Netzwerk-Grundlagen – Das ISO/OSI-Referenzmodell

Sieben Schichten als Basis für die offene Datenkommunikation

08.10.2007 | Autor / Redakteur: Gerhard Kafka / Andreas Donner

Aufgebaut wie eine Torte: das OSI-Schichtenmodell; Quelle: pixelio
Aufgebaut wie eine Torte: das OSI-Schichtenmodell; Quelle: pixelio

Das bereits 1977 von ISO erstmals vorgestellte Schichtenmodell für den Datenaustausch zwischen zwei miteinander kommunizierenden Endgeräten dient heute noch als Basis für die Realisierung von Netzwerkarchitekturen. Allerdings dauerte es bis Mitte 1983, bis dieses Modell als internationaler Standard verabschiedet wurde.

Die zuletzt 1994 überarbeitete Norm trägt die Bezeichnung ISO/IEC 10731 (1994) und den Titel „Information Technology - Open Systems Interconnection - Basic Reference Model - Conventions for the definition of OSI services.“

Schon beim Entwurf des Modells hat man den Kommunikationsprozess zwischen zwei Instanzen (Quelle und Senke bzw. Sender und Empfänger) willkürlich in sieben Schichten unterteilt: Application (Anwendung), Presentation (Darstellung), Session (Kommunikationssteuerung), Transport, Network (Vermittlung), Data Link (Sicherung) und Physical (Bitübertragung).

Den einzelnen Schichten sind bestimmte Aufgaben zugeordnet. Betrachtet man das Modell von der Empfangsseite, so findet man als unterste Schicht die Bitübertragung und ganz oben die Anwendungsebene. Den Schichten 1 bis 4 sind reine Transportaufgaben zugeordnet, und die Schichten 5 bis 7 erfüllen dienstespezifische Aufgaben.

Im Zusammenhang mit öffentlichen Netzen spricht man deshalb von Transportdiensten (z.B. ISDN oder Frame Relay) und standardisierten Telediensten (z.B. Telefax oder E-Mail). Der Telefax-Standard verlangt übrigens die ständige Betriebsbereitschaft des Endgerätes, die beim klassischen Faxgerät gegeben ist, aber bei Softwarelösungen auf dem PC in den meisten Fällen nicht mehr gegeben ist.

Die Grundidee

Die Grundidee des Schichtenmodells besteht darin, den gesamten Kommunikationsprozess in kleine und überschaubare Teilbereiche zu zerlegen. Jede Schicht benutzt die darunter liegende als Tranportinstanz und die darüber liegende als Managementinstanz. Wie das Bild 1 zeigt, kommunizieren die Endgeräte innerhalb einer Schicht mit einem bestimmten Verständigungsprotokoll (Peer-to-Peer).

Die durch SAPs (Service Access Points) miteinander verknüpften Schichten kommunizieren mit definierten Schnittstellenprotokollen, über welche die relevanten Parameter und Primitiven ausgetauscht werden. Beispiele für Parameter sind verwendete Protokolle, Daten-Paketgröße und Dienstekennung, für Primitiven sind dies Verbindungsaufbau, Informationstransfer und Verbindungsabbau.

Die hier genannten Primitiven gelten übrigens nur für die verbindungsorientierte Kommunikation, die z.B. vom Telefonieren her bestens bekannt ist. Als typische Vertreter der verbindungslosen Kommunikation sind Ethernet und IP zu nennen. Zum Stichwort IP als Basis für das Internet und die öffentlichen Netzwerke der nächsten Generation noch eine kurze Bemerkung: Die Internet-Architektur konnte sich u.a. deshalb so schnell im Markt etablieren, weil sie auf einem vereinfachten Vier-Schichtenmodell aufsetzt: Netzwerk, IP, TCP und Anwendung.

