Informations- und Kommunikationstechnik

Das OSI-Referenzmodell

In Datennetzen und besonders im Internet sind viele verschiedene Netzwerktypen mit unterschiedlichen Geräten, Betriebssystemen und Anwenderprogrammen diverser Hersteller verbunden. In diesen offenen Systemen ist nur dann eine gemeinsame Kommunikation möglich, wenn feste Vereinbarungen bestehen, die für alle im Netz befindlichen Teilnehmer bindend sind. Die Vereinbarungen werden Protokolle genannt.

Um das gemeinsame Verbundsystem ausbaufähig zu halten, ist es in einzelne Ebenen unterteilt. In jeder dieser Schichten wird nur ein genau definierter Aufgabenbereich abgearbeitet und das Ergebnis an die nächste Schicht weitergegeben. Es handelt sich um ein hierarchisches System. Solange die Übergabefunktionen erkannt und eingehalten werden, kann die Arbeitsweise innerhalb einer Schicht jederzeit angepasst und verbessert werden, ohne dass der Anwender davon etwas bemerkt.

Im Jahr 1983 wurde von der International Organisation for Standardization, der ISO, ein Basiskommunikationsmodell veröffentlicht. Es ist das OSI-Referenzmodell, Open System Interconnection, das in sieben Schichten unterteilt ist und als OSI-Schichtenmodell bezeichnet wird. Die unteren vier Schichten werden als transportorientierte Schichten, die darüber folgenden drei als anwenderorientierte Schichten bezeichnet. Jede Schicht stellt definierte Übergabefunktionen zur Verfügung, die einen geregelten Datenverkehr ermöglichen. Da jedes Endsystem im Netzwerk das Schichtenmodell in gleicher Reihenfolge abarbeitet, scheinen gleiche Schichten horizontal in Verbindung zu stehen. Der Datentransport verläuft tatsächlich vertikal und nur im physikalischen Übertragungsmedium wie Kabel, LWL oder Funk des Netzwerks horizontal.

OSI-Referenzmodell

Leitungsvermittlung

Der Datenaustausch im Netzwerk kann wie bei einem herkömmlichen Telefonat durch Leitungsvermittlung erfolgen. Zwischen zwei Netzknoten wird eine feste Verbindung aufgebaut, die solange von keinem anderen Netzknoten verwendet werden kann, wie der Datenaustausch erfolgt und die Verbindung nicht getrennt wird. In Rechnernetzen und dem Internet ist die Leitungsvermittlung weder leistungsfähig noch wirtschaftlich.

Paketvermittlung

Die IT-Netzwerke verwenden eine Paketvermittlung bei der viele Teilnehmer nacheinander gesteuert viele kleinere Datenpakete an ihre Zieladressen versenden. Die Pakete können über unterschiedliche Vermittlungsknoten an das Ziel gelangen, werden dort erkannt und in der richtigen Reihenfolge zur ursprünglichen Datenfolge zusammengesetzt. Das Datennetz kann dadurch gleichzeitig von vielen Teilnehmern genutzt werden. Die zur Steuerung notwendigen Protokolle in den einzelnen Schichten sind aufwendiger.

Aufgaben der Schichten

Schicht 7 – Anwendungsschicht – Application layer

Die oberste Ebene ist die Schnittstelle für den Benutzer und die Anwendungsprogramme, mit deren Hilfe er auf das Netz zugreifen und kommunizieren will. Sie kann daher auch als Verarbeitungsschicht bezeichnet werden. Zur Anwendungsschicht gehören die Funktionen und Dienstprogramme wie Datenübertragung, E-Mail, Fernwartung, Datenbankmanagement. Hier werden die anwendungsorientierten Grunddienste mit den entsprechenden Datenstrukturen und Protokollen bereitgestellt. Bekanntere Protokolle sind: HTTP, SSH, FTP, SMTP, POP3 und Telnet. Eine Hardwarekomponente ist das Gateway, das mit allen übrigen Schichten als Protokollwandler arbeitet. Es kann bestehende Protokolle verändern oder entfernen sowie neue hinzufügen.

Schicht 6 – Darstellungsschicht – Presentation layer

Die Darstellungsschicht hält Funktionen für immer wiederkehrende Aufgaben bereit. Hierzu gehört die Datenkonvertierung in eine im Netz verständliche genormte Darstellungs- und Codiersprache wie ASCII, JPEG, HTML, Unicode/UTF-8, ANS.1, die Komprimierung und Datenverschlüsselung sowie die Darstellung auf dem Bildschirm. Die Schicht 6 sorgt als Datenbereitstellungsebene dafür, dass die Daten von der Anwendungsschicht unterschiedlicher vernetzter Systeme vom Benutzer sinnvoll auswertbar sind.

