Wie funktioniert das ISO-OSI-Modell

Das OSI-Modell (Open Systems Interconnect) der ISO – kurz: ISO-OSI-Modell oder 7-Layer-Model – ist die Basis der Datenübertragung heutiger Netzwerke. Was ist das ISO/OSI-7-Schichtenmodell zur Datenübertragung?

Übertragungsmodelle sind Hilfskonstruktionen, um zu veranschaulichen, wie Datenübertragung vonstatten geht – und das OSI-Modell der International Standards Organisation (ISO) hat nicht nur einen etwas komischen Namen, sondern ist auch eines der bekanntesten: Das ISO-OSI-Modell soll die Entwicklung und das Verständnis von Rechnernetzen erleichtern (ähnlich wie das 5-Schichten-Modell des Clients-Server-Netzes). Das Modell ist deswegen von so großer Wichtigkeit, weil es die Funktionsweise von Datenübertragung und einzelner Komponenten veranschaulicht und bei der Fehlersuche hilft.

Was das ISO-OSI-Architekturmodell auszeichnet

• Es vereinfacht die Komplexität eines Computernetzwerkes durch die Aufteilung in Untergruppen (Schichten, engl. Layer– kein Plural!).
• Jeder Layer erfüllt seine bestimmte Funktion, verwendet aber auch die Funktionen der darunterliegenden Schicht. Vorteil: Der Aufbau gewährleistet eine Unabhängigkeit höherer Schichten von den darunterliegenden physikalischen Bedingungen.
• Man kann die Funktionen eines Layers ändern, ohne damit Einfluss auf die anderen Layers zu nehmen.
• Es definiert standardisierte Schnittstellen (Interfaces), so dass Datenaustausch in einem herstellerübergreifenden Netz möglich wird (Kompatibilität).

Das Modell teilt den Prozess des Verschickens von Daten über ein Rechnernetz in sieben übereinander liegende Schichten ein, die einander zuarbeiten. Beispielsweise ist es die Aufgabe der Schicht 2, eine fehlerfreie Verbindung zwischen zwei benachbarten Netzknoten zur Verfügung zu stellen. Das bedeutet, dass die Schicht 3 sich mit den Details der Datenübertragung zwischen zwei Maschinen nicht mehr zu befassen hat. Sie kann mit der Schicht 3 der Gegenstelle kommunizieren, ohne sich um Einzelheiten der Datenübertragung und möglicherweise auftretende Fehler kümmern zu müssen.

So funktioniert das ISO-OSI-Modell

Die Arbeitsweise des OSI-Modells verdeutlicht ein Analogie-Beispiel aus der „wirklichen Welt“ der Post (siehe auch Grafik unten):

Die drei obersten Layer bilden das Anwendungssystem und stellen Synchronisation und Flusssteuerung zur Verfügung.

1. Sie möchten eine Uhr versenden – das ist der Wunsch des Anwenders auf dem Application-Layer.

• Der Application-Layer (7 Anwendungsschicht) definiert Anwendungen und sorgt für die Kommunikation zwischen ihnen, z.B. Web-Browser (WWW), SMTP (Mail), FTP (Filetransfer), elektronischer Datenaustausch (EDI).

2. Sie packen die Uhr ein – diese Arbeit übernimmt der Presentation-Layer.

• Der Presentation-Layer (6 Darstellungsschicht) sorgt für die Darstellung der Übertragungsdaten, den Datencode. Er übernimmt die Datencodierung (ASCII, TIFF, JPEG, …), Verschlüsselung (DES, RSA), Komprimierung (STAC).

3. Sie füllen die Paketkarte aus und geben das Paket bei der Post ab.

• Der Session-Layer (5 Kommunikationssteuerungsschicht) baut die Verbindung zwischen zwei Rechnern (Station, Host) auf und ab. Herstellerübergreifend normierte Session-Layer-Protokolle sind z.B.
  • Network-File-System (NFS) von Sun – verbindet Festplatten verschiedener Rechner
  • Structured Query Language (SQL) von IBM – realisiert Datenbankoperationen
  • Remote Procedure Calls (RPC) – erlauben einen Programmstart auf entfernten Rechnern
  • X-Windows – Programmierung grafischer Anwendungen, die auf verschiedenen Rechnern im Netz laufen

Transport der Datenpakete: Transport-Layer

4. Postbeamte schauen in den Fahrplan des Transport-Layers, wann der nächste Zug abgeht und veranlassen den Transport des Päckchens.