Jede Schicht erfüllt bestimmte Funktionen

Der Kommunikationsprozess innerhalb einer bestimmten Netzwerk-Architektur ist leichter verständlich, wenn man die einzelnen Funktionen der sieben Schichten betrachtet. Werden diese grundsätzlich begriffen, dann ist es nicht besonders schwierig, die weit über 2.000 bekannten Protokolle für die Datenkommunikation zu interpretieren.

Wichtig für das Verständnis ist dabei allerdings die Richtung des Datenstroms beim Durchlaufen des Schichtenmodells: bei der Quelle erfolgt dies in absteigender (7 bis 1) und bei der Senke in aufsteigender (1 bis 7) Folge. In Bild 2 ist der Kommunikationsprozess detailliert mit den zugeordneten Funktionen dargestellt.

Die wichtigsten Eigenschaften und Funktionen der sieben Schichten – in der Literatur wird für den Begriff Schicht auch sehr oft der Ausdruck Layer benutzt – sind:

  • Layer 1: Bitübertragung (Physical): definiert die elektrischen, mechanischen, funktionalen und prozeduralen Parameter der Übertragungsmedien und dazugehörigen Steckverbinder. Die übertragenen Daten sind hier als Bitstrom vorhanden. Eine typische Komponente ist hier das Modem.
  • Layer 2: Sicherung (Data Link): stellt als Hauptfunktionen die Synchronisation, Fehlererkennung und ggf. auch -korrektur sowie die logische Herstellung der Verbindungsabschnitte bereit. Die Daten sind hier in definierten Rahmen verpackt. Ein Datenrahmen besteht typisch aus Beginn, Adresse, Steuerinformation, transparentem Informationsfeld, Blocksicherung und Ende. Eine typische Komponente ist hier der Ethernet-Switch.
  • Layer 3: Vermittlung (Network): bedient die Funktionen Adressierung, Routing und Fragmentierung. Die Fragmentierung ermöglicht es, dass ein IP-Paket mit der theoretischen Maximalgröße von 65.000 Zeichen über Ethernet transportiert werden kann, obwohl ein Ethernet-Rahmen nur eine maximale Länge von 1.500 Zeichen besitzt. Die Daten werden in dieser Schicht als Paket bezeichnet. Eine typische Komponente ist hier der Router oder IP-Switch.
  • Layer 4: Transport: garantiert die sichere und vollständige Datenübertragung von Ende-zu-Ende bei einer verbindungsorientierten Kommunikation. Eine vergleichbare Kontrolle ist bei der verbindungslosen Kommunikation (z.B. Datagramm) nicht möglich. Zu den bekannten Schicht-4-Protokollen zählen TCP und UDP. Ein Datenblock in dieser Ebene wird oft auch als Fragment bezeichnet. Mit den Funktionen der Schichten 1 bis 4 wird also lediglich der Transport von Informationen erfüllt. Eine typische Komponente ist hier das Gateway.
  • Layer 5: Kommunikationssteuerung (Session): koordiniert die Aufnahme, Durchführung und Beendigung einer Sitzung. Zu den wichtigen Aufgaben zählen: Zugangskontrolle, Gebührenverrechnung, Dialogverwaltung, Synchronisierung und Wiederaufbau von Sitzungen nach einem Ausfall der Transportfunktion. In der IP-Welt ist eine Sitzung durch dynamische Sockets – eine Kombination aus IP-Adresse und Port-Nummer – gekennzeichnet.
  • Layer 6: Darstellung (Presentation): interpretiert die Daten für die Anwendungsschicht. Dazu zählen die Codierung der Informationen (ASCII, EBCDIC) und die Aufbereitung für die Bildschirmdarstellung. Als weitere Funktion kann dieser Schicht die Verschlüsselung von Informationen zugeordnet werden
  • Layer 7: Anwendung (Application): bedient die eigentlichen Applikationen wie Textverarbeitung, Videokonferenz, File Transfer aber auch das Netzwerkmanagement. Die Schichten 5 bis 7 existieren als Software und sind heute Bestandteil der verschiedenen Betriebssysteme (Windows, Unix, Linux etc.).

Über den Autor

Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München

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