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Meinels Web-Tutorial: Wie E-Mails beim Empfänger landen

Es ist ein Vorgang, der tagtäglich hunderte Milliarden Mal stattfindet: eine E-Mail von A nach B zu befördern. Das läuft hinter den Kulissen ab, wenn Sie auf »Senden« drücken.
E-Mail, die Killer-App des InternetsLaden...

Die E-Mail gehört zweifellos zu den beliebtesten Anwendungen des Internets. Schließlich vereinfacht sie die weltweite Kommunikation und macht es möglich, dass wir preiswert und in Echtzeit mit Menschen auf dem gesamten Globus kommunizieren können. Heute werden auf der ganzen Welt jeden einzelnen Tag über 300 Milliarden (!) E-Mails versendet und empfangen, und dabei sind die ganzen Spam-Mails nicht einmal mitgezählt. Allein in Deutschland werden jährlich über 850 Milliarden E-Mails versendet. Es war die »Killer-Applikation« des Internets: Hätte es die elektronische Post nicht gegeben, hätte das weltweite Netz womöglich nicht so schnell und so umfassend Verbreitung gefunden.

Entwickelt wurde diese bis heute so erfolgreiche Internetanwendung von Ray Tomlinson, der bereits 1971 die erste elektronische Post über das ARPANET versendete. Die erste E-Mail in Deutschland wurde dagegen erst im Jahr 1984 von Michael Rotert empfangen. Rotert war damals Mitarbeiter am Lehrstuhl von Werner Zorn, der übrigens heute emeritierter Professor am Hasso-Plattner-Institut ist.

Welche clevere Technik steckt hinter dem Begriff »TCP/IP«? Wie bekommt man Videos ins Netz? Und warum erscheint uns das Internet aus einem Guss, obwohl es aus Milliarden unterschiedlicher Rechner besteht? Das und mehr beleuchtet Informatikprofessor Christoph Meinel alle drei Wochen bei seinem Blick hinter die Kulissen des World Wide Web .
Alle Folgen gibt es hier: »»Meinels Web-Tutorial«

Die elektronische Post bildet die klassische Post nach, ihr Aufbau ähnelt einer gewöhnlichen Postkarte. Jede E-Mail hat ein Adressfeld, einen Briefkopf und eine (Text-)Nachricht, wie in folgendem Schema dargestellt.

Briefsendungen – analog und digitalLaden...
Briefsendungen – analog und digital | Wie herkömmliche Postkarten werden E-Mails von einem Sender an einen Adressaten geschickt.

Für die Beschreibung der E-Mail-Adresse, die aus dem Postfach des Adressaten und dem Domain-Namen seines Mailservers besteht, wird das inzwischen berühmte »at«-Zeichen verwendet, das beide Angaben trennt. Natürlich muss die E-Mail-Adresse weltweit eindeutig sein, sonst kann die Zustellung nicht klappen. Das sicherzustellen, ist die Aufgabe des entsprechenden E-Mail-Providers. Eine typische E-Mail-Adresse enthält also den Benutzernamen des Postfachs (»christoph.meinel«), die Kennzeichnung, dass es sich um eine E-Mail handelt (»@«) und den DNS-Namen des E-Mail-Servers, der das Postfach enthält (»hpi.de«).

Das E-Mail-System selbst besteht aus mehreren Komponenten: (1) dem Internet als Netzwerkinfrastruktur, (2) den User-Agenten (UA) zum Absenden und Empfangen von E-Mails und (3) den Message-Transfer-Agenten (MTA), die dafür zuständig sind, dass E-Mails über das Internet an den Mailserver mit dem richtigen Postfach geleitet werden.

Folgendes Schaubild visualisiert das komplexe System.

Die Nachricht springt über zahlreiche ZwischenstationenLaden...
Die Nachricht springt über zahlreiche Zwischenstationen | Die User-Agenten (UA) kommunizieren nicht direkt, sondern über zahlreiche Vermittler: die MTAs oder Message-Transfer-Agenten.

Wie für jede Internetanwendung braucht es auch für das E-Mail-System spezielle Protokolle auf der Anwendungsschicht des TCP/IP-Stapels. Für den Transport von E-Mails über das Internet ist das »Simple Mail Transfer Protocol« (SMTP) zuständig. Es regelt den technischen Verlauf von E-Mail-Versendungen über die MTAs durch das Message Transport System. Folgende Grafik illustriert den Algorithmus.

Wechselspiel beim DatentransferLaden...
Wechselspiel beim Datentransfer | Zwei MTAs kommunizieren nach einem festgelegten Schema, dem SMTP-Protokoll.

Im ersten Schritt schickt der Sender-MTA (SMTA) eine »Grußbotschaft« an den Empfänger-MTA (EMTA), die die Nachricht »Helo« und die IP-Adresse des SMTA enthält. Damit signalisiert der SMTA, eine Nachricht senden zu wollen. Der EMTA erwidert die Grußbotschaft und sendet seine IP-Adresse zurück. Anschließend tauschen die beiden MTAs Informationen über Sender und Empfänger der Nachricht aus (hier: christoph.meinel@hpi.de und bob@tum.de). Nun kann der Datentransfer erfolgen und die Nachricht über das TCP-Protokoll übertragen werden. Nach Abschluss des Transfers bestätigt der EMTA, die Nachricht vollständig erhalten zu haben, und der SMTA schließt die Kommunikation ab.

Dieses Verfahren wiederholt sich zwischen den einzelnen Stationen im komplexen MTA-System mehrmals, bis die E-Mail schließlich ihren Weg vom Sender zum Empfänger gefunden hat.

Das SMTP-Protokoll erlaubt dabei nur die Übermittlung von E-Mails mit 7-bit ASCII-Zeichen über das Internet – sprich: reinen Text. Wenn eine Mail Bilder, Audiodaten oder Video übertragen soll oder auch die vielen Sonderzeichen der verschiedenen Sprachen, braucht es ein weiteres E-Mail-Protokoll, den MIME-Standard. Außerdem werden noch Mechanismen gebraucht, um E-Mails an ihre Empfänger auszuliefern. Als Nutzer wollen wir auf unsere E-Mails ja zugreifen, wann immer uns das passt. Auch wollen wir auf unsere E-Mails mit verschiedenen Geräten zugreifen, zu Hause mit dem Laptop und unterwegs mit dem Smartphone. Auch dazu braucht es weitere E-Mail-Protokolle. Die wichtigsten sind POP3 und IMAP, die wir zusammen mit dem MIME-Standard im nächsten Beitrag besprechen wollen.

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