Lernunterlage - Weitere Schichten

Weitere Schichten des ISO/OSI Referenzmodells

Vermittlungsschicht (Schicht 3, network layer)

In der Vermittlungsschicht (der dritten Schicht des ISO/OSI Modells) werden Nachrichten zwischen zwei Rechnern übertragen, die durch ein Netzwerk verbunden sind. Die wichtigsten Aufgaben dieser Schicht sind die Wegfindung (Routing) und die Adressierung, die Definition der Vermittlungstypen, die Netzlaststeuerung und die Dienstqualität.

Wegwahl und Adressierung

In einem Maschennetzwerk sind prinzipiell mehrere Wege zwischen Knoten möglich, wobei sich Teilstrecken auf diesen Wegen in den Protokollen, Zugangsverfahren (Ethernet, Tokenring) und Übertragungsmedien unterscheiden können. Ein offenkundiges Problem ist die unterschiedliche Adressierung auf der physischen Ebene bei den verschiedenen Protokollen der Sicherungsschicht (Ethernet-Adressierung von Tokenring-Adressierung unterschiedlich). Es ist daher eine logische Adressierungsebene über der Sicherungsschicht notwendig, die es erlaubt in der Vermittlungsschicht die einzelnen Knoten zu identifizieren und zu finden. Die bekannte IP-Adressierung ist eine Lösung zu diesem Problem und wird in der Lektion 9 ausführlich behandelt.

Die Wegwahl ist ein wichtiges Optimierungsproblem bei Netzwerken, das die Leistungsfähigkeit eines Netzes stark beeinflussen kann. In einem relativ kleinen Netz kann man den besten (z.B. kürzesten) Weg zwischen Knoten durch Optimierung berechnen. Dieser kann dann in einer (statischen) Tabelle gespeichert werden. Diese Vorgehenswiese ist aber in großen Netzen impraktikabel, da diese Tabellen viel zu groß werden würden (Beispiel: Internet wächst und wächst) und auch der Aufwand der Optimierung zu groß wäre.

In großen Netzen wird daher die Wegwahl dynamisch realisiert, wobei dieser Ansatz von geeigneten Protokollen, z.B. BGP (border gateway protocol), unterstützt wird. Die Wegwahl basiert auf Heuristiken („Faustregeln“), wie kürzeste Wartezeit, bester Durchsatz, Leitungsauslastung, geringste Zwischenknotenzahl, geringste Fehlerrate, geringste Kosten, Politik usw.

Vermittlungstypen

Zwei kommunizierende Knoten im Netz können prinzipiell durch zwei unterschiedliche Verfahren eine Verbindung aufbauen und erhalten: durch Leitungsvermittlung oder Paketvermittlung.

Die Leitungsvermittlung ist ein Verfahren der Vermittlungsschicht, bei dem einer Nachrichtenverbindung zeitweilig ein durchgeschalteter Übertragungs­kanal mit konstanter Bandbreite zugeordnet wird, der dieser Verbindung dann zur exklusiven Nutzung zur Verfügung steht. Das bedeutet, dass zwischen Endpunkten eine dedizierte physische Verbindung hergestellt wird.

Ein typisches Beispiel ist der analoge Telefondienst, bei dem eine exklusive bidirektionale Sprechverbindung zwischen den Kommunikationspartnern besteht.

Bei der Paketvermittlung (engl. packet swiching) werden längere Nachrichten in einzelne Datenpakete unterteilt (Datagramm, mit Absender- und Zieladresse versehene Pakete) oder über eine vorher aufgebaute virtuelle Verbindung übermittelt. Dabei werden die Datagramme von Vermittlungsknoten (Router) kurzfristig gespeichert und weitergeleitet. Der Vermittlungsknoten besitzt einen Speicherbereich für die Pakete, ermittelt den Weg zur nächsten Station und sendet das Paket weiter.

Statt einer physischen Verbindung wird eine logische Verbindung hergestellt. Dies erlaubt, dass durch den Einsatz des Multiplex-Verfahrens tausende Verbindungen gleichzeitig über ein einziges Medium mit hoher Leitungskapazität realisiert werden können.

Beispiel ist hier der digitale Telefondienst, der tausende Telefonverbindungen über ein Glasfaserkabel erlaubt.

Beispiel: Transport von Öl (nach Hansen)

Ein anschauliches Beispiel für die Unterscheidung der beiden Vermittlungs­typen bietet die Aufgabe, Öl von einem Ort zum anderen zu transportieren. Es stehen hierbei grundsätzlich zwei Möglichkeiten für den Transport zur Verfügung: Pipelines und Tankwagen.

Eine Pipeline steht dem Benutzer exklusiv zur Verfügung, wobei aber Güter nicht gemischt werden können: Dies entspricht dem Prinzip der Leitungsvermittlung.

Pipeline

Tankwagen benutzen mit anderen Lastwagen, die andere Güter transportieren, dasselbe Straßennetz. Tankwagen können auch unterschiedliche Wege zum Ziel nehmen. Dies entspricht dem Prinzip der Paketvermittlung.

Pipeline

Bei der Paketvermittlung unterscheidet man zwischen zwei Dienstarten:

• Verbindungsorientiertem Dienst (connection based service), bei dem für ein Zeitintervall eine logische Verbindung zwischen Endpunkten hergestellt wird. Das bedeutet, dass zusammengehörige Pakete erkannt und einfach in der richtigen Reihenfolge wieder zusammengesetzt werden können. Ein Beispiel ist TCP.
• Verbindungslosem Dienst (connection less service), bei dem keine explizite Verbindung aufgebaut wird. Jedes Paket wird (physisch und logisch) unabhängig von anderen übermittelt. Ein Beispiel ist UDP.

