OSI-Schichtenmodell
Das OSI-Modell (engl. Open Systems Interconnection Reference Model) ist ein offenes Ebenen- bzw. Schichtenmodell für die Daten-Organisation in der Kommunikationstechnik. Seit 1979 wird daran weiterentwickelt, bis es von der ISO zum Standard deklariert wurde. Das OSI-Modell dient zur Grundlage vieler herstellerunabhängigen Netzprotokolle, die fast ausschließlich in der öffentlichen Kommunikationstechnik bzw. dem öffentlichen Daten-Transportnetz eingesetzt werden.
Es untergliedert die verschiedenen Anwendungsbereiche der Netzwerkkommunikation in 7 Ebenen bzw. Schichten. Jede dieser Schichten ist so konzipiert, dass sie die Aufgaben, die ihr zugeordnet werden, unabhängig von den anderen 6 Schichten ausführen kann.
In einem Computernetzwerk werden den verschiedenen Hosts Dienste von anderen Hosts (Netzwerkteilnehmern) unterschiedlichster Art bereitgestellt. Die dazu notwendige Kommunikation unter den einzelnen Hosts ist nicht so einfachzu bewältigen, wie man meinen könnte, denn es müssen eine Vielzahl von Aufgaben bewältigt und Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Effizienz, etc. erfüllt werden. Sie ist aber dennoch dank dem OSI-Modell möglich. Die sich ergebenden Probleme bei dieser Kommunikation reichen von Problemen der elektronischen Übertragung der Signale über eine geregelte Reihenfolge deren Kommunikation bis hin zu abstrakten Aufgaben, die sich innerhalb der im Dialog befindlichen Applikation ergeben.
Die Masse dieser Probleme und Aufgaben lässt es notwendig erscheinen, das Kommunikations-Netzwerk nicht als einen einzigen Anbieter von Diensten zu betrachten, sondern seine einzelnen Dienste ganz bestimmten Kategorien zuzuordnen. Als besonders sinnvoll und praktisch hat sich in der Vergangenheit die Aufteilung in verschiedene kategorische Ebenen bzw. Schichten erwiesen.
Das OSI-7-Schicht-Modell
Da der Abstraktionsgrad (Funktionsumfang bzw. Funktionskomplex) im OSI-Modell von Schicht 1 zu Schicht 7 extrem ansteigt, werden die Daten von einer Schicht zur nächsten weitergereicht d.h., die Kommunikation erfolgt von links nach rechts s. Abb. 1.
Auf der Seite der Datensendung erfolgt die Kommunikation von oben nach unten und auf der Seite des Datenempfangs von unten nach oben. Auf der untersten Schicht erfolgt die physikalische Datenübertragung der Bits - Die Kommunikation der Datenpakete verläuft dennoch von links nach rechts - kreisförmig.
Das OSI-7-Schicht-Modell im Überblick
Schicht 7: Anwendungsschicht (application layer)
Auch Verarbeitungsschicht oder Anwenderebene genannt.
Die Verarbeitungsschicht ist die oberste der sieben hierarchischen Schichten. Sie stellt den Anwendungen eine Vielzahl an Funktionalitäten zur Verfügung (z.B. Datenübertragung, E-Mail, Virtual Terminal, Remote Login etc.).
Hardware bzw. Software in dieser Schicht: MS Outlook, MS Word, MS Excel, Adobe Photoshop, PC-Anywhere etc.
Schicht 6: Darstellungsschicht (presentation layer)
Auch Datendarstellungsschicht oder Datenbereitstellungsebene genannt.
Die Darstellungsschicht setzt die systemabhängige Darstellung der Daten (z.B. ASCII, EBCDIC) in eine unabhängige Form um und ermöglicht somit den syntaktisch korrekten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen. Auch Aufgaben wie die Datenkompression und die Verschlüsselung gehören zur sechsten Schicht.
Hardware bzw. Software in dieser Schicht: Direct-X, Codecs, Browserplugins, X-Server oder X-Org (Linux)
Schicht 5: Sitzungsschicht (session layer)
Auch Kommunikationssteuerungsschicht oder Steuerung logischer Verbindungen bzw. Sitzungsebene genannt.
