Encapsulation und Decapsulation in Netzwerken

Was ist Encapsulation (Kapselung)?

Encapsulation bestimmt, wo ein Paket oder eine Dateneinheit beginnt und endet. Der Beginn eines Pakets wird als Header bezeichnet, das Ende eines Pakets als Trailer. Die Daten zwischen dem Header und dem Trailer werden manchmal auch Payload (Nutzdaten) genannt.

Der Paket-Header enthält in den ersten Bytes Informationen, die den Beginn des Pakets festlegen und die Art der darin enthaltenen Informationen angeben. Auf dem Weg eines Pakets von seiner Quelle zu einem Ziel tragen verschiedene Schichten eines Computing-Systems Informationen im Paket-Header ein. Die Header-Informationen variieren je nach verwendetem Protokoll, da jedes Protokoll ein bestimmtes Format hat.

Der Paket-Trailer zeigt einem empfangenden Gerät an, dass es das Ende des Pakets erreicht hat. Er enthält oft einen Prüfwert, mit dem das empfangende Gerät bestätigen kann, dass es das vollständige Paket erhalten hat.

Was ist Decapsulation (Entkapselung)?

Bei der Entkapselung werden die Header- und Trailer-Informationen aus einem Paket entfernt, während es sich auf dem Weg zu seinem Ziel befindet. Das Zielgerät empfängt die Daten in ihrer ursprünglichen Form.

Das OSI-Modell und Encapsulation

Die ISO (International Organization for Standardization) hat ein Modell für Protokolle definiert, das die Systemschichten nach ihrer Funktion trennt: das OSI-Modell (Open Systems Interconnection). Jede der sieben OSI-Schichten (auch Layer genannt) umfasst einen bestimmten Satz an Funktionen.

Beim Encapsulation-Prozess sendet ein Quellcomputer ein Paket von Layer 7, der Anwendungsschicht, an Layer 1, die Bitübertragungsschicht. Die Datenkapselung beginnt erst, wenn ein Paket Layer 4, die Transportschicht, erreicht. Danach fügen die übrigen Schichten dem Paket entsprechende Informationen hinzu, damit es das System durchlaufen kann.

Die Entkapselung erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, das heißt von Layer 1 bis Layer 7 des OSI-Modells, während das Paket an den empfangenden Computer übertragen wird.

Layer 1: Physical Layer (Bitübertragungsschicht)

Dies ist die unterste Schicht, die die elektrischen Signale eines aktiven Netzwerkgeräts verwaltet. Der Physical Layer fügt die Bitfolge hinzu, die den Anfang des Pakets und den Trailer definiert.

Layer 2: Data Link Layer (Sicherungsschicht)

Die Sicherungsschicht verwaltet die Interaktion über das lokale Netzwerk zwischen den sendenden und den empfangenden Systemen. Bei der Kapselung fügt sie dem Header die lokale Zieladresse hinzu.

Layer 3: Network Layer (Vermittlungsschicht)

Die Vermittlungsschicht routet das Paket durch das Netzwerk. Sie kapselt das Paket mit dem Internetadress-Header.

Layer 4: Transport Layer (Transportschicht)

Einige Transportprotokolle, wie das Transmission Control Protocol (TCP), gewährleisten, dass alle Pakete ihr Ziel erreichen. Andere Transportprotokolle, wie das User Datagram Protocol (UDP), garantieren die Zustellung nicht. Transportprotokolle fügen den Kopfzeilen Angaben zur Byte-Anzahl hinzu.

Layer 5: Session Layer (Sitzungsschicht)

Die Sitzungsschicht verwaltet den Informationsfluss zwischen Systemen. Sie liefert Informationen darüber, wie die Informationen durch das System fließen dürfen.

Layer 6: Presentation Layer (Darstellungsschicht)

Die Darstellungsschicht bringt die Informationen in eine Form, die eine Anwendung nutzen kann. Sie gibt Auskunft über Datenformate.

Layer 7: Application Layer (Anwendungsschicht)

Als oberste Schicht interagiert der Application Layer mit dem Endgerät.

Das TCP/IP-Modell und Encapsulation

Die am weitesten verbreiteten Netzwerkprotokolle gehören zur Internetprotokollsuite, allgemein als TCP/IP bezeichnet, die im Auftrag des US-Verteidigungsministeriums entwickelt wurde. Das TCP/IP-Modell wurde so gestaltet, dass es auf einer Vielzahl von Computertypen funktioniert.