Weitere Funktionen

Die Vermittlungsschicht ist noch für die Netzlaststeuerung zuständig, bei der „Staus“ im Netzwerk erkannt und behoben werden sollen. Dies geschieht durch geeignete Wegwahl, Zwischenspeicherung von Paketen und Reservierung von Kapazitäten (Einsatz von QoS, Dienstqualität). Manchmal bleibt auch nichts Anderes übrig, als Pakete zu terminieren (sie werden einfach weggeschmissen), wobei auf die Dienste höherer Schichten vertraut wird, dass die fehlenden Pakete der Übertragung erkannt und nochmals gesendet werden (Eigenschaft des Schichtenmodells).

Im Folgenden werden die weiteren Schichten des ISO/OSI Modells nur kurz beleuchtet, da in den nächsten Kapiteln bei der Betrachtung des Internets genau auf sie eingegangen wird.

Transportschicht (Schicht 4, transport layer)

Die Transportschicht stellt den transparenten Transfer von Daten zwischen beteiligten Systemen zur Verfügung, wobei der verlässliche Transport der Daten als Dienst (wie z.B. richtige Reihenfolge der Pakete, Anforderung verloren gegangener Nachrichten, Verbindungstrennung bei zu vielen Fehlern) für die oberen Schichten gewährleistet wird. Sie kontrolliert die Verlässlichkeit einer eingerichteten Verbindung durch Flusskontrolle, Segmentierung/De-Segmentierung und Fehlerkontrolle. Einige Protokolle sind hierzu zustands- und verbindungsorientiert (TCP). Die Transportschicht bietet den höheren, anwendungsorientierten Schichten einen standardisierten Zugriff an und versteckt die Eigenschaften des Kommunikationsnetzes.

Beispiel:
Man kann sich die Transportschicht wie ein Postamt vorstellen, das dafür sorgt, dass Briefe und Pakete klassifiziert, weitergeleitet und ausgeliefert werden. Hierbei werden die Sendungen nur nach den Adressen auf der äußeren Hülle bearbeitet, nicht nach den Inhalten.

Bekannte Protokolle sind TCP und UDP.

Sitzungsschicht (Schicht 5, session layer)

Die Sitzungsschicht kontrolliert die Kommunikationsverbindungen (Auf- und Abbau) zwischen den beteiligten Systemen. Sie richtet die Verbindungen ein, bedient und beendet sie. Sie stellt halbduplex oder vollduplex Verbindungen her und stellt Dienste für einen organisierten und synchronisierten Datenaus­tausch zur Verfügung. Diese Schicht ist auch verantwortlich für die korrekte Beendigung einer Sitzung und für die Einrichtung von Wiederaufsetzpunkten (checkpointing), um nach dem Ausfall einer Transportverbindung Sitzungen wieder synchronisieren zu können, ohne dass die Übertragung wieder von vorne beginnen muss.

Darstellungsschicht (Schicht 6, presentation layer)

Die Darstellungsschicht transformiert die systemabhängige Darstellung der Daten in eine unabhängige Form und ermöglicht somit den syntaktisch korrekten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen. Hierbei standardisierte die Darstellungsschicht die Daten, um der Anwendungsschicht eine einheitliche Schnittstelle anzubieten. Es werden Formate konvertiert (z.B. Umwandlung zwischen EBCDIC-kodierte und ASCII-kodierten Dateien, zwischen Grafiken-Formaten, usw.), Ver-/Entschlüsselung und Datenkompression/-dekompression, MIME Kodierung und ähnliche Manipulationen durchgeführt.

Anwendungsschicht (Schicht 7, application layer)

Die Anwendungsschicht ist die oberste Schicht des ISO/OSI Modells. Sie kommuniziert direkt mit den Anwendungsprozessen und stellt ihnen Anwendungsdienste zur Verfügung. Sie wiederum selbst verwendet die Darstellungsschicht. Es ist zu beachten, dass die Anwendungsschicht ihre Dienste den Anwendungsprozessen und nicht den Endbenutzern zur Verfügung stellt, d.h., zwischen Benutzer und Netzwerkmodell stehen noch die Anwendungen. So wird in der Anwendungsschicht zum Beispiel ein Datei-Transfer-Protokoll (FTP, TFTP) definiert, das aber vom Benutzer nur indirekt über seine Applikation (z.B. FTP-Client, Web-Browser) verwendet werden kann. Das ISO/OSI Modell enthält also keine direkte Benutzerschnittstelle für den Anwender. Protokolle dieser Schicht sind FTP, Telnet, SMTP, HTTP und viele mehrBeachten Sie:

OSI Referenz-Modell - https://www.itwissen.info/OSI-Referenzmodell-OSI-reference-model.html

Es gibt einige Eselsbrücken, um sich die einzelnen OSI-Schichten zu merken. Einer der populärsten Sprüche lautet “Please Do Not Throw Salami Pizza Away” (Physical Layer, Data Link Layer, usw.). Weitere Sprüche finden Sie unter http://de.wikipedia.org/wiki/Merkspr%C3%BCche#Informatik .

Zusammenfassung

Die Vermittlungsschicht ist für den effizienten Datenverkehr im Netz zuständig. Die Transportschicht für die ordnungsgemäße Zustellung von Daten. Die höheren Schichten des OSI Modells dienen zur korrekten Abwicklung von Verbindungen und bieten Anwendungen netzwerkbasierte Unterstützung.