1. Einführung
Die Kommunikation bzw. der Transport von Daten im Internet ist eine sehr komplexe Aufgabe. Man sieht sich mit einer Vielzahl an Herausforderungen wie unterschiedlichen Übertragungsmedien, verschiedenen Datenraten entlang einzelner Links, fehlerhaften Paketen, Paketverlusten, Paketduplikaten, Millionen von Teilnehmern und unterschiedlichsten (Web-)Anwendungen konfrontiert. Es bedarf also einer Netzwerkarchitektur, die eine Bewältigung dieser Herausforderungen zulässt.
2. Was ist das ISO-OSI-Referenzmodell?
Um eine Kommunikation im Internet oder anderen Netzwerken mit unterschiedlichen Geräten zu vereinheitlichen, wurde das ISO-OSI-Referenzmodell entwickelt. Bei ihm wird das Internet in verschiedene Schichten unterteilt, innerhalb derer bestimmte Aufgaben erledigt werden. Bildlich kannst du dir das wie eine Torte vorstellen, bei der jede einzelne Schicht zum vollendeten Geschmackserlebnis beiträgt. Dieses Schichtenmodell soll sicherstellen, dass die Kommunikation von Geräten herstellerunabhängig funktioniert. Es ist heute die Designgrundlage für jegliche Kommunikationsprotokolle.
Doch wofür steht die Abkürzung "ISO-OSI"? "ISO" steht für "International Organization for Standardization", also die internationale Organisation für Standardisierungen. "OSI" steht für "Open Systems Interconnection", also ein offenes System für Kommunikationsverbindungen.
3. Wie setzt sich das Modell zusammen?
Das ISO-OSI-Referenzmodell besteht aus insgesamt sieben Schichten (auch Layer genannt), nämlich dem Physical Layer, dem Data-Link-Layer, dem Network-Layer, dem Transport-Layer, dem Session-Layer, dem Presentation-Layer und dem Application-Layer. Die Anfangsbuchstaben der einzelnen Schichtnamen kannst du dir durch den Merksatz "Please Do Not Throw Salami Pizza Away" (zu Deutsch: "Bitte wirf keine Salami Pizza weg") merken. Übersetzt heißen die Schichten z. B. Bitübertragungsschicht, Sicherungsschicht, Netzwerk- bzw. Vermittlungsschicht, Transportschicht, Sitzungsschicht, Darstellungsschicht und Anwendungsschicht.
Man kann statt den 7 Schichten auch die oberen drei Schichten als "Anwendungsschicht" zusammenfassen und erhält so ein reduziertes Internet-Schichtenmodell mit 5 Schichten:
4. Welche Aufgaben übernehmen die einzelnen Schichten?
Schicht 1: Auf der Bitübertragungsschicht werden die einzelnen Bits einer Datei über eine physische Verbindung (z. B. einem Kabel) übertragen. Die Übertragung erfolgt ungesichert und unstrukturiert. Die Übertragungseinheit ist Bits. Beispiele für Vertreter auf dieser Schicht sind Hubs oder der Token-Ring.
Schicht 2: Die Sicherungsschicht ist für den zuverlässigen Austausch von Daten zwischen zwei Medien zuständig, d. h. dass z. B. Bitübertragungsfehler erkannt und behoben werden. Die Übertragungseinheit ist Frame. Die Adressierung erfolgt durch die MAC-Adresse, also der physikalischen Adresse eines Geräts. Protokollvertreter auf dieser Schicht sind Ethernet und WiFi.
Schicht 3: Auf der Netzwerkschicht werden Teilverbindungen zu einer Gesamtverbindung von der Quelle bis zum Ziel verknüpft. Diesen Prozess nennt man Routing. Die Adressierung findet hier anhand der IP-Adresse statt. Durch Geräte, die auf dieser Schicht arbeiten (wie etwa Router), ist eine netzweite Adressierung von Endgeräten möglich. Die Übertragungseinheit sind Datagramme. Auf dieser Schicht findest du das IP-Protokoll.
Schicht 4: Auf der Transportschicht werden Daten als Segmente von der Quelle zum Ziel übertragen. Sie ist das Bindeglied zwischen den transportorientierten und anwendungsorientierten Schichten. Auf dieser Ebene wird bereits eine Zuordnung der übertragenen Elemente zu der jeweiligen Anwendung vorgenommen. Der Transport kann entweder verbindungsorientiert (wie beim TCP-Protokoll) oder verbindungslos (wie beim UDP-Protokoll) erfolgen.
Schicht 5: Auf der Sitzungsschicht werden die Verbindungen organisiert. Es wird z. B. festgelegt, welche Stationen wie lange senden dürfen. Bekannte Protokollvertreter sind Telnet, FTP, HTTP und SMTP.
Schicht 6: Die Darstellungsschicht regelt das Datenformat. Sie fungiert quasi als Übersetzer von Protokollinhalten und stellt diese dann entsprechend dar. Hier wird auch die Kompression und Verschlüsselung geregelt. Bekannte Protokollvertreter sind auch hier Telnet, FTP, HTTP und SMTP.
Schicht 7: Die Anwendungsschicht stellt Funktionen für die eigentliche Anwendungen zur Verfügung. Sie stellt auch die Verbindung zu den unteren Schichten her. Hier findet zudem die Ein- und Ausgabe von Dateien statt.
Kurz zusammengefasst stellen die einzelnen Schichten die folgenden Funktionen zur Verfügung:
1. Umwandlung der Bits in ein zum jeweiligen Übertragungsmedium passendes Signal und daran anschließend die physikalische Übertragung.
2. Segmentierung der Pakete in Frames und Hinzufügen von Prüfsummen.
3. Routing der Pakete.
4. Zuordnen der Pakete zur jeweiligen Ziel-Anwendung.
5. Steuerung der Verbindungen und des Datenaustauschs.
6. Übersetzen systemabhängiger Daten in ein systemunabhängiges Format.
7. Funktionen für die Anwendungen und Ein- bzw. Ausgabe von Dateien.
Dieses Modell ist eines der wichtigsten in der Netzwerktechnik. Du solltest Netzwerkprotokolle, die du kennenlernst, gedanklich immer einer Schicht zuordnen können. Es ist eine beliebte Aufgabe in Klausuren, verschiedene Protokolle ihren jeweiligen Schichten zuzuordnen. Daran erkennt man schnell, ob du die Funktion eines Protokolls verstanden hast, denn ein Protokoll, das für die Darstellung von Daten im Browser zuständig ist, wird wohl kaum auch Routing-Funktionalitäten übernehmen.
Jeder Hersteller von IOT-Geräten hält sich an dieses Modell, da das Device sonst nicht reibungsfrei in die bestehende Internet-Infrastruktur integriert werden kann. Sonst müsstest du dir z. B. einen speziellen Netflix-Fernseher kaufen, um Netflix sehen zu können, da die anderen Geräte sonst nicht ein proprietäres Netflix-Kommunikationsprotokoll lesen könnten, das sich nicht an den Standard hält.
5. Gibt es noch weitere Schichten?
Neben den offiziellen Schichten 1 bis 7, gibt es noch die inoffiziellen Schichten 0 und 8. Schicht 0 ist das Medium, wie etwa ein Netzwerkkabel. Auf Schicht 8 befindet sich der Anwender. Ein Schicht-8-Fehler ist z. B. eine falsche Benutzung durch den Anwender, ein Problem auf Schicht 0 ist hingegen z. B. ein defektes Netzwerkkabel.
Autor: Florian André Dalwigk
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