Einführung in das OSI-Referenzmodell
Die International Standardization Organization (ISO) will mit dem 1994 entwickelten Referenzmodell für Open System Interconnection (OSI) eine breite Basis für eine standardisierte Kommunikation zwischen Systemen zur Verfügung
stellen. Dabei soll die Entwicklung neuer Standars koordiniert werden und bestehende in das Modell eingefügt werden
können. Somit stellt das OSI-Referenzwerk ein allgemeines Modell für die standardisierte Kommunikation zwischen
Rechnersystemen dar.
Das wichtigste Prinzip dieses Modells ist es, die Funktionen in verschiedene Schichten (Layer) aufzuteilen. Jede der
sieben Schichten ist für spezielle Funktion verantwortlich und setzt niedere Schichten für eine funktionierende
Übertragung voraus. Das OSI-Modell ist auch als Sieben-Schicht-Modell bekannt. Abbildung 1 zeigt
diese Schichtarchitektur.
Abbildung 1 - Schichten des OSI-Referenzmodells
Im OSI-Referenzmodell hat jede Kommunikation eine horizontale und eine vertikale Komponente. Jede Schicht N in einem
System kommuniziert mit Schicht N des anderen Systems. Regeln für diese Peer-to-Peer Kommunikation müssen über
spezielle Protokolle (N-Layer-Protokolle) festgelegt werden. Auf den Ebenen 2 bis 7 findet eine logische
Kommunikation statt. Lediglich auf Ebene 1 erfolgt tatsächlich eine physikalische Übertragung.
Dateneinheiten, die zwischen zwei Peers (gleichgestellte Partner) ausgetausch werden, heißen Protokol Data Unit
(PDU) - DPDU für Data-Link-PDU, NPDU für Network-PDU. Um diese PDUs von einem Computer zum nächsten zu bekommen,
findet eine vertikale Kommunikation statt. Jede Schicht (N) in diesem Modell erfüllt bestimmte Dienstleistungen, die
sie der nächst höheren Schicht (N+1) zur Verfügung stellt.
Um diese Funktionalität zu realisieren, hat jede Schicht zwei Schnittstellen (Dienstzugangspunkt / Service Access
Point (SAP).Jede Schicht bettet die Nutzdaten in Protokollinformationen ein. Damit wird sichergestellt, daß die
Peer-Schicht des Kommunikationspartners weiß, was mit der PDU passieren soll. Diese Protokollinformationen werden
auch Header (H) und Trailer (T) genannt.
Bei der Kommunikation zweier Anwendungen kann es sein, daß die Nutznachricht (Payload) sechs mal mit
Protokollinformationen (-overhead) umschlossen wird. Abbildung 2 zeigt diesen Vorgang
stilisiert. Protokollinformationen der Schicht N+1 werden von der Schicht N wie Nutzdaten behandelt. Dies sichert
die Transparenz dieser vertikalen Kommunikation.
Abbildung 2 - Kommunikation zweier Anwendungen im OSI-Modell
Die Nachricht wird im Layer 1 auf einen Bitstrom umgewandelt und über das physikalische Medium übertragen. Das
Empfängersystem durchläuft diesen Vorgang in umgekehrter Richtung: aus dem Bitstrom werden PDUs und die einzelnen
Schichten werten ihre Protokollinfomationen aus und entfernen sie. Die verbeibende Nachricht wird an die nächst
höhere Schicht weitergeleitet. Kommt die Nachricht bei der Anwendung an, sind alle Protokollinformationen entfernt
und es können die Nutzdaten gelesen werden.
Sind bei einer Kommunikation Zwischensysteme beteiligt, so bearbeiten diese nur einen gewissen Teil der
Informationen. Router verarbeiten die Informationen bis zur 3. Schicht und Switche die Informationen bis zur 2.
Schicht.
Aufgaben der einzelnen Schichten
Übertragungsschicht (Physical Layer)
Schicht 1 des OSI-Referenzmodells beschreibt die elektrische und mechanische Übertragung zwischen an die
Übertragungsanleitung angeschlossene Systeme. Es ist von der verwendeten Topologie abhängig, ob über diese Leitung
zwei oder mehrere Systeme miteinandern verbunden sind. Dabei sind folgende Aspekte zu unterscheiden:
| Mechanische Definition |
Festlegung der Spezifikationen über das Kabel, Stecker und entsprechende Pinbelegungen
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| Elektrische Definitionen |
Zuordnung der physikalischen Messgrößen bezüglich der logischen Werte 0 und 1 zur Darstellung der
Bits. Es werden ebenso Festlegung über Winderstandswerte, Impedanz, etc. getroffen.
