Industrielle Informationssysteme sind in der Regel verteilte Softwaresysteme. Zur Nutzung dieser Systeme werden Hardware- und Softwarekomponenten eingesetzt, die sich auf Rechnern befinden, die durch ein Kommunikationsnetz verbunden sind und über den Austausch von Nachrichten über das Kommunikationsnetz kommunizieren. Jeder Online-Shop ist beispielsweise ein verteiltes Softwaresystem: Die Rechner der Kunden sind über das Internet mit den Rechnern des Online-Händlers verbunden. Die Suche von Artikeln, das Legen von Artikeln in den Warenkorb, die Bestellung und der Zahlvorgang sind Beispiele für Aktionen, die per Nachrichtenaustausch zwischen dem Rechner des Kunden und dem Rechner des Online-Händlers durchgführt werden.
Ein minimales funktionsfähiges verteiltes System besteht mindestens aus einem Server, einem Client, einem Kommunikationsnetz und einer
Vereinbarung über die Struktur der zu sendenden Nachrichten.
Server
Als Server (deutsch: Diener) werden Rechner bezeichnet, die Funktionen anbieten, die von anderen Rechnern über ein
Kommunikationsnetz aufgerufen werden können. Server von Suchmaschinen bieten die Suche von Informationen im Internet an, Server von
Wetterdiensten liefern Informationen über die aktuelle Wetterlage, Server von Online-Händlern bieten Suchfunktionen im
Warenbestand und Server von E-Mail-Providern bieten das Senden und Empfangen von E-Mails an. Die von Servern angebotenen Funktionen werden
auch Services (deutsch: Dienste) genannt.
Client
Als Client (deutsch: Kunde) werden Rechner bezeichnet, die von Servern angebotene Dienste in Anspruch nehmen. Wird zum
Beispiel ein Browser benutzt, um in einem Online-Shop etwas zu bestellen, nimmt der Rechner, auf dem der Browser installiert ist, die
Rolle des Clients ein. Ein Netzwerk-Drucker ist ein Server, der den Dienst "Ausdrucken" anbietet. Jeder Rechner, der über diesen
Drucker ein Dokument ausdruckt, ist bezogen auf den Netzwerk-Drucker ein Client. Werden von einem Mobiltelefon die aktuellen Wetterdaten
von einem Wetterdienst abgerufen, ist das Mobiltelefon der Client.
Grundsätzlich beziehen sich die Rollen "Server" und "Client" nur auf das Anbieten und Nachfragen von Diensten und nicht auf die erforderliche Hardware der Geräte. So kann jeder Laptop und jedes Smartphone durch Installation und Starten von entsprechenden Softwaresystemen auch zu einem Server, also einem Dienstanbieter, werden.
Kommunikationsnetz
In jedem Fall müssen Client und Server über ein Kommunikationsnetz miteinander verbunden sein. Ein
solches Netz besteht aus:
Netzwerkschnittstelle
Über eine Netzwerkschnittstelle wird ein Rechner grundsätzlich in die Lage versetzt, mit anderen
Rechnern zu kommunizieren. Dazu ist neben der Herstellung der physikalischen Verbindung durch eine Kabelbuchse oder einen eingebauten
Funkchip (also die Hardware) auch die Unterstützung durch das Betriebssystem (die Software) erforderlich. Die Komponenten zur
Datenübertragung sorgen dafür, dass Information über eine bestimmte Distanz transportiert wird. Die Komponenten der
Datenvermittlung sorgen dafür, dass die Daten in einem Kommunikationsnetz auf dem optimalen Weg vom Sender zu dem bestimmten
Empfänger transportiert werden. Kommunikationsnetze lassen sich nach ihrer Größe klassifizieren. Welche Art der
Datenübertragung eingesetzt wird und welche Geräte zur Datenvermittlung eingesetzt werden, ist abhängig von der Klasse und
dem Verwendungszweck eines Kommunikationsnetzes.
Nachricht
Über das Kommunikationsnetz werden Informationen zwischen den Rechnern versendet. So muss der Suchbegriff vom
Client an die Suchmaschine und die Ergebnisse der Suche von der Suchmaschine zum Client übermittelt werden. Aufbau und Inhalt der
für diesen Anwendungsfall benötigten Informationen werden in der Regel vom Server vorgegeben. Eine logisch zusammenhängende
Information, die zu einem Zeitpunkt von einer Anwendung verschickt wird, wird Nachricht genannt. In Abhängigkeit von der
tatsächlichen Netzinfrastruktur muss die Netzwerkschnittstelle eines Rechners die zu versendende Nachricht in Bitfolgen mit einer
vorgegebenen Länge transformieren. Je nach Größe der zu versendenden Nachricht wird eine Menge an sogenannten Datenpaketen erzeugt,
in denen die Nachricht für den Transport über das Kommunikationsnetz verpackt wird. Ist die Nachricht größer als der
Speicherplatz in einem für das Kommunikationsnetz zulässigen Datenpaket, wird sie auf mehrere Datenpakete aufgeteilt. Für
eine einfache Suchanfrage, die aus wenigen Zeichen besteht, müssen dabei weniger Datenpakete erzeugt werden als beim Hochladen eines
Bildes oder eines Videos.
Ein typisches, per DSL-Anschluss durch das Internet übertragene Datenpaket kann 1452 Byte an Nutzdaten transportieren. Um eine Bilddatei der Größe 500 kByte von einem Rechner an einen anderen Rechner zu senden, müssen also mindestens 353 Datenpakete erzeugt und über das Kommunikationsnetz versendet werden.
