Die Datenkapselung in Netzwerken spielt eine entscheidende Rolle bei der effektiven Kommunikation zwischen Quell- und Zielcomputer.
Und der umgekehrte Prozess, die Entkapselung, ist für den gleichen Zweck ebenfalls unerlässlich. Diese beiden Prozesse arbeiten gleichzeitig, um eine ordnungsgemäße Kommunikation und den Datenfluss über ein Netzwerk zu gewährleisten.
Wenn Benutzer auf ihrem Computer auf bestimmte Daten zugreifen möchten, müssen sie nur ein paar Schlüsselwörter eingeben, und das Ergebnis wird in wenigen Augenblicken angezeigt.
Aber hinter den Kulissen passiert eine Menge und das mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit. Ihr Netzwerk und seine Komponenten sind damit beschäftigt, die Informationen zu beschaffen, nach denen die Benutzer gefragt haben.
Und doch haben die meisten Menschen nur wenig Ahnung von den Mechanismen, die im Hintergrund arbeiten, um ihre Arbeit zu erledigen. In Wirklichkeit spielen Netzwerke, Komponenten und verwandte Konzepte eine wichtige Rolle im täglichen Leben der modernen Benutzer.
In diesem Artikel werde ich auf die Kapselung und Entkapselung eingehen, um Ihnen die Netzwerkkonzepte näher zu bringen.
Lassen Sie uns beginnen!
Was sind Datenkapselung und Entkapselung?
Datenkapselung: In Netzwerken bedeutet Datenkapselung das Hinzufügen weiterer Informationen zu einem Datenelement, wenn es im OSI- oder TCP/IP-Netzwerkmodell von einer Quelle zu einem Ziel unterwegs ist, um ihm zusätzliche Funktionen zu verleihen.
Durch die Datenkapselung werden dem Header oder Footer der Daten Protokollinformationen hinzugefügt, um die Datenübertragung ordnungsgemäß durchzuführen. Sie findet auf der Seite des Absenders statt, von der Anwendungsschicht bis zur physikalischen Schicht. Dabei empfängt jede Schicht die eingekapselten Informationen von der vorhergehenden Schicht, fügt weitere Daten hinzu, um sie weiter einzukapseln, und sendet sie an die nächste Schicht.
Dieser Prozess kann Fehlererkennung, Datenreihenfolge, Staukontrolle, Flusskontrolle, Routing-Daten usw. umfassen.
Daten-Entkapselung: Dies ist die Umkehrung der Datenkapselung. Die eingekapselten Daten werden aus den empfangenen Daten entfernt, während sie von der physikalischen Schicht zur Anwendungsschicht auf der Seite des Empfängers wandern, um die ursprünglichen Informationen zu erhalten.
Dieser Prozess findet auf der gleichen Schicht statt wie die eingekapselte Schicht auf der Seite des Absenders. Die neu hinzugefügten Header- und Trailer-Informationen werden dann aus den Daten entfernt.
Letztendlich werden die Daten auf der Seite des Senders in jeder Schicht eingekapselt und dann auf der Seite des Empfängers in derselben Schicht des TCP/IP- oder OSI-Netzwerkmodells entkapselt.
Was ist eine Protokolldateneinheit (PDU)?
Protokolldateneinheit (PDU) bezieht sich auf die Steuerdaten, die einem Datenelement auf jeder Schicht des OSI- oder TCP/IP-Modells während der Datenübertragung beigefügt werden. Diese Informationen werden dem Feld Header des Datenelements hinzugefügt, jedoch am Ende oder im Trailer.
Jede Schicht im Netzwerkmodell verwendet also die PDU, um mit der benachbarten Schicht zu interagieren und Daten auszutauschen. Diese PDUs werden gekapselt, indem sie auf jeder Schicht zu den Daten hinzugefügt werden. Jede PDU erhält einen Namen, der auf den darin enthaltenen Daten basiert. Die Nachbarschicht am Zielort kann die Daten nur lesen, bevor sie entfernt und an die nächste Schicht weitergegeben werden.