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| Funktionale Definition |
Es werden Aussagen darüber gemacht, wie die Funktionen der einzelnen Letungen und die Zeitabläufe
anzusehen sind. Es wird zwischen Daten-, Steuer- und Erdungsleitung unterschieden.
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Ebenso muß festgelegt werden, wie die Datenflußrichtung und die Bedeutung der Steuerleitungen auszusehen haben. Die
Betriebsart der Übertragung ist ebenfalls Bestandteil der OSI-Schicht 1. Man unterscheidet hierbei zwischen
serieller und paralleler Übertragung. Des Weiteren wird festgelegt ob eine Übertragung in beide Richtungen
gleichzeitig (vollduplex) oder nur abwechselnd in eine Richtung (halbduplex) möglich ist. Kann eine Übertragung nur
in eine Richtung stattfinden, so spricht man von Simplexverfahren.
Sicherungsschicht (Data Link Layer)
Die Schicht 2 stellt für die Schicht 3 eine gesicherte und transparente Datenübertragung zur Verfügung. Dies
beinhaltet Fehlererkennung und Behandlung von Übertragungsfehlern, Flußkontrolle und Medienzugriffssteuerung. Die
Datenpakete auf OSI-Schicht-2 werden als Frames bezeichnet. Sie werden sequentiell gesendet.
Je nach Protokoll ist ein Quittierungsmechanismus zur Flußkontrolle (gegenseitige Anpassung der Sendegschwindigkeit)
und Bestätigung empfangerner Pakete (Acknowledgement / ACK).
Für lokale Netze (LAN)ist die Schicht 2 in zwie Subebenen aufgeteilt, die Media Access Control (MAC,
Zugangsverfahren) und die Logical Link Control (LLC).Man unterscheidet zwischen zentralen und dezentralen
Zugriffsverfahren. Beim zentralen Verfahren wird die komplette Übertragung durch eine übergeordnete Einheit
geregelt. Das dezentrale Verfahren unterscheidet zusätzlich nich nicht deterministischen (Aloha, CSMA, CSMA/CD) und
deterministische (Token, Slotted Ring) Zugriffsverfahren. Im Ethernet nach IEEE 802.3 verwendet als
Zugriffsverfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).
Netzwerkschicht (Network Layer)
Die Aufgabe dieser Schicht besteht darin, den Austausch von Binärdatenpaketen zwischen nicht direkt miteinander
verbundenen Stationen zur steuern. Sie ist für den reibungslosen Ablauf der logischen Verknüpfung von, an
physikalische Leitungen gebundenen, Schicht-2-Verbindungen zuständig. Der Datentransport erfolgt dabei über
Zwischenknoten. Der Vermittlungsfunktion (Routing) wird in dieser Schicht besondere Aufmerksamkeit gewindmet.
Die Netzwerkschicht unterscheidet zwischen der Identifizierung der Knoten (Netzwerkadressen) und dem Auf- und Abbau
logischer Verbindungskanäle (Routing, Flußsteuerung). Die Hauptaufgabe der Netzwerkschicht besteht darin, daß
logische Knoten-zu-Knoten-Wege zwischen beliebigen Knoten aufgebaut werden können. Diese Verbindung kann auf
verschiedene Art un Wiese hergestellt werden:
- Leitungsdurchschaltung (verbindungsorientiert)
- virtuelle Kanäle
- Datagramme (paketorientiert)
Im Rahmen der Realisierung von OSI sind jedoch nur virtuelle Kanäle und Datagramme vorgesehen. Beide Verbindungen
werden über das Store and Forward Prinzip von Datenpaketen realisiert. Es wird dabei keine elektrisch konstante
Verbindung zwischen den beiden Endpunkten geschalten. Die Datenpakete werden von einer Station zu nächsten
übertragen und dort zwischengespeichert. Anschließend werden die Pakete weiterversandt.
Bei der Nutzung virtueller Kanäle wird vor dem Versenden des ersten Paketes der Übertragunsgweg festgelegt. Die
Datenpakete benötigen im weiteren Verlauf keine Angaben über Urspung oder Ziel. Ist die Datenübertragung beendet, so
wird die Verbindung abgebaut.
