TCP/IP-Modell erklärt: Die vier Schichten des Internets im Vergleich zum OSI-Modell

Im letzten Beitrag hast du das OSI-Modell mit seinen sieben Schichten kennengelernt. Wenn du aber in der Praxis nach Protokollen schaust, begegnet dir ständig ein anderer Name: TCP/IP. Das Internet läuft nicht auf OSI-Protokollen, sondern auf der TCP/IP-Familie. Wie passen die beiden zusammen, und warum gibt es überhaupt zwei Modelle?

Kurz gesagt: Das OSI-Modell ist ein Lehrmodell, das möglichst sauber gliedert. Das TCP/IP-Modell beschreibt, was im Netz tatsächlich im Einsatz ist. Beide brauchst du, und sie lassen sich gut aufeinander abbilden.

Woher kommt TCP/IP?

Die Protokolle TCP und IP wurden in den 1970er-Jahren für ein Forschungsnetz der US-Regierung entwickelt, den Vorläufer des Internets. Als Urheber gelten vor allem Vint Cerf und Bob Kahn. Am 1. Januar 1983 stellte das ARPANET auf TCP/IP um. Das OSI-Modell kam als internationaler Standard etwas später, doch bis dahin hatte sich TCP/IP bereits verbreitet. Seitdem bestimmt es die Praxis.

Die Protokolle werden von der IETF in öffentlichen Dokumenten festgehalten, den RFCs (Request for Comments). Jeder kann sie lesen. Dort ist auch ein Schichtenmodell mit vier Schichten beschrieben, das man heute als TCP/IP-Modell bezeichnet.

Die vier Schichten und ihr Bezug zu OSI

TCP/IP-Schicht	Entspricht OSI-Schicht	Aufgabe	Beispiele	Dateneinheit
4 Anwendung	7, 6, 5	Dienste für Anwendungen	HTTP, HTTPS, DNS, DHCP, SMTP, IMAP, SSH	Daten
3 Transport	4	Ende-zu-Ende-Verbindung, Ports	TCP, UDP	Segment, Datagramm
2 Internet	3	IP-Adressierung und Routing	IPv4, IPv6, ICMP	Paket
1 Netzzugang	2, 1	Zugriff auf das Übertragungsmedium	Ethernet, WLAN (IEEE 802.11)	Rahmen, Bits

Das Modell kommt also mit weniger Schichten aus, weil es Aufgaben zusammenfasst. Die obersten drei OSI-Schichten, die sich in der Praxis kaum trennen lassen, bilden zusammen die Anwendungsschicht. Die untersten beiden, Bitübertragung und Sicherung, bilden den Netzzugang.

Eine Besonderheit: In manchen Lehrbüchern findest du fünf Schichten. Dort ist der Netzzugang in Bitübertragung und Sicherung aufgeteilt. Das ist ein Mischmodell aus beiden Welten. Welche Variante dein Kurs nutzt, solltest du im Rahmenplan oder Skript nachsehen. Die Inhalte bleiben dieselben.

Die Schichten im Einzelnen

Netzzugang

Die unterste Schicht regelt, wie Daten in ein konkretes Netz gelangen: über Ethernet-Kabel, WLAN oder andere Medien. Hier arbeiten MAC-Adressen, Switches und Netzwerkkarten. Das TCP/IP-Modell sagt dazu bewusst wenig, denn die oberen Schichten sollen unabhängig davon funktionieren. Das ist ein Grund für den Erfolg: IP läuft über Kabel, Funk, Glasfaser und Mobilfunk gleichermaßen.

Internet

Die Internetschicht sorgt dafür, dass Pakete ihr Ziel auch über viele Netze hinweg erreichen. Das zentrale Protokoll ist IP. Es versieht jedes Paket mit Absender- und Ziel-IP-Adresse, und Router leiten es Schritt für Schritt weiter. Zwei Eigenschaften von IP solltest du kennen:

• Verbindungslos: Jedes Paket wird einzeln behandelt, ohne vorherigen Verbindungsaufbau.
• Best Effort: IP gibt sich Mühe, garantiert aber nichts. Pakete können verloren gehen, doppelt ankommen oder in anderer Reihenfolge eintreffen. Um Zuverlässigkeit kümmert sich die nächste Schicht.