PDUs im OSI-Modell
Wie bereits erwähnt, wird die PDU in jeder OSI-Modellschicht mit einem Namen versehen. Tatsächlich werden für gekapselte Daten in verschiedenen Schichten in verschiedenen Modellen unterschiedliche Begriffe verwendet, wie in der folgenden Tabelle aufgeführt.
In der Anwendungsschicht des TCP/IP-Netzwerks und den Anwendungs-, Darstellungs- und Sitzungsschichten des OSI-Modells wird es einfach “Daten” genannt, aber in anderen Schichten beider Modelle ist es etwas anderes.
| Gekapselter Begriff | OSI-Schichten | TCP/IP-Schichten |
| Daten | Anwendung | Anwendung |
| Daten | Präsentation | – |
| Daten | Sitzung | – |
| Segment | Transport | Transport |
| Paket | Netzwerk | Internet |
| Rahmen | Datenverbindung | Datenverbindung |
| Bits | Physikalisch | Physikalisch |
Lassen Sie uns diese im Detail verstehen und ihre Bedeutung für die Vernetzung.
Transportschicht-PDU
In der Transportschicht wird die Protokolldateneinheit als “Segment” bezeichnet. Die Schicht erstellt den Header und fügt ihm dann ein Datenstück hinzu. Hier enthält die Dateneinheit die Daten, die vom entfernten Host verwendet werden, um alle Datenstücke wieder zusammenzusetzen.
Ein Header mit dem Datenstück auf der Transportschicht wird also als Segment bezeichnet, das die Schicht zur weiteren Verarbeitung an die nächste Schicht (Netzwerkschicht) weitergibt.
PDU der Netzwerkschicht
Die PDU in der Netzwerkschicht wird als “Paket” bezeichnet. Die Netzwerkschicht erstellt in ähnlicher Weise einen Header für jedes Segment, das sie von der Transportschicht erhält. Der Header enthält die Daten zum Routing und zur Adressierung.
Nachdem die Netzwerkschicht den Header erstellt hat, fügt sie ihn an das Segment an. An dieser Stelle wird das Datenelement zum Paket, das dann an die nächste Schicht weitergeleitet wird.
Datenübertragungsschicht PDU
In dieser Schicht wird die PDU als “Rahmen” bezeichnet. Die Datenübertragungsschicht empfängt das Paket von der vorherigen Schicht und erstellt dann für jedes empfangene Paket einen Header und einen Trailer. Der Header enthält die Vermittlungsdaten wie die Adresse des Quellcomputers, die Adresse des Zielcomputers usw. Der Trailer hingegen enthält Daten über beschädigte Datenpakete.
Die Datenverbindungsschicht fügt die Header- und Trailer-Informationen an das Paket an. Dann wird die Dateneinheit zum Frame, der an die nächste Schicht (Physical Layer) gesendet wird.
Physikalische Schicht PDU
Die PDU in der Bitübertragungsschicht wird als “Bit” bezeichnet. Die physikalische Schicht erhält den Frame von der vorherigen Schicht und wandelt ihn dann in ein Format um, das von einem Übertragungsmedium übertragen werden kann. Ein Bit ist nichts anderes als dieses Format.
Wie funktioniert die Verkapselung?
Bei der Verkapselung wird eine Dateneinheit oder ein Paket am Anfang und am Ende verschlüsselt. Der Anfang ist der Header, während das Ende der Trailer ist. Und die Daten zwischen dem Header und dem Trailer werden als Nutzdaten bezeichnet.
Der Header eines Pakets enthält in den ersten Bytes Daten, die den Beginn des Pakets markieren und die übertragenen Informationen kennzeichnen. Nun bewegt sich das Paket vom Quellcomputer zum Zielcomputer. Außerdem enthält der Header Daten, die auf dem verwendeten Protokoll basieren, da jedes Protokoll ein bestimmtes Format hat.
Außerdem verweist der Trailer des Pakets auf einen empfangenden Computer, der das Ende des Pakets erreicht hat. Er kann einen Fehlerprüfungswert enthalten, mit dem das Gerät bestätigt, ob es das vollständige Paket erhalten hat oder nicht.