Die Datagrammtechnik verwendet keinerlei konstante Verbindung zwischen Sender und Empfänger. Alle beteiligten
Stationen treffen für jedes Paket die optimale Wegentscheidung (Routing). Dabei kann es sein, daß jedes Paket auf
einem anderen Weg zum Ziel kommt, aber auch, daß die Pakete den selben Weg nehmen. Jedes Datagramm muß Informationen
über Urspung und Ziel enthalten.
Zusammenfassend lassen sich die Aufgaben der dritten OSI-Schicht wie folgt darstellen:
- Wegewahl (Routing)
- Multiplexen von Schicht-2-Verbindungen
- Sequenzbildung von Paketen (Aufteilung in angepasster Länge)
- Flußkontrolle
- Acknowledgemants
- Fehlerbehandlung
- priorisierte Übertragung
Transportschicht (Transport Layer)
Die Transportschicht ermöglicht es höheren Schichten eine Ende-zu-Ende-Kommunikation zwischen Prozessen
herzustellen. Der Datentransfer ist für die Prozesse in diesm Fall transparent. Somit ist die Transportschicht die
höchste netzabhängige und die niedrigste anwendungsabhängige Schicht.
Transportprotokolle sind standardmäßig in 5 Klassen unterteilt. Klasse 0 beinhaltet nur die Übertragung der Daten
auf Basis der in Schicht 3 zur Verfügung gestellten Dienstqualität. Klasse 4 beinhaltet Fehlerekennung und
Fehlerbehebung inklusive Multiplexen, Sequenzbildung, Flußkontrolle und Acknowledgments. Die Klassen 1 bis 3
beinhalten verschiedene Untermengen von Klasse 4.
Steuerungsschicht (Session Layer)
Die Aufgabe dieser Schicht besteht darin, den Dialog auch bei vorübergehendem Ausfall des Transportsystems
aufrechtzuerhalten. Auf dieser Ebene können Prozesse gleichzeitig über mehrere Verbindungen kommunizieren. Die
Sicherungsschicht ist verantworlich für die gegenseitige Vergabe der Sendeberechtigung, Definition von
Synchronisationspunkten und Reset-Mechanismen.
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Die Darstellungsschicht ist im wesentlichen für Codierung und Darstellung, also Zeichensatz und Syntax, sowei die
Benuntz beidseitig akzeptierter Datenstrukturen für die Kommunikation verantwortlich. Die Vereinabrung für diese
Darstellungsaspekte sind über verschiedene Transfersyntax-Beschreibungen mit Hilfe von ASN.1 niedergelegt.
Typische Aufgaben der Schicht 6 sind Remote-Job-Entry-Funktion, Terminalemulation oder die Datenübertragung zwischen
verschiedenen Systemen.
Anwendungsschicht (Application Layer)
Die Anwendungsschicht stellt anwenderspezifische Protokolle zur Verfügung. Sie bildet das Bindeglied zu den
Anwendungen der Benutzer. Ihre Funktionen lassen sich in die Bereitstellung von Grundfunktionen für alle Anwendungen
(Application Control Service Elements (ACSE) - Verbindungsauf- und abbau, Aktionssteuerung in verteilten Systemen),
sowie anwedungsspezifsche Protokolle (Specific Application Service Elements (SASE) gliedern. Folgende Funktionen
gehören zur SASE-Gruppe:
- File Trasfer Access and Management (FTAM) - Zugriff auf entferntes Dateisystem (Attribute ändern und
Dateitransfer)
- Job Transfer and Manipulation (JTM) - Ausführen eines Programms auf einem entfernten Rechner und ständige
Kontrolle dieses Programms
- Virtual Terminal (VT) - Dialogzugriff auf entfernten Rechner
- Message Handling System (MHS) - X.400 - Sammlung von Message-Handling-Funktionen gemäß X.400 Standard
- Directory Service (DS - X.500 - Verzeichnis von Informationen über die Teilnehmer eines Netzwerkes nach
dem X.500 Standard
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| Quellen
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Zenk, Andreas: Lokale Netze Die Technik des 21. Jahrhundert, München: Addison-Wesley-Longman, 1999
Borowka, Petra: InterNetWorking, 3. Auflage Bonn: MITP-Verlag, 2000
Böcking, Stefan: Objektorientierte Netzwerkprotokolle: Grundlagen, Entwurf, Implementierung - Bonn: Addison-Wesley-Longman Verlag GmbH, 1997
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