Um Zusammenbrüche der Sitzung und ähnliche Probleme zu beheben, stellt die Sitzungsschicht Dienste für einen organisierten und synchronisierten Datenaustausch zur Verfügung. Zu diesem Zweck werden Wiederaufsetzpunkte, so genannte Fixpunkte (Check Points) eingeführt, an denen die Sitzung nach einem Ausfall einer Transportverbindung wieder synchronisiert werden kann, ohne dass die Übertragung wieder von vorne beginnen muss.
Hardware bzw. Software in dieser Schicht: Java RE, .NET-Framework
Schicht 4: Transportschicht (transport layer)
Auch Ende-zu-Ende-Kontrolle (End-To-End Control) oder Transport-Kontrolle (Transport Control) genannt.
Zu den Aufgaben der Transportschicht zählen die Segmentierung von Datenpaketen und die Stauvermeidung (engl. congestion control). Die Transportschicht ist die unterste Schicht, die eine vollständige Ende-zu-Ende (End-To-End) Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zur Verfügung stellt. Sie bietet den anwendungsorientierten Schichten 5-7 einen einheitlichen Zugriff, so dass diese die Eigenschaften des Kommunikationsnetzes nicht zu berücksichtigen brauchen. Fünf verschiedene Dienstklassen unterschiedlicher Güte sind in Schicht 4 definiert und können von den oberen Schichten benutzt werden, vom einfachsten bis zum komfortabelsten Dienst mit Multiplexmechanismen, Fehlersicherungs- und Fehlerbehebungsverfahren.
Hardware bzw. Software in dieser Schicht: Systemdienste; z.B. MS Cryptographie Dienst, RAS Dienst, CAPI Dienst
Schicht 3: Vermittlungsschicht (network layer)
Auch Paketebene (engl. Package Layer) genannt.
Die Vermittlungsschicht sorgt bei leitungsorientierten Diensten für das Schalten von Verbindungen und bei paketorientierten Diensten für die Weitervermittlung von Datenpaketen. Die Datenübertragung geht in beiden Fällen jeweils über das gesamte Kommunikationsnetz hinweg und schließt die Wegsuche (Routing) zwischen den Netzknoten mit ein. Da nicht immer eine direkte Kommunikation zwischen Absender und Ziel möglich ist, müssen Pakete von Knoten, die auf dem Weg liegen, weitergeleitet werden. Weitervermittelte Pakete gelangen nicht in die höheren Schichten, sondern werden mit einem neuen Zwischenziel versehen und an den nächsten Knoten gesendet. Zu den Aufgaben der Vermittlungsschicht zählt der Aufbau und die Aktualisierung von Routingtabellen, sowie die Flusskontrolle. Auch die Netzadressen gehören zu dieser Schicht. Da ein Kommunikationsnetz aus mehreren Teilnetzen unterschiedlicher Technologien bestehen kann, sind in dieser Schicht auch die Umsetzungsfunktionen angesiedelt, die für eine Weiterleitung zwischen den Teilnetzen notwendig sind.
Hardware bzw. Software in dieser Schicht: Router
Schicht 2: Sicherungsschicht (data link layer)
Auch Verbindungssicherungsschicht, Verbindungsebene oder Prozedurebene genannt.
Aufgabe der Sicherungsschicht ist es, eine sichere, das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung, zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungsmedium zu regeln. Dazu dient das Aufteilen des Bitdatenstroms in Blöcke und das Hinzufügen von Folgenummern und Prüfsummen. Durch Fehler verfälschte oder verloren gegangene Blöcke können vom Empfänger durch Quittungs- und Wiederholungsmechanismen erneut angefordert werden. Die Blöcke werden auch als Rahmen (engl. Frames) bezeichnet. Eine so genannte Flusskontrolle macht es möglich, dass ein Empfänger dynamisch steuert, mit welcher Geschwindigkeit die Gegenseite Blöcke senden darf. Die amerikanische Ingenieursorganisation IEEE sah die Notwendigkeit, auch den konkurrierenden Zugriff auf ein Übertragungsmedium zu regeln, was im OSI-Modell nicht vorgesehen ist. Die OSI Schicht 2 kann wiederum in 2 Schichten (engl. Sub Layers) unterteilt werden:
- Unterebene 1: LLC (Logical Link Control)
- Unterebene 2: MAC (Medium Access Control)
Hardware bzw. Software in dieser Schicht: Bridge, Switch (Multiport-Bridge).
