Als Netzwerkprotokolle bezeichnet man Kommunikationsprotokolle, mit deren Hilfe Computer in einem Netzwerk (PCs, Netzwerkkomponenten oder intelligente Gegenstände) miteinander Daten austauschen. Die Regeln, nach denen dieser Datenaustausch vollzogen wird, werden durch Netzwerkprotokolle definiert. Man kann somit Netzwerkprotokolle auch als Kommunikationsstrukturen bezeichnen.
Das heute weltweit verbreitete TCP/IP-Protokoll (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) ist eine Familie von
Netzwerkprotokollen und wurde bereits in den frühen 70er Jahren durch das amerikanische Militär entwickelt, um über
ein robustes und flexibles Netzwerkprotokoll verfügen zu können. Durch seine dezentrale Organisation kann selbst bei
größeren Störungen weiterhin eine Kommunikation stattfinden. Auf Basis dieser beiden grundlegenden Netzwerkprotokolle
des Internets (TCP und IP) bezeichnet man die darauf aufbauende Architektur als TCP/IP-Referenzmodell.
Das TCP/IP-Referenzmodell besteht aus vier Schichten und beschreibt in den einzelnen Schichten Anwendungsbereiche für Internetprotokolle.
Das parallel existierende ISO/OSI-Referenzmodell (International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection) beschreibt im Gegensatz hierzu konkrete Vorschriften und Spezifikationen und wurde deutlich später entwickelt als das TCP/IP-Referenzmodell. Beide Modelle ergänzen sich und lassen sich - wie obige Abbildung anschaulich darstellt - aufeinander abbilden.
IP (Internet Protocol) übernimmt in dieser Protokollfamilie die Adressierung von Computern in einem Netzwerk und arbeitet auf Schicht zwei (Internetschicht) des TCP/IP-Referenzmodells. Die hetzutage gebräuchlichste Version des TCP/IP-Protokolls wird auch als TCP/IPv4 bzw. kurz IPv4 bezeichnet. Mittels einer IPv4-Adresse und einer Subnetzmaske ist es möglich, Computer innerhalb eines Netzwerkes in logische Gruppen (Subnetze) einzuteilen und Datenpakete an diese zu adressieren.
Damit eine IP-Adresse von Hard- und Software verarbeitet werden kann, liegt diese in Binärform, also in einer maschinenlesbaren Folge von Einsen und Nullen vor.
Eine IPv4-Adresse ist 32 Bit bzw. 4 Byte groß (1 Byte = 8 Bit). Rechnerisch wären somit maximal 2³² (ca. 4,3 Milliarden) IP-Adressen zuteilbar. Das unvorhersehbare Wachstum des Internets mit zunehmender Verbreitung von PCs, Tablets, Smartphones und intelligenten Gegenständen, hat über die Jahre hinweg zu einer Verknappung der verfügbaren IPv4-Adressen geführt. Um eine solche IP-Adresse besser les- und handhabbar zu machen (für Nutzer und Administratoren), stellt man diese nicht in hexadezimaler Form, sondern in dezimaler Form dar, wobei jeweils 1 Byte (8 Bit) einer IP-Adresse mittels eines Punktes von den restlichen Bytes getrennt wird. Jedes Byte kann hierbei einen Wert von 0 bis 255 annehmen, was insgesamt also 256 (2⁸) Werte je Byte ermöglicht.
Jede IPv4-Adresse besteht aus zwei Teilen. Einer Netz-ID und einer Host-ID. Durch ein Verfahren, welches auch als Subnetting bezeichnet wird, besteht die Möglichkeit, den Anteil beider IDs an der Gesamtadresse beliebig aufzuteilen, um den begrenzten Adressraum effizienter verwalten zu können.
Vor der Einführung von CIDR (Classless Inter-Domain Routing) wurde generell zwischen fünf Adressklassen unterschieden
(siehe folgende Abbildung). Für jede Klasse wurde fest vorgegeben, welcher Abschnitt der IP-Adresse der Netz-ID und welcher
Abschnitt der Host-ID zugeordnet ist. Außerdem wurden die ersten Bits so festgelegt, dass jedes Gerät erkennen konnte, um
welche Klasse es sich handelt. Zum Beispiel sind alle Adressen, die mit dem Bit 0 beginnen, IP-Adressen der Klasse A. Umgerechnet
in die dezimale Schreibweise bedeutet dies, dass alle Adressen von 0.0.0.0 bis 127.255.255.255 Klasse A-Adressen sind.