Der schrittweise Verkapselungsprozess:
Schritt 1: Die Anwendungs-, Präsentations- und Sitzungsschicht des OSI-Modells oder die Anwendungsschicht des TCP/IP-Modells nehmen die Daten des Benutzers als Datenströme auf. Anschließend kapselt sie die Daten ein und leitet sie an die nächste Schicht, die Transportschicht, weiter. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie diesen Daten notwendigerweise einen Header oder Footer hinzufügt. Es ist anwendungsspezifisch und fügt nur die Kopf- oder Fußzeilen hinzu, die benötigt werden.
Schritt 2: Wenn die Daten sowohl im TCP/IP- als auch im OSI-Modell zur Transportschicht gelangen, verwendet diese Schicht den von den höheren Schichten kommenden Datenstrom und teilt ihn in viele Teile auf. Diese Schicht führt eine Datenkapselung durch, indem sie jedem Datenstück einen geeigneten Header hinzufügt, der als Segment bezeichnet wird. Der hinzugefügte Header enthält Sequenzierungsinformationen, so dass die Segmente auf der Empfängerseite wieder zusammengesetzt werden.
Schritt 3: Das Datenelement mit den hinzugefügten Header-Informationen geht nun an die nachfolgende Schicht, die Netzwerkschicht (OSI-Modell) oder Internetschicht (TCP/IP-Modell). Diese Schicht übernimmt die Segmente aus der vorherigen Schicht und führt eine Verkapselung durch, indem sie die erforderlichen Routing-Informationen hinzufügt, damit die Daten ordnungsgemäß übermittelt werden. Nach der Verkapselung werden die Daten in dieser Schicht zu einem Datagramm oder Paket.
Schritt 4: Das Datenpaket wird nun an die Datenverbindungsschicht im TCP/IP- oder OSI-Modell weitergeleitet. Diese Schicht nimmt das Paket und kapselt es ein, indem sie einen Header und einen Footer anhängt. Zu diesem Zeitpunkt enthält der Header Vermittlungsinformationen, um sicherzustellen, dass die Daten ordnungsgemäß an die empfangende Hardwarekomponente übermittelt werden. Im Gegensatz dazu enthält der Trailer Daten zur Fehlererkennung und -begrenzung. In dieser Phase werden die Daten zu einem Frame, der an die letzte Schicht weitergeleitet wird.
Schritt 5: Der Datenrahmen, der von der Datenverbindungsschicht kommt, geht nun an die physikalische Schicht im TCP/IP- oder OSI-Modell. Die Schicht kapselt ihn ein, indem sie die Daten in Bits oder Datensignale umwandelt.
Wie die Entkapselung funktioniert
Die Entkapselung erfolgt in umgekehrter Reihenfolge wie die Verkapselung, also von der physikalischen Schicht zur Anwendungsschicht im OSI- oder TCP/IP-Modell. Alle zusätzlichen Informationen, die den Daten während der Verkapselung auf der Seite des Senders hinzugefügt wurden, werden auf dem Weg zum Empfänger wieder entfernt.
Im Folgenden wird Schritt für Schritt beschrieben, wie die Entkapselung funktioniert:
Schritt 1: Die eingekapselten Daten in der physikalischen Schicht, Bits oder Datensignale genannt, werden von der Schicht entkapselt. Die Daten werden nun zu einem Datenrahmen, der an die höhere Schicht oder die Datenübertragungsschicht weitergeleitet wird.
Schritt 2: Die Datenverbindungsschicht nimmt nun diese Datenrahmen und entkapselt sie. Die Schicht prüft auch, ob der Header des Datenrahmens auf die richtige Hardware geschaltet ist. Wenn der Datenrahmen einem falschen oder falschen Ziel entspricht, wird er verworfen. Ist er jedoch korrekt, prüft die Schicht den Trailer des Datenrahmens auf Informationen.
Wenn sie einen Fehler im Trailer oder in den Daten findet, fordert sie eine erneute Übertragung der Daten an. Wenn der Trailer jedoch die richtigen Informationen enthält, entkapselt die Schicht ihn zu einem Datagramm oder Datenpaket und leitet es an die höhere Schicht weiter.
