Die Sicherungsschicht (Link Layer) ist die grundlegende Schicht des TCP/IP-Modells und verantwortlich für die Kommunikation im lokalen Netzwerksegment. Diese Schicht ist hardwareabhängig und befasst sich direkt mit Netzwerkschnittstellenkarten und physischer Adressierung.
Frames und der Sicherungsschicht-Header
Auf der Sicherungsschicht wird das Paket aus der Vermittlungsschicht in eine Struktur namens Frame eingekapselt. Ein entscheidender Teil dieses Prozesses ist das Hinzufügen des Sicherungsschicht-Headers. Dieser Header enthält die Quell- und Ziel-MAC-Adressen der Hosts, Prüfsummen zur Fehlererkennung und Paket-Trennzeichen, die es dem empfangenden Gerät ermöglichen, zu erkennen, wo ein Frame endet und der nächste beginnt.
Um den Sicherungsschicht-Header zu erstellen, benötigt das System sowohl die Quell- als auch die Ziel-MAC-Adresse. Während die Quell-MAC-Adresse bekannt ist, muss die Ziel-MAC-Adresse für eine IP-Adresse im selben lokalen Netzwerk ermittelt werden. Hier kommt das Address Resolution Protocol (ARP) ins Spiel.
ARP (Address Resolution Protocol)
ARP ist ein Protokoll der Sicherungsschicht, das verwendet wird, um die MAC-Adresse zu finden, die mit einer bestimmten IP-Adresse im selben Netzwerk verbunden ist. Befände sich der Zielhost in einem anderen Netzwerk, würde das Paket an ein Standard-Gateway (Router) gesendet, und ARP würde verwendet, um die MAC-Adresse des Routers zu finden.
Systeme konsultieren zuerst ihre ARP-Lookup-Tabelle, die bekannte IP-zu-MAC-Adress-Mappings zwischenspeichert. Wenn die erforderliche Adresse nicht im Cache vorhanden ist, sendet das System eine ARP-Anfrage an das gesamte Netzwerk. Diese spezielle Nachricht fragt, welcher Host eine bestimmte IP-Adresse besitzt, zum Beispiel 10.10.1.4. Der Host mit dieser IP-Adresse sendet eine ARP-Antwort, die seine IP- und MAC-Adresse enthält.
Mit allen notwendigen IP- und MAC-Adressen kann die Sicherungsschicht den Frame nun über die Netzwerkschnittstellenkarte weiterleiten. Die Reise eines Pakets ist ein mehrstufiger Prozess der Kapselung und Dekapselung, während es sich am sendenden und empfangenden Ende den TCP/IP-Stack auf und ab bewegt.
Paketdurchlauf (Packet Traversal)
Hier ist eine schrittweise Aufschlüsselung, wie ein Paket von einem Sender (Pete) zu einem Empfänger (Patty) gelangt:
- Pete sendet Patty eine E-Mail. Diese Daten werden an die Transportschicht gesendet.
- Die Transportschicht kapselt die Daten in einen TCP- oder UDP-Header ein, um ein Segment zu bilden. Sie fügt die Ziel- und Quellports hinzu und sendet das Segment an die Vermittlungsschicht.
- Die Vermittlungsschicht kapselt das Segment in ein IP-Paket ein und fügt die Quell- und Ziel-IP-Adressen hinzu. Anschließend leitet sie das Paket an die Sicherungsschicht weiter.
- Das Paket erreicht die Sicherungsschicht, wo es in einen Frame eingekapselt wird. Der Sicherungsschicht-Header, der die Quell- und Ziel-MAC-Adressen enthält, wird hinzugefügt.
- Patty empfängt diesen Datenframe über ihre physikalische Schicht, prüft den Frame auf Datenintegrität, de-kapselt ihn und sendet das IP-Paket an ihre Vermittlungsschicht.
- Die Vermittlungsschicht liest das Paket, um die Quell- und Ziel-IP-Adressen zu ermitteln. Sie bestätigt, dass die Ziel-IP mit ihrer eigenen übereinstimmt, de-kapselt das Paket und sendet das Segment an die Transportschicht.
- Die Transportschicht de-kapselt das Segment, prüft die TCP- oder UDP-Portnummern und stellt basierend auf diesen Ports eine Verbindung zur Anwendungsschicht her.
- Die Anwendungsschicht empfängt die Daten von der Transportschicht am angegebenen Port und präsentiert sie Patty als endgültige E-Mail-Nachricht.