Das
OSI
- Referenzmodell
Technischer
Bericht
Inhaltsverzeichnis
Zielsetzung
Der
technische Bericht soll Aufschluss darüber geben, wieso ein
standardisiertes Kommunikationsmodell in der Netzwerktechnik
eingeführt wurde und welche Aufgaben und Funktionen die einzelnen
Layer des ISO/OSI Referenzmodells haben.
Grundlagen
Kommunikation
Als
Kommunikation (lat.
communicare = teilen, mitteilen, teilnehmen lassen, vereinigen)
wird im Allgemeinen der wechselseitige Informationsaustausch
zwischen mindestens zwei Parteien definiert, wobei dieser gewissen
Regeln unterliegt, damit der Inhalt unverfälscht und richtig
Verstanden ankommen kann. Das in 1 vereinfacht dargestellte
Kommunikationsmodell beschreibt die grundsätzlichen Aspekte eines
Informationsaustausches. Ausgehend vom Sender, der beispielsweise
seine Gedanken in Worte fasst und diese durch Aussprechen in
Schallwellen umwandelt, wird die Information durch das
Übertragungsmedium Luft transportiert und am Ohr des Empfängers
umgewandelt, damit dieser das Gedachte verstehen kann.
Anhand
dieses einfachen Modells kann man gut nachvollziehen, dass Sender
und Empfänger dieselbe Sprache sprechen müssen um einen
Informationsaustausch erfolgreich abschließen zu können. Wenn
dieses Modell nun in der Netzwerktechnik Anwendung finden soll,
müssen abgesehen von der vom Computer benutzten Sprache, noch viele
weiter Faktoren, wie beispielsweise herstellereigene
Spezifikationen, berücksichtig werden.
Aufgrund
der Vielzahl von Herstellern und unterschiedlichen Systemen wurde es
unabdingbar ein geeignetes Modell zu entwickeln, welches hilft die
Kommunikation in einem Netzwerk zu standardisieren und damit auch zu
vereinfachen. Durch die Einführung des OSI Referenzmodells wurde es
möglich, Netzwerke zu planen ohne darauf achten zu müssen, dass
alle Teilnehmer dieselben Sprachen sprechen.
OSI
Referenzmodell
Das
OSI Referenzmodell (OSI – Open
System
Interconnection)
der International
Standard
Organisation
(ISO), welches erstmalig im Jahr 1984 als internationaler Standard
veröffentlicht wurde, dient bis heute als Grundlage für eine
Vernetzung offener Systeme. Das OSI Referenzmodell soll als Basis
für die Koordination der Entwicklung von Standards zur Vernetzung
von Systemen dienen und soll gleichzeitig die Möglichkeit bieten,
das bereits bestehende Standards in das Modell integriert werden
können
.Auszug
aus ISO/IEC 7498-1
„The
purpose of this Reference Model of Open Systems Interconnection is
to provide a common basis for the coordination of standards
development for the purpose of systems interconnection, while
allowing existing standards to be placed into perspective within
the overall reference model“
Um
diese Ziele erreichen zu können, wurde mit dem OSI Referenzmodell
eine logische Gliederung entwickelt, die die wesentlichen Leistungen
eines Netzwerks in Aufgaben einteilt und als Schichten darstellt1.
Wie das Innere dieser Schichten jedoch aufgebaut ist, hat aber keine
Bedeutung, da lediglich die Schnittstellen zwischen den Layern
maßgebend für ein eindeutiges Verhalten des Gesamtsystems sind2.
Grundsätzliche
Funktionsweise eines Schichtenmodells
Damit
das OSI Referenzmodell verstanden werden kann, muss im Vorfeld eine
nähere Erläuterung der Funktionsweise von
Netzwerkschichtenmodellen erfolgen, da die Kommunikation in diesen
immer demselben Schema folgt.
Eine
jede Schicht besteht aus definierten Schnittstellen (SAP – Service
Access Point) und einem Modul, auch Instanz genannt, welches
vertikal mit den angrenzenden Schichten, aber auch horizontal mit
räumlich getrennten Schichten derselben Hierarchieeben
kommuniziert. Die vertikale Beziehung zwischen den Instanzen wird
als Dienst, und die Horizontale als Protokoll bezeichnet. Diese
Protokolle legen eindeutige Kommunikationsregeln fest, um die
Lesbarkeit der Daten beim Empfänger zu gewährleisten.
