Kommunikationsprotokolle

Protokolle stellen ein zentrales Konzept in der Netzwerkkommunikation dar. Jeder Ablauf und jeder Nachrichtenaustausch – sei es das Abrufen und Versenden von E-Mails mit einem Mailprogramm, das Öffnen einer Webseite im Webbrowser oder ein Sprachchat während eines Onlinespiels – wird durch Protokolle geregelt. Aber was genau wird in der Informatik unter einem Protokoll verstanden – was ist und was macht ein Protokoll und wie lässt es sich formal beschreiben?

Protokolle

Im alltäglichen Sprachgebrauch kennen wir verschiedene Bedeutungen des Begriffs “Protokoll”: In einem Versuchsprotokoll werden die Einzelschritte, Beobachtungen und Ergebnisse eines wissenschaftlichen Versuchs festgehalten, ein Verlaufsprotokoll dokumentiert Ablauf, Beiträge und Beschlüsse einer Sitzung, während ein diplomatisches Protokoll Vorschriften über den Ablauf von Staatsbesuchen festlegt. Allgemein lässt sich sagen: In einem Protokoll wird aufgezeichnet oder vorgegeben, zu welchem Zeitpunkt oder in welcher Reihenfolge welcher Vorgang durch wen oder was veranlasst wird.

Damit Informatiksysteme miteinander kommunizieren können (das heißt: Informationen austauschen können), muss genau festgelegt werden,

• welche Nachrichten verschickt werden und was sie bedeuten,
• in welchem Format die Nachrichten dargestellt werden und wie sie codiert werden,
• in welcher Reihenfolge welche Nachrichten verschickt werden dürfen
• und welche Aktionen beim Verschicken oder Empfangen bestimmter Nachrichten ausgeführt werden.

Diese Regeln werden durch Kommunikationsprotokolle festgelegt.

Beispiel: Im Café

Um die verschiedenen Aspekte eines Kommunikationsprotokolls anschaulich nachzuvollziehen, werden wir uns ein kleines (hier natürlich stark reduziertes) Alltagsbeispiel ansehen: das Verkaufsgespräch in einem Café. In diesem Café gelten allerdings strikte Regeln, wie Gespräche zwischen Kund*innen und Bedienungen ablaufen. Jedes Gespräch wird dadurch begonnen, dass die Kundin mit einem “Hallo?” Kontakt zur Bedienung aufnimmt, die wiederum, wenn sie bereit ist, mit “Hallo!” antwortet.

Die Kundin hat nun mehrere Möglichkeiten: Sie kann verschiedene Artikel aus den Artikelgruppen (z. B. Getränke, Kuchen oder Snacks) bestellen oder sie kann sich darüber informieren, welche Artikel es jeweils in einer Gruppe gibt. Diese Aktionen können beliebig oft und in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. In jedem Fall wartet die Kundin anschließend auf die Antwort der Bedienung: Im Normalfall eine Bestätigung (z. B. “OK!”, “Mal sehen!”) und je nach Anfrage eine Liste von Artikelnamen oder der gewünschte Artikel selbst.

Das Gespräch wird durch die Kundin mit “Tschüß!” beendet und von der Bedienung mit “Tschüß!” bestätigt. Danach steht die Bedienung wieder für ein Gespräch mit anderen Kund*innen bereit, ebenfalls wieder eingeleitet mit “Hallo?”. Das Bild zeigt einen möglichen Gesprächsverlauf:¹

Beginnt die Kundin dagegen gleich mit einer Anfrage ohne das Gespräch zuvor mit “Hallo?” einzuleiten, reagiert die Bedienung mit einem genervten “Häh?!”, da das Protokoll für Verkaufsgespräche hier nicht eingehalten wurde:

In diesem Szenario kann sich die Bedienung nur jeweils um eine Person zur Zeit kümmern. Wenn also eine Kundin mit “Hallo?” Kontakt aufnehmen möchte, während sich die Bedienung gerade im Gespräch mit einer anderen Kundin befindet, so lehnt sie die Anfrage mit der Antwort “Bin beschäftigt!” ab, statt ein weiteres Gespräch zu beginnen:

Sequenzdiagramme

Um den Ablauf des Nachrichtenaustauschs für Kommunikationsbeispiele grafisch formal darzustellen, werden meist Sequenzdiagramme verwendet. Diese Diagramme enthalten vertikale Zeitlinien für alle Kommunikationspartner, zwischen denen Nachrichten ausgetauscht werden. Jede Nachricht wird durch einen beschrifteten Pfeil repräsentiert, der vom Absendezeitpunkt auf der Zeitlinie des Senders zum Empfangszeitpunkt auf der Zeitlinie des Empfängers verläuft. Auf diese Weise lässt sich der zeitliche Ablauf der Kommunikation nachvollziehen, indem die Nachrichten von oben nach unten entlang der Pfeile gelesen werden.