Weil diese Regelung mit fortschreitender Adressknappheit nicht flexibel genug war, wurde das Classless Inter-Domain Routing (CIDR)
eingeführt. Seither wird nicht mehr zwischen Klassen unterschieden. Stattdessen wird hinter jeder IP-Adresse ein Suffix
mit einer Zahl angehängt, die die Länge der Netz-ID angibt. Zum Beispiel ist 140.43.8.67/9 eine IP-Adresse aus einem
Netz mit einer 9 Bit langen Netz-ID (siehe folgende Abbildung). Das heißt, übertragen auf die dezimale Schreibweise, dass
alle IP-Adressen von 140.0.0.0 bis 140.127.255.255 Teil dieses Netzes sind.
Da nicht alle Computer in einem Netzwerk zwangsläufig über eine öffentliche IP-Adresse erreichbar sein müssen, existieren auch sogenannte private Netze, die im Gegensatz zu öffentlichen IP-Adressen, nicht im Internet geroutet bzw. transportiert werden. Dieses Vorgehen wurde bereits 1996 durch die IETF (Internet Engineering Task Force) standardisiert. Vergleichen lässt sich dies mit beliebig zuweisbaren Raumnummern eines Verwaltungsgebäudes, die lediglich unternehmensintern und nicht öffentlich bekannt sein müssen, wobei die Hausnummer des betreffenden Gebäudes jedoch öffentlich einsehbar sein sollte und auch aus einem definierten Nummernkreis entstammen muss.
| Private IP-Adressklassen | ||||
|---|---|---|---|---|
| IP von | IP bis | Subnetzmaske | Anzahl Adressen | Netzklasse |
| 10.0.0.0 | 10.255.255.255 | 255.0.0.0 | 16.777.216 | A-Netz |
| 172.16.0.0 | 172.31.255.255 | 255.255.0.0 | 65.536 | B-Netz |
| 192.168.0.0 | 192.168.255.255 | 255.255.255.0 | 256 | C-Netz |
TCP (Transmission Control Protocol) als zweiter Bestandteil der Internetprotokoll-Familie TCP/IP ist als verbindungsorientiertes Protokoll für das Verbindungsmanagement und die Fehlerbehandlung auf Schicht drei (Transportschicht) des TCP/IP-Referenzmodells zuständig. Alle Datenpakete müssen vom Empfänger bestätigt werden.
Passiert dies nicht oder wurde das Datenpaket auf dem Übertragungsweg beschädigt oder ging komplett verloren, so wird
das Datenpaket vom Sender neu versendet. Besonders charakteristisch für das TCP-Protokoll ist der sogenannte three-way
handshake oder Drei-Wege-Handschlag zum Verbindungsaufbau. In dessen Verlauf zeigen Sender und Empfänger ihre Bereitschaft
zur Kommunikation und handeln die Parameter für die Datenübertragung aus.
Zum Verbindungsaufbau sendet ein Client ein sogenanntes Syn-Paket zum Server, um seinen Verbindungswunsch anzuzeigen. Verfügt der Server über freie Ressourcen und möchte auf den Verbindungswunsch eingehen, so bestätigt er das Syn-Paket des Clients mit einem "Syn-Ack" (Acknowledge-Paket). Der Client wiederum bestätigt den Erhalt der positiven Antwort auf seinen Verbindungswunsch mit einem Ack-Paket und beginnt im Anschluss mit der eigentlichen Datenübertragung.
Auch das Internet Protocol in der Version 6 ist für die Adressierung von Computern in Netzwerken zuständig. Im Gegensatz zu einer IPv4-Adresse mit 32 Bit, hat eine IPv6-Adresse eine Länge von 128 Bit. Dies bedeutet, dass mittels IPv6 2¹²⁸ Geräte mit einer IP-Adresse versehen werden können - ausreichend genug, um jedes elektronische Gerät im Internet of Things einzubinden (um genau zu sein: 340 Sextillionen, also rund 1.500 Adressen pro m² Erdoberfläche).
