Netzwerkprotokolle verstehen: Von der Physikalischen Schicht bis zu fortgeschrittener Arbitration

Jenseits der physischen Attribute eines Netzwerks – Signaltypen, Spannungspegel, Stecker-Pinouts, Verkabelung und Topologie – muss es eine klare, standardisierte Methode geben, um die Kommunikation zwischen mehreren Knoten zu managen, selbst in einem einfachen Zwei-Knoten-Punkt-zu-Punkt-Link.

Wenn ein Knoten sendet, legt er ein Signal auf die Verkabelung – sei es eine High-Low-Gleichspannung, ein modulierter AC-Träger oder optische Pulse in Glasfaser. Andere Knoten überwachen dieses Signal passiv. Wenn zwei oder mehr Knoten gleichzeitig senden, kollidieren ihre Ausgänge und korrumpieren den Datenstrom. Diese Kollision ist der Grund, warum ein disziplinierter Arbitrierungsmechanismus, ein Protokoll, essenziell ist.

Protokolle diktieren, wie und wann Knoten auf das geteilte Medium zugreifen können. Obwohl viele Protokolle existieren, dient jedes einer bestimmten Netzwerkarchitektur und einem Zweck. Nachfolgend ein Überblick über Schlüsselkonzepte und Beispiele.

OSI-Referenzmodell (ISO DIS 7498)

Die International Organization for Standardization definierte ein Sieben-Schichten-Modell zur Kategorisierung der für digitale Kommunikation erforderlichen Funktionen.

• Schicht 1 – Physikalisch: Spezifiziert elektrische und mechanische Details – Drahttyp, Steckerdesign, Signalpegel.
• Schicht 2 – Data Link: Definiert Rahmenformat, Adressierung, Fehlererkennung und -korrektur.
• Schicht 3 – Netzwerk: Handhabt Paketverkapselung und Routing.
• Schicht 4 – Transport: Garantiert Ende-zu-Ende-Zustellung und Flusskontrolle.
• Schicht 5 – Sitzung: Verwaltet Sitzungsaufbau, -erhaltung und -beendigung.
• Schicht 6 – Darstellung: Übersetzt Datenformate, Zeichensätze, Grafiken.
• Schicht 7 – Anwendung: Bietet benutzerorientierte Dienste und Schnittstellen.

Einige Protokolle decken nur eine Teilmenge dieser Schichten ab. Beispielsweise adressiert RS-232C nur die Physikalische Schicht, während das X-Windows-System alle sieben Schichten umfasst. Verschiedene Protokolle können eine physikalische Schicht teilen, sich aber im höherstufigen Verhalten unterscheiden; RS-422A (Punkt-zu-Punkt) und RS-485 (Bus, bis 32 Knoten) illustrieren diesen Punkt.

Arbitrationstechniken

Einfache Sender-nur-Schemata

In einem Simplex-Netzwerk sendet ein einzelner Sender Daten, während alle anderen Knoten passive Empfänger sind. Das „BogusBus“-Beispiel demonstriert dieses Prinzip: ein Master-Knoten treibt die Leitung, und beliebig viele lampengetriebene Empfänger reagieren lediglich.

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

Wenn mehrere Knoten ein Medium teilen müssen, bietet CSMA eine disziplinierte Möglichkeit, vor dem Senden zu lauschen. Es ist eine Methodologie, nicht ein Protokoll, und kann in mehreren Varianten implementiert werden.

Collision Detection (CSMA/CD)

Häufig in Ethernet verwendet, senden Knoten nur nach Erkennung eines freien Kanals. Tritt eine Kollision auf, wartet jeder Knoten eine zufällige Backoff-Zeit bevor er erneut versucht.

Bitweise Arbitration (CSMA/BA)

Knoten weisen Prioritätsnummern zu; im Kollisionfall geht der höchstrangige Knoten zuerst vor. Dies spiegelt hierarchische Entscheidungsfindung in Menschengruppen wider.

Sowohl CSMA/CD als auch CSMA/BA unterstützen einen „unaufgeforderten“ Modus – jeder Knoten darf Senden initiieren, wenn das Medium idle ist. Ein „aufgefordeter“ Modus beschränkt die initiale Sendung auf eine Master-Knoten-Anfrage; Kollisionhandling gilt dann nur für die antwortenden Knoten.

Master/Slave-Protokolle

Ein einzelner Master plant exklusive Zeitslots für jeden Slave, eliminiert Kollisionen vollständig. Der Master adressiert jeden Knoten namentlich, gewährt Sende-Rechte und arbeitet sequenziell durch die Liste.

Token Passing

Jeder Knoten erhält einen virtuellen Token, der ihm das Sende-Recht gewährt. Nach Abschluss gibt er den Token an den nächsten Knoten weiter. Obwohl traditionell mit Ring-Topologien assoziiert, funktioniert Token Passing auf jedem Netzwerktyp.

Hybride Ansätze

Fieldbus kombiniert Master/Slave-Scheduling mit Token-Passing für ungeplante Daten. Ein Link Active Scheduler (LAS) sendet periodische „Compel Data“-Abfragen an Slaves, verteilt dann Tokens für freien Verkehr. Der LAS führt auch eine Live-Liste aktiver Knoten und unterstützt Redundanz, indem er anderen Knoten erlaubt, LAS-Aufgaben zu übernehmen.

Legacy und spezialisierte Systeme

Honeyswells 1975 Highway Traffic Director (HTD) nutzte ein Punkt-zu-Punkt Master-initiiertes Schema über separate Twisted-Pair-Links, exemplarisch für frühe industrielle Steuerungsnetzwerke. Zwar primitiv nach heutigen Standards, demonstrierte es die Machbarkeit dedizierter Master-Slave-Kommunikation.

In modernen Netzwerken überbrücken Gateway-Geräte häufig heterogene Segmente – z. B. ein Master/Slave-Werksnetzwerk verbunden mit einem Ethernet-LAN und wiederum mit einem FDDI-Backbone – was disparaten Protokollen und Topologien nahtloses Interoperieren ermöglicht.