Weiterhin
ist es so, dass Schichten höherer Ebene (N+1) den Dienst, der ihnen
von der darunterliegenden Ebene (N) angeboten wird, nutzen, um ihre
Aufgabe erfüllen zu können. Darüber hinaus sind Schichtenmodelle
so konzipiert, dass eine Ebene komplett ausgetauscht werden kann,
solange die Schnittstellen dieselben Spezifikationen haben. Der
Austausch einer Netzwerkkomponente (bspw. Netzwerkkarte) hat somit
keinen Einfluss auf die installierten Anwendungen.
Wenn
nun die Schicht N+1 Daten erhält, die sie verarbeiten soll und an
die Schicht N weitergeben muss, da eine Versendung über ein
Netzwerk erforderlich ist, verarbeitete die Instanz der Schicht N+1
diese und hängt einen sogenannte PDU (Protocol Data Unit) an die
Daten an. In der PDU sind Informationen über das verwendetet
Protokoll und weitere schichtspezifische Daten vorhanden. Dieses
neue Datenpaket wird an die Schicht N-1 weitergegeben, welche ihrer
Aufgabe entsprechend verfährt und wiederrum eine PDU anhängt. Auf
der Empfängerseite werden die jeweiligen PDU’s in den dafür
vorgesehenen Schiechten wieder abgetrennt bis nur noch die
eigentlichen Daten vorhanden sind und zur Anzeige gebracht werden
können.
Die
sieben Layer des OSI Referenzmodells
Layer
7 – Application Layer
Der
Application Layer (zu
Deutsch: Anwendungsschicht)
regelt den Zugriff auf die Anwenderprogramme, wobei die Anwendung
selbst aber kein Teil dieser Schicht ist. Sie dient somit der Ein-
und Ausgabe von Daten und stellt die Schnittstelle zum Benutzer,
bzw. dem Endgerät dar.
Beispiele
für Anwendungen die direkt auf dieser Schicht arbeiten sind
Webbrowser wie Mozilla Firefox oder E-Mailprogramme wie Thunderbird.
Eines der Bekanntesten Protokolle dieser Ebene ist das
HTTP-Protokoll, welches die Besonderheit hat, die Aufgaben der
Schichten 6 und 5 ebenfalls zu übernehmen.
Layer
6 – Presentation Layer
Im
Presentation Layer (zu
Deutsch: Darstellungsschicht)
erfolgt die Anpassung der Daten auf ein einheitliches Format, damit
Fehlinterpretationen durch Prozessoren verschiedener Bauweise
vermieden werden können. Darüber hinaus finden in dieser Schicht
Konvertierungs-, Kompressions- und Verschlüsselungsverfahren ihre
Anwendung, um zum einen die Netzlast zu verringern und um zum
anderen die Informationen durch geeignete Codierung vor
unberechtigtem Zugriff zu schützen.
Kompressionsverfahren
die auf dieser Schicht arbeiten sind unter anderem MPEG, GIF und
TIFF. Ein Protokoll welches Verschlüsselung unterstützt, aber
nicht ausschließlich auf dieser Schicht arbeitet ist HTTPS. Es
arbeitet genauso wie HTTP auf den Schichten 5-7
Layer
5 – Session Layer
Der
Session Layer (zu
Deutsch: Sitzungsschicht)
ist für Synchronisation und Organisation von Daten- und
Steuerinformationen für die sich im Dialog befindenden Stationen
zuständig3.
Unter eine Sitzung versteht man die Kommunikation zwischen zwei
Anwendungen, wobei es unerheblich ist, ob diese auf demselben System
oder aber räumlich getrennt voneinander laufen. Da es möglich ist,
dass verschiedene Anwendungen parallel laufen, separiert der Session
Layer diese und sorgt für den Aufbau, die Aufrechterhaltung und den
Abbau aller Sitzungen.
Als
Beispiel für diese Schicht dient das SMB Protokoll, welche für
Datei- und Druckerfreigaben zuständig ist.
Layer
4 – Transport Layer
Der
Transport Layer (zu
Deutsch: Transportschicht)
stellt
den Übergang von den Datenübertragenden zu den Datenverarbeitenden
Schichten dar. In ihm
werden Fehlerkontrollen zwischen den Endteilnehmern vorgenommen und
die Nachrichten - wenn nötig - in kleinere Einzelpakete zerlegt.
Sind Daten verfälscht worden oder verloren gegangen, reagiert diese
Schicht auf Wiederholungsanforderungen einer Station und bringt
durcheinandergeratene Pakete wieder in die richtige Reihenfolge4.
Das
bekannteste Protokoll dieser Schicht ist das Transmission Control
Protocol (kurz: TCP).