Auch eine IPv6-Adresse besteht aus zwei Teilen, dem Network Prefix und dem Interface Identifier (Schnittstellen-ID).
Neben einem größeren Adressraum bietet IPv6 im Vergleich zu IPv4 eine direkte Integration von Verschlüsselungsmechanismen über das sogenannte IPSec-Protokoll. Wobei jedoch der größere Adressraum und die Möglichkeit, jedes Gerät individuell mit einer weltweit eindeutig zuordenbaren IP-Adresse zu versorgen, auch insbesondere aus datenschutzrechtlicher Sicht häufig kritisch betrachtet wird.
Der IEEE-Standard (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4 beschreibt ein Übertragungsprotokoll für Wireless Personal Area Networks (WPAN) mit einem sehr geringen Energiebedarf. Anwendungsszenarien sind beispielsweise intelligente Ausweisdokumente oder die Integration intelligenter und batteriebetriebener Sensoren in die Gebäudeautomationstechnik. Bezogen auf das ISO/OSI-Referenzmodell definiert der Standard 802.15.4 die ersten beiden Schichten des Modells, die Bitübertragungsschicht und die Sicherungsschicht. Es wird somit in diesem Standard beschrieben, über welches Übertragungsmedium Daten ausgetauscht werden und wie diese sicher und fehlerfrei beim Empfänger ankommen.
Wichtige Ziele bei der Entwicklung dieses Standards und standardkonformer Geräte sind eine besonders geringe Leistungsaufnahme, preisgünstige Hardware und ein konfliktfreier Parallelbetrieb mit anderen Technologien, die ebenfalls das gleiche Frequenzband nutzen. Der Standard nutzt die weltweit lizenzfreien ISM-Frequenzbänder (industrial, scientific, medical), die insbesondere für WLANs, Bluetooth und auch Smarthome-Komponenten häufig Verwendung finden. Anwendung findet 802.15.4 z.B. in der Funktnetztechnik ZigBee bei der Integration von batteriebetriebenen ZigBee-Endgeräten, die z.B. als Temperatursensoren lediglich Sensorwerte erfassen und diese an eine zentrale Managementstation übertragen.
6LoWPAN ist ein Akronym und steht für "IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks". Dieser von der IETF (Internet Engineering Task Force) ursprünglich als RFC 4944 (Request for Comment) verabschiedete, offene Standard beschreibt, wie IPv6 über IEEE-802.15.4-Verbindungen genutzt werden kann, also insbesondere auch Technologien, die nicht im für WLANs typischen 2,4 GHz Frequenzband operieren. Dazu zählen z.B. Pegelmesser von ländlichen Grundwassermessstellen, die eine deutlich höhere Funkreichweite erfordern. Die diesem Konzept zugrundeliegende Idee soll es ermöglichen, auch Geräte ohne hohe Rechenleistung oder große Energiereserven in das Intrnet of Things zu integrieren.
Netzwerke, die mittels 6LoWPAN betrieben werden, kommunizieren innerhalb des eigenen Netzwerkes nativ über IPv6. Die Anbindung an andere Netzwerke erfolgt über IP-Router, die Daten im korrekten Format auf das entsprechende Übertragungsmedium des anderen Netzwerkes weiterleiten. Die Verbindung zu diesen anderen Netzwerken kann über WLAN, GSM-Netze oder auch klassisch über ein Netzwerkkabel erfolgen. Da in 6LoWPAN-Netzwerken ausschließlich über IPv6 kommuniziert wird, sind diese Router auch in der Lage IPv4-Netzwerke anzubinden, um Geräte, die historisch bedingt nur IPv4 unterstützen, integrieren zu können.
Ein auf 6LoWPAN basierender Ansatz ist das sogenannte LoRaWAN (Long Rang Wide Area Network). Dieses effiziente Netzwerkprotokoll ermöglicht eine Kommunikation, die über eine gute Objektdurchdringung, einen geringen Energieverbrauch wie auch eine Übertragungsreichweite von 5-20 km verfügt.