• Der Transport-Layer (4 Transportschicht) schaltet eine Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen den Rechnern, die miteinander Daten austauschen wollen. Er vermittelt zwischen den drei obersten Schichten des Modells (dem Anwendungssystem) und den drei unteren Schichten (dem Transportsystem): Seine Aufgabe ist die Flusskontrolle (CRC, ACK, Window, Duplex). Er sorgt für die Zuverlässigkeit des Datentransfers und die Möglichkeit, dass mehrere Dienste Zugriff auf dieselben Transportmechanismen bekommen. TCP und UDP (User Datagram Protocol) der TCP/IP-Protokollfamilie sind hier angesiedelt. Der Transport-Layer kann auch nach Übertragungsfehlern suchen, defekte Pakete wiederholt senden und den fehlerfreien Empfang bestätigen (engl. ACKnowledgement). Wenn die Datenmengen zu groß sind, teilt er sie in einzelne Pakete auf und fügt sie beim Empfänger wieder zusammen.

Die drei unteren Schichten bilden das Transportsystem:

5. Das Päckchen wird in einen Container verladen (man transportiert ja noch weitere Fracht). Der Network-Layer be-/entlädt die Fracht-Container und definiert den Weg, den die Container nehmen sollen, über eine Routenplanung.

• Der Network-Layer (3 Vermittlungsschicht) transportiert die Pakete durchs Netz und legt die Wege (Routen) fest, die die Pakete nehmen sollen – und zwar unabhängig von den Medien und Topologien der darunter liegenden Schichten. Die Protokolle (Internet-Protokoll=IP, IPX) sind wie die IP-Adressen (z.B. 192.168.254.1) auf dieser Ebene angesiedelt. Router arbeiten ebenfalls als Layer-3-Geräte: Sie verbinden Netze auf Layer 3 anhand der IP-Adressen.

Und hier wird’s schwierig mit dem Vergleich der wirklichen Welt:

6. Der Datalink-Layer sucht zum Containertransport einen Lastwagen (vergleichbar einem Ethernet-LAN) oder Flugzeug (vergleichbar mit einem ISDN-WAN).

• Der Datalink-Layer (2 Sicherungsschicht) bestimmt die physikalischen Netzwerke, z.B. Ethernet oder ISDN. Er transportiert die Network-Layer-Bits (z.B. IP-Bits) eingepackt in Datenblöcke oder Pakete (Frames) der jeweiligen Netzwerke (Ethernet-SNAP, ISDN-PPP usw.). Über den Cycling-Redundany-Check (CRC) wird errechnet, ob ein Frame den Empfänger fehlerfrei erreicht hat. Außerdem beschreibt der Datalink-Layer z.B. die ISDN-Rufnummer (+49-6105-28430). Auf dieser Schicht findet also eine gesicherte Übertragung statt. Da in diesem Layer die Ethernet-Standards für die Media Access Control (MAC) angesiedelt werden, bezeichnet man ihn oft auch als MAC-Layer. MAC ist eine Adressierungsform, die jeder netzwerkfähigen Hardware-Komponente eine weltweit eindeutige Nummer zuteilt. Eine Bridge oder ein Switch sind Layer-2-Geräte, da sie Netze und Geräte auf dieser Ebene verbinden.

7. Der LKW benötigt eine Straße, auf der er fährt – die Aufgabe, Straßen zu bauen, übernimmt der Physical-Layer.

• Der Physical-Layer (1 Bitübertragungsschicht) definiert die mechanischen und elektrischen Schnittstellen zum Übertragungsmedium, also Kabel und Stecker, legt elektrische und optische Signale fest und transportiert Bits von einer Netzwerkkomponente zur nächsten. Die Standards für Ethernet und Token Ring sind auf dieser Ebene angesiedelt.

Zusammenfassung ISO-OSI-Modell

• Übertragungsmodell – kein physikalisches Übertragungsverfahren!
• Das ISO/OSI-Modell veranschaulicht die Datenübertragung in Netzwerken.
• 7 Schichten mit bestimmten Funktionen, die aufeinander aufbauen, prinzipiell aber unabhängig sind
  • Layer 1-3 Transportsystem,
  • Layer 4 vermittelt zwischen Anwender- und Transportsystem
  • Layer 5-7 Anwendersystem

(Siehe unten: Grafik-Kasten)

Das OSI-Modell ist nur eingeschränkt zur Beschreibung der Übertragungsprozesse in IP-Netzwerken (also insbesondere dem Internet) geeignet.