Schicht 5 – Kommunikationssteuerungsschicht – Session layer

Eine Sitzung ist eine logische Verbindung in der Sitzungsschicht eines Protokoll-Stacks. Die Aufgaben der Schicht 5 sind unter anderem die Synchronisation und die Vergabe von Zugriffsrechten zwischen Netzknoten. In diesen Bereich fallen die Passwortabfrage und das Setzen von Fixpunkten im Datenstrom. Mit deren Hilfe kann eine gestörte Datenverbindung ab diesem Punkt neu synchronisiert werden.

Schicht 4 – Transportschicht – Transport layer

Für die darüber liegenden Schichten 5 bis 7 stellt die Transportschicht einen einheitlichen Zugang zur Verfügung und kann als logische End-zu-End-Verbindung zwischen den Anwendern gesehen werden. Der eigentliche Datentransport, der von den noch folgenden Schichten ausgehandelt wird, bleibt den höheren, anwendungsorientierten Ebenen verborgen und wird als transparent bezeichnet.

Die Transportschicht übernimmt die Datensegmentierung, bei der größere Datenmengen in kleinere Pakete aufgeteilt und mit Protokollinformationen versehen werden. So ermöglicht die Schicht mittels Flusskontrolle eine Kommunikation unterschiedlich schneller Rechner, kann Datenstaus verhindern und nach dem Datenempfang die Segmente in richtiger Reihenfolge aneinandersetzen. Weitere Aufgaben sind die Fehlererkennung und Fehlerbehebung. Die bekannteren Internetprotokolle der Transportschicht sind TCP, UDP und SCTP.

Schicht 3 – Vermittlungsschicht – Network layer

Aufgabe der Vermittlungsschicht ist die Übertragung der Datenpakete und die Wahl geeigneter Verbindungswege. Die Datenpakete der Schicht 4 erhalten Weginformationen für das Routing in einen Header oder Datenkopf geschrieben. Das so erweiterte Datenpaket nennt sich Datagramm.

Die Wegführung und Reihenfolge der vielen Datagramme im Netz ist voneinander unabhängig und wird durch Routingtabellen innerhalb der Vermittlungsschicht organisiert. Es gibt sowohl statische als auch dynamische Routingverfahren. Letztere sorgen für eine optimale Netzauslastung. Datagramme, aus deren Header eine Weiterleitung abgelesen wird, gelangen nicht zur Schicht 4. Sie werden mit einem neuen Header zum nächsten Verbindungsknoten gesendet.

Auf der Vermittlungsschicht arbeiten Router und Layer-3-(Multilayer)-Switch als bekannte Hardwarekomponenten. Einige der unterstützten Protokolle sind: IP, ICMP, ARP sowie X.25, ein nach außen leitungsvermitteltes, intern aber paketvermitteltes Verfahren großer Telefongesellschaften. Bei der deutschen Telecom ist es unter dem Namen Datex-P bekannt.

Schicht 2 – Sicherungsschicht – Data link layer

Die Sicherungsschicht gruppiert die zu übertragenden Datenbits zu Datenrahmen oder Frames. In einem vorangestellten Header sind die Quell-, Ziel- und MAC-Adressen eingetragen. Das Frameende, der Trailer, bekommt Steuer- und Prüfsummenfelder. Die Schicht 2 sorgt damit für gesicherte Übertragungskanäle und kann Übertragungsfehler der Schicht 1 erkennen. Defekte Frames werden erneut angefordert. Es gibt eine Datenflusskontrolle und ein Quittierungsverfahren mit der die Sendegeschwindigkeit gesteuert und das Netz gegen Überlastung geschützt wird.

Nach den IEEE 802-Normen ist die Schicht 2 in die beiden Unterebenen LLC und MAC, unterteilt. Bridge und Switch zählen zu den Hardwarekomponenten der Sicherungsschicht. Im Ethernet-Protokoll erfolgt hier die Zugriffskontrolle CSMA/CD. Ebenfalls zur Sicherungsschicht gehören die Normen und Protokolle für Token-Passing und FDDI.

Schicht 1 – Bitübertragungsschicht – Physical layer

Die Bitübertragungsschicht sorgt als unterste Ebene für die Weiterleitung oder Übertragung der seriellen Bitfolgen. Neben den übertragungstechnischen Verfahren auf der Signalebene zählen zur Schicht 1 auch die Hardwarekomponenten, die den Signalfluss zum oder vom eigentlichen physikalischen Übertragungsmedium ermöglichen. Die Verkabelung selbst, kupferbasiert oder optisch zählt nicht dazu. Wichtige Aufgaben der Schicht 1 sind:

Der Bitübertragungsschicht zugeordnete Geräte sind Repeater, Hub, Transceiver, Modem, modulare Stecksysteme und ihre Belegung, BNC-T-Adapter, Abschlusswiderstände, Antennen.