Schicht 1: Bitübertragungsschicht (engl. physical layer)
Die Bitübertragungsschicht ist die unterste Schicht des Models. Diese Schicht stellt mechanische, elektrische und weitere funktionale Hilfsmittel zur Verfügung, um physikalische Verbindungen zu aktivieren bzw. deaktivieren, sie aufrechtzuerhalten und Bits darüber zu übertragen.
Das können z.B. elektrische Signale, optische Signale (Lichtleiter: engl. vibre optic, Laser), elektro-magnetische Wellen (drahtlose Netze) oder Schall sein. Die für sie verwendeten Verfahren bezeichnet man als übertragungstechnische Verfahren.
Geräte und Netzkomponenten, die der Bitübertragungsschicht zugeordnet werden, sind zum Beispiel die Antenne und der Verstärker, Stecker und Buchse für das Netzkabel, der Repeater, der Hub, das T-Stück und der Endwiderstand (Terminator).
Auf der Bitübertragungsschicht wird die digitale Bitübertragung auf einer leitungsgebundenen oder leitungslosen Übertragungsstrecke bewerkstelligt.
Die gemeinsame Nutzung eines Übertragungsmediums kann auf dieser Schicht durch statisches Multiplexen oder dynamisches Multiplexen erfolgen.
Dies erfordert neben den Spezifikationen bestimmter Übertragungsmedien (z.B. Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Stromnetz, elektro-magnetische Wellen) und der Definition von Steckverbindungen noch weitere Elemente. Darüber hinaus muss auf dieser Ebene gelöst werden, auf welche Art und Weise überhaupt ein einzelnes Bit übertragen werden soll.
Hardware bzw. Software in dieser Schicht: Kabel, Relays, Platinen, ICs, CPUs
Allgemeines
Das OSI-Referenzmodell wird oft herangezogen, wenn es um das Design von Netzprotokollen und das Verständnis ihrer Funktionen geht. Auf der Basis dieses Modells sind auch Netzprotokolle entwickelt worden, die jedoch fast nur in der öffentlichen Kommunikationstechnik verwendet werden, also von großen Netzbetreibern wie der Deutschen Telekom. Im privaten Geschäftsbereich wird hauptsächlich die Familie der TCP/IP-Protokolle eingesetzt. Das TCP/IP-Referenzmodell ist sehr speziell auf den Zusammenschluss von Netzen (Internetworking) zugeschnitten.
Die nach dem OSI-Referenzmodell entwickelten Netzprotokolle haben mit der TCP/IP-Protokollfamilie gemeinsam, dass es sich um hierarchische Modelle handelt. Es gibt aber wesentliche konzeptionelle Unterschiede: OSI legt die Dienste genau fest, die jede Schicht für die nächsthöhere zu erbringen hat. TCP/IP hat kein derartig strenges Schichtenkonzept wie OSI. Weder sind die Funktionen der Schichten genau festgelegt, noch die Dienste. Es ist erlaubt, dass eine untere Schicht unter Umgehung zwischenliegender Schichten direkt von einer höheren Schicht benutzt wird. TCP/IP ist damit erheblich effizienter als die OSI-Protokolle. Nachteil bei TCP/IP ist, dass es für viele kleine und kleinste Dienste jeweils ein eigenes Netzprotokoll gibt. OSI hat dagegen für seine Protokoll jeweils einen großen Leistungsumfang festgelegt, der sehr viele Optionen beinhaltet. Nicht jede kommerziell erhältliche OSI-Software hat den vollen Leistungsumfang implementiert. Daher wurden OSI-Profile definiert, die jeweils nur einen bestimmten Satz von Optionen beinhalten. OSI-Software unterschiedlicher Hersteller arbeitet zusammen, wenn dieselben Profile implementiert sind.