Layer
3 – Network Layer
Der
Network Layer (zu
Deutsch: Netzwerkschicht)
ist für das Finden eines den Anforderungen gerecht werdenden
Ãœbertragungsweges, sowie gegebenenfalls einer Umleitung,
verantwortlich. Unter
Anforderungen an den Ãœbertragungsweg versteht man beispielsweise
eine gleichmäßige Lastverteilung, hoher Durchsatz, geringe Kosten
oder höchstmögliche Sicherheit. Darüber hinaus findet in dieser
Schicht eine logische Adressierung statt.
Das
bekannteste Protokoll dieser Schicht ist das Internet Protokoll
(kurz: IP).
Layer
2 – Data Link Layer
Die
Hauptaufgabe des Data Link Layer (zu
Deutsch: Sicherungsschicht)
ist es, Bitströme in logische Einheiten(Frames) zu gruppieren. Es
findet eine funktionale Trennung in zwei Aufgabenbereiche statt. Zum
einen wird der Zugriff auf das Ãœbertragungsmedium mittels MAC
Adresse geregelt und zum anderen verwaltet sie die logischen
Verbindungen(LLC). Um diese Aufgabenbereiche deutlich voneinander zu
trennen wurde der Data Link Layer in zwei Sublayer, den Logical Link
Layer und den Media Access Layer, unterteilt. Darüber hinaus
verfügt der Data Link Layer auch über Fehlererkennungs- und
Korrekturmöglichkeiten anhand von beispielsweise Prüfsummen.
Layer
1 – Physical Layer
Der
Physical Layer (zu
Deutsch: Bitübertragungsschicht)
dient der Bereitstellung und der kontinuierlichen
Betriebsbereitschaft von mechanischen, elektrischen und funktionalen
Parametern zur physikalischen Übertragung. Hierzu zählen unter
anderem das Definieren von Steckverbindungen, Pegeln,
Kabel, Leitungstypen, Bit-Kodierungsregel.
4 zeigt
den Weg einer Kommunikation zwischen zwei Endgeräten über einen
Router in der Darstellung des OSI Referenzmodells.
Zusammenfassung
Die
Einführung des OSI Referenzmodells zur Sicherstellung der
Netzwerkfähigkeit, aber vor allem der Kompatibilität verschiedener
Netzwerkkomponenten, hat dafür gesorgt, dass die Kommunikation
mittels technischer Komponenten deutlich mehr Menschen erreichen
kann als in den Zeiten davor. Auch wenn wir die Hintergründe nicht
immer kennen, bzw. nicht kennen wollen, so ist den Entwicklern
dieses Modells vieles zu verdanken. Durch die Systematisierung
können komplexe Systeme deutlich schneller begriffen werden. Dieser
Umstand kann auch bei der Fehlersuche im privaten Heimnetzwerk von
Vorteil sein. Abschließend habe ich die Funktionen der einzelnen
Schichten noch einmal in 5 zusammengefasst.
Quellenverzeichnis
Bücher
PC-Netzwerke
- Axel Schemberg, Martin Linten, Kai Surendorf
ISBN
978-3-8362-1105-5,
©
Galileo Press, Bonn 2010
5.,
aktualisierte und vollständig überarbeitete Auflage 2010
Computer-Netzwerke
– Harald Zisler
978-3-8362-2007-1
(Buch)
978-3-8362-2599-1
(ePub)
2.,
aktualisierte und erweiterte Auflage 2013
©
Galileo Press, Bonn 2013
Computer-Netzwerke
- Dembrowski, Klaus
Addison-Wesley
Verlag (2012)
Webseiten
Tabellen-
und Abbildungsverzeichnis
Glossar
Die
Informationen dieses Glossars sollen zur Verständlichkeit des
Technischen Berichtes beitragen und sind in großen Teilen der
Internetplattform „IT-Wissen - Das große Online-Lexikon für
Informationstechnologie“ entnommen
GIF
GIF
steht für Graphics
Interchange Format (engl.
Grafikaustausch-Format)
und ist ein Grafikformat mit guter verlustfreier Kompression für
Bilder mit geringer Farbtiefe (bis zu 256 verschiedene Farben pro
Einzelbild). Darüber hinaus können mehrere Einzelbilder in einer
Datei abgespeichert werden, die von geeigneten
Betrachtungsprogrammen wie Webbrowsern als Animationen interpretiert
werden.
HTTP
Beim
Hypertext Transfer Protocol (HTTP)- richtet der Web-Client eine
Anfrage an den Webserver. Bei jeder Anfrage nach einem neuen
Dokument stellt der Browser über das TCP/IP-Protokoll eine
Verbindung zum Webserver her, über die die nachgefragten
HTML-Dokumente übertragen werden. In einigen Erweiterungen des
HTTP-Protokolls geht es um Bild-, Audio- oder Video-Dateien. Nach
der Ãœbermittlung der Daten an den Browser, wird die Datenverbindung
wieder aufgehoben.