Ein zweites Protokoll dieser Schicht ist ICMP. Es transportiert Steuer- und Fehlermeldungen, zum Beispiel die Antworten des Befehls ping.

Jedes IP-Paket trägt außerdem einen Zähler namens TTL (Time to Live). Jeder Router, den das Paket durchläuft, zählt ihn um 1 herunter. Erreicht er 0, verwirft der Router das Paket. So kreisen fehlerhaft geleitete Pakete nicht endlos im Netz.

Transport

Die Transportschicht stellt die Verbindung zwischen zwei Anwendungen her. Während IP nur den Rechner adressiert, unterscheidet sie über Portnummern, welche Anwendung gemeint ist. Zwei Protokolle sind wichtig:

	TCP	UDP
Verbindung	Verbindungsorientiert, wird erst aufgebaut	Verbindungslos, sendet sofort
Zuverlässigkeit	Bestätigung, verlorene Teile werden neu gesendet	Keine Garantie
Reihenfolge	Wird sichergestellt	Nicht sichergestellt
Header	mindestens 20 Byte	8 Byte
Geschwindigkeit	Mehr Aufwand, dafür sicher	Wenig Aufwand, schnell
Typische Nutzung	Webseiten, E-Mail, Dateiübertragung	DNS-Anfragen, Sprache, Video, Spiele

Beide haben ihre Berechtigung. Wenn bei einem Telefonat ein Paket mit einem Zehntelsekunden-Schnipsel Ton verloren geht, ist das weniger schlimm als eine Verzögerung durch erneutes Senden. Bei einer heruntergeladenen Datei muss dagegen jedes Byte stimmen.

Eine Einschränkung: Das neuere Webprotokoll HTTP/3 läuft über QUIC und damit auf UDP, baut aber eigene Zuverlässigkeit darauf auf. Das klassische HTTP und HTTPS laufen über TCP.

Ports: Welche Anwendung ist gemeint?

Ein Port ist eine 16-Bit-Zahl. Es gibt also 216 = 65.536 Portnummern, von 0 bis 65.535. Wie bei einem Bürogebäude: Die IP-Adresse ist die Straßenadresse, der Port die Zimmernummer. Die Ports teilen sich in drei Bereiche:

• 0 bis 1023: Well-known Ports für Standarddienste,
• 1024 bis 49151: registrierte Ports für bestimmte Anwendungen,
• ab 49152: dynamische Ports, die Clients für ihre Verbindungen nutzen. Je nach Betriebssystem beginnt dieser Bereich auch schon bei 32768.

Die wichtigsten Ports, die du kennen solltest:

Port	Protokoll	Dienst
20, 21	TCP	FTP (Dateiübertragung)
22	TCP	SSH (sichere Fernwartung)
25	TCP	SMTP (E-Mail-Versand)
53	UDP und TCP	DNS (Namensauflösung)
67, 68	UDP	DHCP (Adressvergabe)
80	TCP	HTTP (Webseiten)
110	TCP	POP3 (E-Mail abholen)
143	TCP	IMAP (E-Mail abrufen)
443	TCP	HTTPS (verschlüsselte Webseiten)
3389	TCP	RDP (Windows-Fernzugriff)

Der Drei-Wege-Handshake bei TCP

Bevor TCP Daten überträgt, baut es eine Verbindung auf. Das geht in drei Schritten und heißt Drei-Wege-Handshake:

1. SYN: Der Client sendet dem Server eine Anfrage zum Verbindungsaufbau.
2. SYN-ACK: Der Server bestätigt und bietet seinerseits eine Verbindung an.
3. ACK: Der Client bestätigt. Die Verbindung steht.

Danach folgen die eigentlichen Daten, jeweils mit Sequenznummern und Bestätigungen. Fehlt eine Bestätigung, sendet TCP das betroffene Segment erneut. Am Ende wird die Verbindung mit einem eigenen Austausch geschlossen.