Zur Einordnung von Kommunikationsprotokollen in das OSI-Modell
Das OSI Referenzmodell für die Telekommunikation
Das Konzept des OSI-Modells stammt aus der Datenwelt, die immer Nutzdaten (in Form von Datenpaketen) transportiert. Um die Telekommunikationswelt auf dieses Modell abzubilden waren Zusätze erforderlich. Diese Zusätze berücksichtigen, dass in der Telekommunikation eine von den Datenströmen getrennte Zeichengabe für den Verbindungsauf- und abbau vorhanden ist, und dass in der Telekommunikation die Geräte und Einrichtungen mit Hilfe eines Management-Protokolls von Ferne konfiguriert, überwacht und entstört werden. ITU-T hat für diese Zusätze das OSI-Modell um zwei weitere Protokoll-Stacks erweitert und ein generisches Referenzmodell standardisiert (ITU-T I.322).
Die drei Protokoll-Stacks werden bezeichnet als:
| Nutzdaten | (User Plane) |
| Zeichengabe | (Control Plane) |
| Management | (Management Plane) |
Jede dieser "Planes" ist wiederum nach OSI in sieben Schichten strukturiert.
Standardisierung
Das standardisierte Referenzmodell wurde in der ISO entwickelt, wo sich das technische Komitee mit der Bezeichnung "Information Processing Systems" das Ziel gesetzt hatte, informationsverarbeitende Systeme verschiedener Hersteller zu befähigen, zusammenzuarbeiten. Daher kommt die Bezeichnung "Open Systems Interconnection". An der Arbeit nahm auch der Ausschuss "Offene Kommunikationssysteme" des DIN teil, der dann den ISO-Standard auch als deutsche Industrienorm übernahm, wenn auch in der englischen Originalfassung des Textes. Auch ITU-T übernahm ihn, in einer Serie von Standards X.200, X.207, ... sind nicht nur das Referenzmodell, sondern auch die Services und Protokolle der einzelnen Schichten spezifiziert.
Weitere Bezeichnungen für das Modell sind ISO/OSI-Modell, OSI-Referenzmodell, OSI-Schichtenmodell oder 7-Schichten-Modell
Standardisierungsdokument:
ISO 7498-1, textgleich mit DIN ISO 7498, hat den Titel: Information technology - Open Systems Interconnection - Basic Reference Model: The basic model ITU-T X.200, X.207, ..
OSI-Modell-Fallbeispiel
Das OSI-Modell läßt sich durch folgende Analogie verständlicher machen:
Ein Mitarbeiter möchte seinem Geschäftspartner, der eine andere Sprache spricht, eine Nachricht senden. Der Mitarbeiter ist mit dem Anwendungsprozess, der die Kommunikation anstößt, gleichzusetzen. Er spricht die Nachricht auf ein Diktiergerät. Seine Assistent bringt die Nachricht auf Papier und übersetzt diese in die Fremdsprache. Der Assistent wirkt somit als Darstellungsschicht. Danach gibt er die Nachricht an den Lehrling, der den Versand der Nachricht verwaltungstechnisch abwickelt und damit die Sitzungsschicht repräsentiert. Der Hauspostmitarbeiter (gleich Transportschicht) bringt den Brief auf den Weg. Dazu klärt er mit der Netzschicht (gleich Briefpost), welche Übertragungswege bestehen, und wählt den geeigneten aus. Der Postmitarbeiter bringt die nötigen Vermerke auf den Briefumschlag an und gibt ihn weiter an die Verteilstelle, die der Sicherungsschicht entspricht. Von dort gelangt der Brief zusammen mit anderen in ein Transportmittel wie LKW und Flugzeug und nach eventuell mehreren Zwischenschritten zur Verteilstelle, die für den Empfänger zuständig ist. Auf der Seite des Empfängers wird dieser Vorgang nun in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, bis der Geschäftspartner den Brief schließlich in seiner Postmappe vorfindet.
Diese grobe Analogie zeigt allerdings nicht auf, welche Möglichkeiten der Fehlerüberprüfung und -behebung das OSI-Modell vorsieht, da diese beim Briefversand nicht bestehen.
Weiterführende Literatur
- Siegmund, Gerd; Grundlagen der Vermittlungstechnik; R. v. Decker; Heidelberg; 1992, ISBN 3-7685-4892-9
- Stahlknecht, P./Hasenkamp, U.; Einführung in die Wirtschaftsinformatik; Springer; Berlin; 2002, 10. Aufl.,ISBN 3-5404-1986-1
- Andrew S. Tanenbaum; Computernetzwerke; Pearson Studium; München; 2003
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