Nachrichten müssen, bevor sie einen Rechner physikalisch verlassen, in Datenpakete transformiert werden. Diese Transformation findet in mehreren Schritten statt, wobei die Art der Nachricht und die Art des Kommunikationsnetzes bestimmen, was genau in den einzelnen Schritten passiert. Sowohl das TCP-/IP-Referenzmodell als auch das OSI-Referenzmodell beschreiben Netzwerkarchitekturen, die in einer Kaskade verschiedener sogenannter Schichten die Nachrichten in jeweils für den Übertragungskanal passende Pakete codieren und empfangene Pakete decodieren und zu einer Nachricht zusammensetzen. Die für das Codieren und Decodieren in einer Schicht eingesetzten Funktionen werden Protokoll genannt. Jede Schicht ist dabei für einen ganz bestimmten Aspekt des Nachrichtenaustausches zwischen Rechnern zuständig.
Folgende Abbildung stellt die beiden Referenzmodelle TCP/IP und OSI gegenüber:
Das OSI-Referenzmodell besteht aus sieben verschiedenen Schichten, das TCP-/IP-Protokoll aus vier. Das OSI-Referenzmodell ist damit detaillierter und die in den Schichten beschriebenen Funktionen beschreiben allgemeingültig die Architektur von Netzwerken. Das TCP-/IP-Referenzmodell beschränkt sich im Wesentlichen auf die Festlegungen in der Transport- und der Internetschicht. Es ist damit weniger detailliert, wird jedoch praktisch fast überall verwendet.
Die Funktionen (Protokolle) der Anwendungsschicht in beiden Referenzmodellen enthalten anwendungsabhängige Vorschriften zum Aufbau und Austausch von Nachrichten. In dieser Schicht sind zum Beispiel das Hypertext Transfer Protocol (HTTP) für den Aufruf und die Übertragung von Webseiten oder das Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) für die Übertragung von E-Mails verortet.
Elemente der Darstellungsschicht im OSI-Referenzmodell beinhalten die Definition von Syntax und Semantik der übertragenden Informationen. Die Sitzungsschicht ermöglicht den Aufbau von Sitzungen (engl.: Session) zwischen entfernten Rechnern. Mit einer Sitzung können die Aktionen beider Rechner gezielt gesteuert und synchronisiert werden, was das reibungslose Zusammenspiel insbesondere bei langen Übertragungen oder Unterbrechungen ermöglicht.
In der Transportschicht werden die Nachrichten aus höheren Schichten in kleinere Einheiten aufgeteilt und an die Vermittlungs- bzw. Internetschicht übergeben. Weiterhin sorgen die Protokolle durch entsprechende Sicherungsfunktionen der Transportschicht dafür, dass alle Datenpakete, die versendet wurden, auch tatsächlich beim Empfänger ankommen. Die Transportschicht des Senders kommuniziert direkt mit der Transportschicht des Empfängers, es besteht also in dieser Schicht eine logische Endpunkt-zu-Endpunkt Verindung, auch wenn es technisch gesehen zwischen Sender und Empfänger eine große Zahl an zwischengeschalteten Komponenten zur Datenvermittlung gibt.
Die Protokolle aller Schichten unterhalb der Transportschicht kommunizieren mit dem direkten Nachbarn im Netzwerk. Die technischen Komponenten zur Datenvermittlung in Netzen arbeiten daher auf Ebene der Vermittlungsschicht und der darunter liegenden Schichten. Die Vermittlungsschicht des OSI-Referenzmodells ist für den Betrieb des Kommunikationsnetzes zuständig. Sie sorgt für die Auswahl der Route durch das Netz, die ein Datenpaket vom Sender bis zum Empfänger zurücklegt. Je nach geografischer Distanz liegen mehrere Dutzend Stationen auf dem Weg eines Datenpakets vom Sender bis zum Empfänger. Darüber hinaus steuert die Vermittlungsschicht auch die Qualität der Übertragung, zum Beispiel, wenn mehr Daten auf einer Route unterwegs sind als die Kapazität des Übertragungswegs hergibt. Die Internetschicht im TCP-/IP-Referenzmodell ist der Vermittlungsschicht im OSI-Referenzmodell sehr ähnlich. Auch sie ist für die richtige Zustellung von Datenpaketen und der Vermeidung von Überlast verantwortlich.
Grob vereinfacht funktioniert die Vermittlungsschicht wie die Post: Man kann Briefe (auch im Ausland, also in fremde Netze) in einen Briefkasten werfen und irgendwann kommen die (meisten) Briefe an der richtigen Zieladresse an. Über welche Poststationen, Verteilzentren und Straßen der Brief tatsächlich transportiert wurde, ist weder für den Sender noch den Empfänger transparent.
Über tiefere Schichten wird im TCP-/IP-Referenzmodell nicht mehr viel gesagt, außer dass ein Rechner zu einem anderen Rechner eine Verbindung aufbauen muss, um Datenpakete versenden zu können.
Im OSI-Referenzmodell folgt nach der Vermittlungsschicht die Sicherungsschicht. Sie sorgt mit einem entsprechenden Protokoll dafür, dass die Daten vollständig und fehlerfrei von einem Rechner zum nächsten in der Route übertragen werden. Insbesondere die Flusskontrolle bei zu hoher Sendegeschwindigkeit und die Fehlerbehandlung durch physikalische Übertragungsfehler ist Aufgabe der Sicherungsschicht.
Die Bitübertragungsschicht ist dafür zuständig, die binär codierten, digitalen Datenpakete über den physikalischen Kommunikationskanal zu übertragen und damit die zu transportierenden Bitfolgen auf die Eigenschaften (Strom, Licht, Funkwellen) abzubilden, zu übertragen und wieder in Bitfolgen umzuwandeln.