HTTPS
Um
eine sichere Verbindung aufzubauen wird bei HTTPS zwischen der
Transportschicht (TCP) und der Anwendungsschicht (HTTP) SSL/TLS als
Verschlüsselungsprotokoll verwendet. SSL/TLS kapselt Protokolle,
die an sich keine Verschlüsselungsmechanismen bieten, wie z.B.
POP3, SMTP oder auch FTP.
IP
Die
Aufgabe des Internetprotokolls (IP) besteht darin, Datenpakete von
einem Sender über mehrere Netze hinweg zu einem Empfänger zu
transportieren. Die Ãœbertragung erfolgt paketorientiert,
verbindungslos und ist nicht garantiert. Die IP-Datagramme werden
auch bei identischen Sendern und Empfängern vom IP-Protokoll als
voneinander unabhängige Datenpakete transportiert. Das IP-Protokoll
garantiert weder die Einhaltung einer bestimmten Reihenfolge noch
eine Ablieferung beim Empfänger, das heißt Datagramme können zum
Beispiel wegen Netzüberlastung verloren gehen. Empfangsquittungen
gibt es auf IP-Schicht nicht.
LLC
Logical
Link Control ist für die Adressierung und die Steuerung der Pakete
und damit für die Kommunikation zwischen zwei Stationen zuständig.
Der LLC-Layer ist als Schnittstelle zwischen den auf der OSI-Schicht
3 angesiedelten Protokollen dafür verantwortlich, dass diese
Protokolle (z. B. TCP/IP) nicht nur mit einem Ethernet-, sondern
beispielsweise auch mit einem Token Ring-Netz arbeiten können
MAC
Die
MAC Schicht definiert die untere Teilschicht des Data Link Layers,
in der das Zugangsverfahren für das Übertragungsmedium festgelegt
ist. Initiiert wird die Ãœbertragung von Nutzdaten durch das Logical
Link Control (LLC), der oberen Schicht des Data Link Layers. Diese
übergibt der MAC Schicht eine Nachricht (Service Data Unit) mit der
Aufforderung diese zu übertragen. Die MAC Schicht generiert aus
diesen SDUs Protokolldateneinheiten (PDUs) zur Ãœbertragung an die
MAC Schicht der Zielstation, indem sie die SDU in das
Informationsfeld der PDU einträgt. Weiterhin werden wesentliche
Funktionen der Adressierung von dieser Schicht übernommen.
MPEG
Motion
Pictures Expert Group; Die MPEG entwickelt Verfahren, um
Multimediadateien zu komprimieren und platzsparend zu speichern.
Federführend in der MPEG-Audio-Gruppe ist das Fraunhofer Institut
für Integrierte Schaltungen in Erlangen (MP3). Die Firmen AT&T,
Sony, NEC, NTT, Dolby Labs, Deutsche Telekom, BBC und die
Universität Hannover sind ebenso beteiligt.
SAP
Service Access
Point (auch Dienstzugangspunkt) ist ein Fachbegriff aus der
Telekommunikation. Man bezeichnet damit die Schnittstelle zur
Interaktion mit einer Kommunikationsschicht an der oberen Grenze
selbiger Schicht.
SMB
Server
Message Block (kurz SMB, teils auch als LAN-Manager- oder
NetBIOS-Protokoll bekannt) ist ein Kommunikationsprotokoll
für Datei-, Druck- und andere Serverdienste
in Netzwerken.
Es ist der Kern der Netzwerkdienste von Microsofts
LAN Manager,
der Windows-Produktfamilie
sowie des LAN
Servers von IBM.
Weiter wird es von den frei
verfügbaren Softwareprojekten
Samba
und Samba-TNG
verwendet, um Windows-Systemen den Zugriff auf Ressourcen von
Unix-basierten
Systemen zu ermöglichen und umgekehrt.
TCP
Das
Transmission Control Protocol (TCP) ist ein verbindungsorientiertes
Transportprotokoll für den Einsatz in paketvermittelten Netzen. Das
Protokoll baut auf dem IP-Protokoll auf, unterstützt die Funktionen
der Transportschicht und stellt vor der Datenübertragung eine
gesicherte Verbindung zwischen den Instanzen her.
TIFF
Das
Tagged Image File Format (TIFF oder auch kurz TIF) ist ein
Dateiformat zur Speicherung von Bilddaten
Stichwortverzeichnis