Um zu kennzeichnen, dass ein Kommunikationspartner nach dem Absenden einer Anfrage wartet, bis er eine Antwort vom anderen System empfangen hat, kann in die Zeitlinie ein Balken eingezeichnet werden, der den Wartezeitraum markiert (siehe linke Zeitlinie in der Abbildung).

Client-Server-Kommunikation

Das folgende Sequenzdiagramm stellt den Nachrichtenaustausch für das erste Gespräch im Café noch einmal anschaulich dar:

Der im Beispiel dargestellte Ablauf ist typisch für eine Client-Server-Kommunikation: Der Client (“Kunde”) muss zunächst eine Sitzung (engl. session) mit dem Server (“Bedienung”) beginnen, die durch eine “Begrüßung” oder Anmeldung eingeleitet wird (hier die Anfrage “Hallo?”). Der Server bestätigt diese Anfrage und eröffnet somit die Sitzung, oder er lehnt sie ab (hier beispielsweise wenn er gerade mit einem anderen Client beschäftigt ist). Anschließend stellt der Client während der Sitzung eine oder mehrere Anfragen, die vom Server beantwortet werden, und er beendet die Sitzung abschließend mit einer “Verabschiedung” oder Abmeldung (hier die Nachricht “Tschüß!”), die wiederum vom Server bestätigt wird.

Oft merkt der Server sich während einer Sitzung mit einem Client zusätzliche Informationen über diese Sitzung (z. B. mit wem er gerade kommuniziert oder welche Aktionen während der Sitzung durchgeführt werden). Sitzungen sind aber nicht zwingend notwendig für Client-Server-Kommunikation bzw. Kommunikation zwischen Systemen im Allgemeinen.

Die Nachrichten des Clients stellen in dieser Kommunikation überwiegend Anfragen dar, auf die der Server mit Bestätigungen oder Fehlermeldungen antwortet. Dabei werden in einigen Fällen auch weitere Informationen oder Objekte mitgeliefert – hier beispielsweise die angefragte Liste der vorhandenen Getränke oder die bestellte Tasse Kaffee. Auf der technischen Ebene werden solche Daten in der Netzwerkkommunikation als Nutzdaten (engl. payload) bezeichnet: Nutzdaten sind also Teile einer Nachricht, die keine direkte Steuer- oder Protokollinformation enthalten, sondern weitere zu übermittelnde Informationen darstellen, z. B. HTML-Dokumente, Bilder oder Datensätze, die vom Client angefragt wurden oder auf den Server hochgeladen werden sollen.

Ausnahmebehandlung

Ein Kommunikationsprotokoll muss ebenfalls genau festlegen, wie mit Fehlern und Ausnahmesituationen umgegangen wird – also beispielsweise mit Anfragen, die nicht beantwortet werden können, unverständlichen Anfragen oder Nachrichten, die in einer anderen Reihenfolge als im Protokoll vorgesehen verschickt werden. In der Client-Server-Kommunikation antwortet der Server auf ungültige Anfragen des Clients in der Regel mit unterschiedlichen Fehlermeldungen.

Die folgenden Beispiele zeigen, welche Ausnahmesituationen bei der Kommunikation im Café auftreten könnten. Zum einen könnte die Kundin einen Artikel bestellen, der nicht vorhanden ist. In diesem Fall antwortet die Bedienung mit der spezifischen Fehlermeldung “Gibt’s nicht!” und das Gespräch geht weiter:

Zum anderen könnte die Kundin eine komplett unvorhergesehene Anfrage stellen, die laut Protokoll keinen Sinn macht. Hier antwortet die Bedienung mit der generischen Fehlermeldung “Häh?!”:

Eine weitere Ausnahmesituation wurde oben bereits gezeigt: Wenn die Bedienung eine Anfrage von einer Kundin erhält, während sie sich gerade in einer Sitzung mit einer anderen Person befindet, antwortet sie mit der spezifischen Fehlermeldung “Bin beschäftigt!” – so weiß die Kundin, dass sie es zu einem späteren Zeitpunkt noch einmal versuchen sollte:

Eine andere Situation ergibt sich, wenn die Bedienung nach einem Gespräch einschläft (oder in der Realität: wenn ein Server zwischenzeitlich ausfällt oder abgeschaltet wird). In diesem Fall wird die Kundin auf eine Anfrage wie “Hallo?”, um ein Gespräch zu beginnen, gar keine Antwort erhalten. In der Praxis werden solche Situationen in der Regel dadurch gelöst, dass ein Client nur eine gewisse Dauer (z. B. maximal 5 Sekunden) auf eine Antwort des Servers wartet, bevor eine Zeitüberschreitung (engl. timeout) auftritt und der Client den Wartevorgang abbricht. Anschließend kann er die Anfrage entweder erneut abschicken oder die Kommunikation abbrechen:

Timeouts können aber auch während einer Sitzung mit laufendem Server auftreten – bei der Kommunikation im Internet beispielsweise dann, wenn Datenpakete einer Anfrage auf dem Übertragungsweg verlorengehen.

Protokollspezifikation

Fassen wir also einmal die Spezifikation des Café-Protokolls zusammen, indem der generelle Ablauf einer Sitzung beschrieben wird und alle Nachrichten mit den jeweils möglichen Folgenachrichten aufgelistet werden.

Wir beginnen mit den Nachrichten zur Steuerung der Sitzungen:

• Eine Sitzung wird mit der Anfrage “Hallo?” vom Client eingeleitet.
  • Der Server bestätigt mit “Hallo!” , falls er bereit ist, eine neue Sitzung zu beginnen.
  • Anderenfalls lehnt er die Sitzung ab und antwortet mit der Fehlermeldung “Bin beschäftigt!”.
• Eine Sitzung wird durch die Nachricht “Tschüß!” vom Client beendet.
  • Der Server bestätigt das Ende der Sitzung mit “Tschüß!”.

Der Server befindet sich hier also immer in einem von zwei Zuständen:

• bereit: Der Server hat momentan keine laufende Sitzung, kann also eine neue Sitzung annehmen.
• beschäftigt mit Client X: Der Server befindet sich momentan in einer Sitzung mit Client X.

Während einer Sitzung kann der Client die folgenden Anfragen beliebig oft und in beliebiger Reihenfolge verschicken:

• Der Client kann mit der Nachricht “Welche Name der Artikelgruppe gibt es?” die verfügbaren Artikel einer Artikelgruppe (z. B. Getränke, Kuchen oder Snacks) abfragen.
  • Der Server antwortet mit der Bestätigung “Mal sehen!” und der Liste der Artikelnamen (als Nutzdaten), wenn die Artikelgruppe bekannt ist.
  • Anderenfalls antwortet er mit der Fehlermeldung “Gibt’s nicht!”.
• Der Client kann mit der Nachricht “Ich nehme Name des Artikels.” einen Artikel kaufen.
  • Der Server bestätigt mit “OK!” und dem gewünschten Artikel (als Nutzdaten), falls dieser bekannt und vorhanden ist.
  • Anderenfalls antwortet er auch hier mit der Fehlermeldung “Gibt’s nicht!”.

Wenn sich der Server gerade im Zustand “beschäftigt mit Client X” befindet, antwortet er auf alle Anfragen anderer Clients mit der Fehlermeldung “Bin beschäftigt!”.

In allen anderen Fällen – also auf unverständliche (das heißt: falsch formatierte) oder unbekannte (das heißt: im Protokoll nicht spezifizierte) Anfragen oder Anfragen zum falschen Zeitpunkt (z. B. “Tschüß!” ohne dass eine Sitzung läuft) – antwortet der Server mit der generischen Fehlermeldung “Häh?!”.

Wie Sie vielleicht bereits festgestellt haben, sieht das Protokoll der Einfachheit halber keine Bezahlung von bestellten Artikeln vor – in diesem Café ist alles umsonst. Anderenfalls müsste das Protokoll um weitere Nachrichten, mögliche Abläufe, Ausnahmebehandlungen und Fehlermeldungen zum Bezahlen ergänzt werden.

Ähnlich werden auch reale Protokolle für die Kommunikation zwischen Informatiksystemen beschrieben, wobei diese Spezifikationen natürlich deutlich technischer und umfangreicher sind. Hier spielen beispielsweise – je nach Aufgabenbereich des Protokolls – auch Aspekte wie die digitale Codierung der Daten, erwartete Datentypen und Wertebereiche von Anfrageparametern oder die physikalische Umsetzung der Datenübertragung eine Rolle.²

Protokolle in der Praxis

Das Café-Beispiel ist zwar anschaulich, aber auch etwas künstlich, da alltägliche Kommunikation normalerweise nicht nach strikten syntaktischen Regeln abläuft. Für ein realistischeres Szenario könnte etwa die Kommunikation mit einem IT-System, z. B. einem Geld- oder Ticketautomaten oder einem einfachen Sprachassistenzsystem betrachtet werden.