Anwendung

Die oberste Schicht enthält die Protokolle, mit denen Programme miteinander sprechen. Beispiele sind HTTP und HTTPS für Webseiten, DNS für Namen, DHCP für Adressen, SMTP und IMAP für E-Mail sowie SSH für die Fernwartung. Jedes dieser Protokolle bekommt in der Reihe einen eigenen Beitrag.

Welche Adresse gehört auf welche Schicht?

Mit dem TCP/IP-Modell wird klar, wie die verschiedenen Adressen zusammenspielen. Jede Schicht arbeitet mit ihrer eigenen:

Schicht	Adresse	Beispiel
Anwendung	Name	www.beispiel.de
Transport	Portnummer	443
Internet	IP-Adresse	203.0.113.50
Netzzugang	MAC-Adresse	00:1A:2B:3C:4D:99 (Router)

Das Zusammenspiel von IP und MAC kennst du aus dem Beitrag MAC-Adresse und IP-Adresse. Mit den Ports ergibt sich das vollständige Bild: Der Name wird zur IP-Adresse aufgelöst, der Port wählt den Dienst, die IP-Adresse führt über die Netze, und die MAC-Adresse bringt den Rahmen über die jeweilige Teilstrecke.

OSI und TCP/IP im Vergleich

	OSI-Modell	TCP/IP-Modell
Schichten	7	4 (in manchen Büchern 5)
Entstehung	Als Referenzmodell von der ISO entworfen	Aus der Praxis entstanden, später beschrieben
Rolle heute	Lehr- und Fachsprache, Fehlersuche	Grundlage der real genutzten Protokolle
Strenge	Klare Trennung der Schichten	Pragmatisch, Schichten greifen teilweise ineinander
Typisch genutzt für	Prüfungen, Gespräche wie „Schicht-2-Problem“	Einordnung echter Protokolle wie TCP, IP, HTTP

Eine einfache Regel für den Alltag: Wenn du über Fehlerorte sprichst („das ist ein Schicht-3-Problem“), nutzt du die OSI-Zählweise. Wenn du ein Protokoll einordnest („TCP liegt in der Transportschicht“), passt das TCP/IP-Modell besser.

Praxis: Verbindungen und Ports sichtbar machen

Mit dem Befehl netstat siehst du, welche Verbindungen dein Rechner gerade hat und auf welchen Ports er lauscht. Unter Windows zeigst du mit diesem Befehl alle Verbindungen mit der Prozess-ID an:

netstat -ano

In der Ausgabe findest du pro Zeile das Protokoll, die lokale Adresse mit Port, die Gegenstelle mit Port und den Zustand. Ein Zustand LISTENING bedeutet, dass ein Dienst auf Verbindungen wartet. ESTABLISHED steht für eine bestehende Verbindung. Unter Linux gibt dir der Befehl ss eine ähnliche Übersicht. Mit diesem Aufruf listest du alle lauschenden TCP- und UDP-Ports:

ss -tuln

Hier siehst du, welche Dienste auf deinem System von außen erreichbar sind, und das ist für die Sicherheit wichtig. Jeder offene Port ist eine mögliche Angriffsfläche. Lauscht ein Dienst, den du nicht brauchst, solltest du ihn abschalten.

Wie traceroute die TTL nutzt

Den Befehl tracert (Windows) oder traceroute (Linux) kennst du aus dem Beitrag LAN, WLAN und WAN. Mit der TTL lässt sich jetzt erklären, wie er arbeitet. Er sendet Pakete mit TTL 1, dann mit TTL 2, dann mit TTL 3 und so weiter. Der erste Router zählt die TTL auf 0 herunter, verwirft das Paket und schickt eine ICMP-Fehlermeldung zurück. Dadurch erfährt der Absender, wer der erste Router ist. Beim nächsten Paket meldet sich der zweite, und so entsteht Station für Station die Liste des Weges.