Schritt 3: Das von der Datenverbindungsschicht kommende Datenpaket wird nun an die Internetschicht (TCP/IP-Modell) oder die Netzwerkschicht (OSI-Modell) weitergeleitet. Die Schicht nimmt das Paket, um es zu entkapseln und ein Datensegment zu bilden.
Die Schicht prüft den Header des Pakets auf Routing-Informationen, um festzustellen, ob es an das richtige Ziel weitergeleitet wurde. Wenn es nicht richtig geroutet ist, wird das Datenpaket verworfen. Wenn es jedoch die richtigen Routing-Informationen enthält, entkapselt die Schicht es und sendet es an die höhere Schicht, d.h. die Transportschicht.
Schritt 4: Die von der Internet- oder Netzwerkschicht kommenden Datensegmente werden sowohl im TCP/IP- als auch im OSI-Modell an die Transportschicht weitergeleitet. Die Transportschicht nimmt die Segmente entgegen und prüft ihre Header-Informationen. Anschließend werden die Segmente wieder zusammengesetzt und zu Datenströmen verarbeitet, die dann an die höhere(n) Schicht(en) weitergeleitet werden.
Schritt 5: Die Datenströme der Transportschicht erreichen im TCP/IP-Modell die Anwendungsschicht. Im OSI-Modell erreichen sie die Sitzungsschicht, die Darstellungsschicht und schließlich die Anwendungsschicht. Die Schicht(en) nehmen die Datenströme entgegen, entkapseln sie und leiten nur anwendungsspezifische Daten an den Computer oder die Anwendungen des Empfängers weiter.
Vorteile der Verkapselung
Die Vorteile der Verkapselung in Netzwerken sind wie folgt:
#1. Datensicherheit
Die Verkapselung trägt dazu bei, die Datensicherheit und den Schutz vor unbefugtem Zugriff zu erhöhen. Und Sie wissen, wie wichtig der Datenschutz im heutigen Szenario ist. So können Sie Online-Risiken wie Datendiebstahl, Angriffe usw. vermeiden. Außerdem können Sie den Zugriff auf eine bestimmte Benutzerebene ohne großen Aufwand ermöglichen.
#2. Zuverlässige Daten
Die Verkapselung stellt die Integrität der Kerndaten sicher, so dass sie nicht durch einen Client-Code manipuliert werden können. Sie entscheidet auch darüber, ob die Kerndaten für externe Objekte sichtbar sind. Ohne Datenkapselung kann selbst eine kleine Änderung der Daten zu Schäden im Netzwerk führen.
#3. Zusätzliche Merkmale und Funktionalitäten
Bei der Verkapselung werden Daten in verschiedenen Schichten hinzugefügt. Dadurch werden der Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger über ein Netzwerk weitere Merkmale und Funktionalitäten hinzugefügt. Diese Merkmale und Funktionen können Datenflusskontrolle, Routing, Fehlererkennung, Datensequenzierung und mehr sein. Dies trägt auch dazu bei, dass die Datenübertragung ordnungsgemäß und effektiv verläuft.
#4. Effektive Kommunikation
Encapsulation und De-Encapsulation laufen in einem Netzwerk gleichzeitig ab. Die Verkapselung wird auf der Seite des Senders ausgeführt, während die Entkapselung auf der Seite des Empfängers erfolgt. Dadurch wird die Kommunikation effektiver, was sowohl für den Empfänger als auch für den Absender wichtig ist.
#5. Einfache Wartung
Aus irgendeinem Grund können jederzeit Fehler auftreten, die zu einer Unterbrechung der Datenübertragung zwischen den beiden Enden führen. Die Verkapselung der Daten trägt jedoch dazu bei, die Verbindung zu sichern und Manipulationen an den Daten zu vermeiden. Die Kerninformationen bleiben also sicher, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern verringert wird, was die Wartung erleichtert.
Fazit
Datenkapselung und -entkapselung sind wichtige Aspekte der Vernetzung. Diese Techniken gewährleisten einen ordnungsgemäßen Datenfluss innerhalb des Netzwerks und sorgen für mehr Datensicherheit, Datenschutz, Zuverlässigkeit und effektive Kommunikation.