei jedem Hop, wenn ein Paket Router durchquert?

Verfolgen wir ein Paket: Beim Sender wandern die Daten nach unten und werden zu einem Segment (Ports), einem Paket (Ende-zu-Ende-IP-Adressen) und einem Frame (MAC-Adresse des nächsten Hops). An jedem Router wird der Frame mit neuen MAC-Adressen neu erstellt, während das Paket und die IP-Adressen unverändert bleiben. Am Ziel wandern die Daten nach oben, während jede Schicht ihren Header entfernt und die ursprüngliche Nachricht an die Anwendung übergibt. Nach unten, durch das Netzwerk, nach oben.