Das TCP/IP-Modell folgt zwar denselben Designprinzipien wie das OSI-Modell, aber die beiden Modelle unterscheiden sich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das TCP/IP-Modell die Layer 5 bis 7 des OSI-Modells in einer einzigen Anwendungsschicht zusammenfasst. Außerdem werden die Bitübertragungs- und die Sicherungsschicht zur Netzwerkzugangsschicht (auch als Network Interface Layer oder Network Access Layer bezeichnet) kombiniert.

Die Encapsulation- und Decapsulation-Prozesse bei TCP/IP folgen demselben Ablauf durch die Schichten wie beim OSI-Modell.

Network Interface Layer (Netzzugangsschicht): Bitübertragungs- und Sicherungsschicht

Die unterste Schicht, die Bitübertragungsschicht, kapselt das Paket und fügt eine für jedes Netzwerkmedium spezifische Bitfolge hinzu. Jeder Netzwerktyp, zum Beispiel Ethernet, Glasfaser und WLAN, funktioniert anders. Daher ist die Bytefolge, die den Beginn eines Pakets festlegt, jeweils unterschiedlich. Auch das Trailer-Format variiert je nach Art des Mediums.

Bei der Entkapselung werden die Header- und Trailer-Informationen aus einem Paket entfernt, während es sich auf dem Weg zu seinem Ziel befindet.

Jedes Paket absolviert seinen ersten Hop über das lokale Netzwerk. Die Sicherungsschicht fügt die MAC-Adresse (Media Address Control) hinzu, die vom Systemhersteller in jede Netzwerkschnittstelle integriert wird. Die ersten Bytes geben den Hersteller an, während die folgenden Bytes jede Netzwerkschnittstelle, die der Hersteller jemals produziert hat, eindeutig spezifizieren. Folglich gibt es weltweit keine Schnittstellen mit identischer MAC-Adresse.

Wenn ein Paket gesendet wird, liest jedes System, das ein lokales Netzwerk nutzt, die MAC-Zieladresse des Pakets. Aber nur das System mit genau dieser MAC-Adresse liest den Rest des Pakets.

Netzwerkschicht

Die Netzwerkschicht routet das Paket durch das übergeordnete Netzwerk. In vielen Fällen wird das Paket beim ersten Hop im lokalen Netzwerk, wofür die Sicherungsschicht zuständig ist, zu einem System mit einem Router geleitet.

Das Paket benötigt eine Internetadresse, um das Zielsystem im übergeordneten Netzwerk zu erreichen. Die Netzwerkschicht fügt dem Paket-Header die Internetzieladresse hinzu, die einem System zugewiesen wird, wenn man es im Netzwerk installiert.

Transportschicht

Es gibt eine Reihe von Transportprotokollen, darunter TCP, UDP und das Stream Control Transmission Protocol (SCTP):

• TCP garantiert die Paketzustellung, wobei alle Pakete empfangen und bestätigt werden. Das Protokoll fügt dem Header die Anzahl der im Paket gesendeten Bytes hinzu und wartet darauf, dass der Empfänger die Anzahl bestätigt. Der Empfänger fügt außerdem die Anzahl der Bytes hinzu, die er nun bereit ist zu empfangen. Dadurch lässt sich verhindern, dass der Sender ihn durch zu schnelles Senden von Daten überlastet.
• UDP bietet keine Zustellgarantie, ist aber ein nützliches Protokoll für latenzempfindliche Anwendungen wie Sprache oder Video, bei denen der Verlust eines Pakets dem Zeitaufwand für das erneute Senden verloren gegangener Pakete vorzuziehen ist.
• SCTP kann Daten und Steuerungsinformationen in getrennten, gleichzeitigen Streams senden.

Anwendungsschicht

Das TCP/IP-Modell fasst die Sitzungs- und Darstellungsschicht in der Anwendungsschicht zusammen. Die Sitzungsschicht kann steuern, ob eine Verbindung in beide Richtungen gleichzeitig, jeweils nur in bestimmte Richtung oder ausschließlich in eine Richtung sendet.

Die Darstellungsschicht ist der Sitzungsschicht übergeordnet und sorgt dafür, dass die Anwendung die Daten in einer verwertbaren Form erhält. Sie kann Ver- und Entschlüsselung sowie Komprimierung und Dekomprimierung bereitstellen.

Die Anwendungsschicht stellt die menschliche Schnittstelle zum Netzwerk dar, zum Beispiel durch Funktionen wie E-Mail, Dateitransfer und das Web.

Fazit

Die bestehenden Protokolle werden unter Umständen verbessert, aber nicht grundlegend geändert, um die Kompatibilität zu wahren. Im Laufe der Zeit ist mit der Entwicklung neuer Protokolle zu rechnen, die wahrscheinlich weiter auf dem Schichtenmodell basieren werden. Und auch wenn sich Details ändern, wird Encapsulation als Konzept beibehalten.