Generell werden Kommunikationsprotokolle in der Praxis verwendet, um die Datenübertragung zwischen Informatiksystemen zu regeln und Standards aufzustellen, auf die in der Entwicklung von Kommunikationssystemen zurückgegriffen werden kann. So regeln etwa Druckprotokolle den Datenaustausch zwischen einem Rechner und einem Drucker, um digitale Dokumente auszudrucken, während Netzwerkprotokolle den Datenaustausch in Rechnernetzen beschreiben – womit sie eine der Grundlagen des Internets darstellen. Bekannte Anwendungsprotokolle im Internet sind etwa HTTP, das verwendet wird, wenn Sie über ihren Webbrowser Dokumente von einem Webserver herunterladen, oder Protokolle wie POP3 oder IMAP zum Abrufen von E-Mails von einem Mailserver.

Reale Protokolle unterscheiden sich dabei sehr stark in ihren Zielen und ihrer Komplexität: So gibt sehr beispielsweise sehr einfache Druckprotokolle, die nur die reinen Druckdaten übermitteln, während umfangreichere Druckprotokolle auch Aspekte wie Datenkompression und -verschlüsselung, Fehlerkorrektur oder Auftragssteuerung nach Priorität, Druckkosten und -dauer mit berücksichtigen.

Protokollarchitektur

Sender-Empfänger-Modell

Zur Beschreibung von Kommunikationsprozessen wird hier das Sender-Empfänger-Modell verwendet – ein einfaches Kommunikationsmodell, das den Austausch von Nachrichten zwischen zwei Systemen, dem Sender und dem Empfänger, beschreibt. Die Nachrichten sind Daten bzw. codierte Informationen, die vom Sender zum Empfänger über ein physikalisches Übertragungsmedium geschickt werden. In einem typischen Kommunikationsablauf nehmen die Kommunikationspartner abwechselnd die Rolle von Sender und Empfänger an.

Informationen werden dabei mittels physikalischer Signale übertragen, beispielsweise durch elektrische, optische oder akustische Signale oder elektromagnetische Wellen. Technisch gesehen übermittelt der Sender das Signal in Form einer physikalischen Größe (z. B. Spannung oder Strom bei elektrischen Signalen) an den Empfänger, der das eingehende Signal misst und interpretiert.

Beispiel: Morse-Schach

Protokollstapel

Ausblick: Internetprotokollstapel

Zur Einordnung der Netzwerkprotokolle für die Kommunikation im Internet wird der Internetprotokollstapel verwendet. Hier werden die Protokolle in vier Schichten eingeteilt: Anwendungsschicht, Transportschicht, Internetschicht (auch: Vermittlungsschicht) und Netzzugangsschicht.

• Anwendung: Die Protokolle dieser Schicht beschreiben, wie Anwendungsprogramme auf verschiedenen Rechnern miteinander kommunizieren (z. B. ein Webbrowser mit einem Webserver, oder ein Mailprogramm mit einem Mailserver).
• Transport: Die Protokolle dieser Schicht beschreiben, wie die End-Kommunikationspartner (also Anwendungen auf den Endgeräten) Daten austauschen, unabhängig vom anwendungsspezifischen Inhalt der Nachrichten. Diese Art der Kommunikation wird als Ende-zu-Ende-Kommunikation bezeichnet – hierbei spielt es keine Rolle, auf welchem Weg die Datenpakete einer Nachricht durch das Netzwerk kommen.
• Internet/Vermittlung: Im Internet sind die miteinander kommunizierenden Endgeräte in der Regel nicht direkt verbunden, sondern befinden sich meist in verschiedenen Netzwerken, die über viele Zwischengeräte verbunden sind. Die Protokolle dieser Schicht beschreiben, wie ein Datenpaket von Punkt zu Punkt durch die Netzwerke gelangt. Ein wichtiger Bestandteil dieser Protokolle ist die Wegefindung (Routing).
• Netzzugang: Die Protokolle dieser Schicht beschreiben, wie Daten zwischen Geräten ausgetauscht werden, die sich im selben Netzwerkabschnitt befinden, also direkt per Kabel, WLAN oder Verteiler miteinander verbunden sind. Diese Schicht beinhaltet die Übertragungsschicht, deren Protokolle beschreiben, wie Binärdaten zwischen zwei direkt verbundenen Systemen über ein physikalisches Medium übertragen werden.