Praxisbeispiel: Ein Webseitenaufruf im Detail

Der Rechner mit 192.168.10.77 ruft die Seite auf dem Server 203.0.113.50 auf. Der Browser öffnet für die Verbindung einen dynamischen Port, zum Beispiel 50432, und spricht den Server auf Port 443 an:

Client: 192.168.10.77 : 50432
Server: 203.0.113.50  : 443

Die Kombination aus IP-Adresse und Port nennt man Socket. Eine Verbindung ist durch das Paar aus Client-Socket und Server-Socket eindeutig bestimmt. So kann derselbe Rechner gleichzeitig mehrere Verbindungen zum selben Server haben, solange die Client-Ports verschieden sind. Zuerst läuft der Drei-Wege-Handshake, danach folgen TLS-Handshake und HTTP-Anfrage, und die Antwort kommt in vielen Segmenten zurück.

Typische Fehler und Missverständnisse

• „TCP/IP besteht nur aus TCP und IP.“ Der Name bezeichnet eine ganze Protokollfamilie, darunter UDP, ICMP, DNS, HTTP und viele mehr.
• IP-Adresse und Port verwechseln. Die IP-Adresse bestimmt den Rechner, der Port die Anwendung auf dem Rechner.
• „UDP ist schlechter als TCP.“ Beide haben andere Stärken. Für Echtzeitanwendungen ist UDP oft besser geeignet.
• „Verbindungsorientiert heißt, es gibt eine feste Leitung.“ Gemeint ist nur der Dialog zwischen den Endpunkten. Die Pakete laufen weiterhin einzeln durch das Netz.
• Anzahl der Schichten verwechseln. OSI hat 7, TCP/IP 4 (in manchen Büchern 5). Frag im Kurs nach, welches Modell gefragt ist.
• Ein offener Port sei harmlos. Jeder offene Port ist eine Angriffsfläche und sollte begründet sein.

Zum Üben

1. Nenne die vier Schichten des TCP/IP-Modells von oben nach unten.
2. Welche OSI-Schichten fasst die Anwendungsschicht des TCP/IP-Modells zusammen?
3. Wie viele Portnummern gibt es, und warum?
4. Welche Ports gehören zu HTTPS, SSH und DNS?
5. Ordne TCP oder UDP zu: Dateidownload, Videotelefonat, E-Mail-Versand, DNS-Anfrage.
6. Beschreibe die drei Schritte des TCP-Handshakes.
7. Wozu dient die TTL im IP-Header?

Lösungen: (1) Anwendung, Transport, Internet, Netzzugang. (2) Die OSI-Schichten 7, 6 und 5. (3) Es gibt 216 = 65.536 Ports (0 bis 65.535), weil die Portnummer 16 Bit hat. (4) HTTPS: 443, SSH: 22, DNS: 53. (5) Dateidownload: TCP. Videotelefonat: UDP. E-Mail-Versand: TCP. DNS-Anfrage: meist UDP. (6) SYN vom Client, SYN-ACK vom Server, ACK vom Client. (7) Sie wird bei jedem Router um 1 verringert. Bei 0 wird das Paket verworfen, so kreisen Pakete nicht endlos im Netz.

Das solltest du dir merken

• Das TCP/IP-Modell hat vier Schichten: Anwendung, Transport, Internet und Netzzugang. Es ist die Grundlage des Internets.
• Das OSI-Modell eignet sich für Prüfungen und die Fehlersuche, das TCP/IP-Modell für die Einordnung realer Protokolle.
• IP adressiert Rechner und ist verbindungslos und ohne Garantie. ICMP transportiert Fehler- und Steuermeldungen. Die TTL verhindert Endlosschleifen.
• TCP ist zuverlässig und verbindungsorientiert, UDP schnell und ohne Garantie.
• Ports (16 Bit, 0 bis 65.535) bestimmen die Anwendung. Die wichtigsten: 22 SSH, 53 DNS, 80 HTTP, 443 HTTPS.
• Ein Socket ist die Kombination aus IP-Adresse und Port.

Mit dem Modell im Kopf geht es jetzt in die Details der Adressierung. Der nächste Beitrag zeigt, wie eine IPv4-Adresse aufgebaut ist und wie du sie liest: IPv4 verstehen.