OSI-Modell & Datenkapselung: Grundlagen der Netzwerkkommunikation

Die Bedeutung der Vernetzung und die Notwendigkeit von Standards

Anfängliche Herausforderungen und isolierte Systeme prägten die frühe Netzwerklandschaft. Die Vervielfältigung von Geräten, Ausrüstung und Ressourcen führte zu isolierten Systemen, mangelnder Kommunikationsfähigkeit und unzureichendem Netzwerkmanagement.

In den 70er Jahren gab es keine Einigung über Netzwerkstandards. Dies führte dazu, dass Unternehmen oft auf herstellerspezifische Netzwerklösungen beschränkt waren, was Kompatibilitätsprobleme und Konflikte verursachte. Die Notwendigkeit universeller Protokolle und Standards wurde offensichtlich.

Das OSI-Referenzmodell: Ein universeller Ansatz

Dieses Modell schlägt eine Schichtstruktur vor, wobei jede Schicht einen Satz von Funktionen darstellt, die von anderen Schichten genutzt werden. Das OSI-Modell hat sieben Stufen, von denen jede Schicht auf der unmittelbar darunterliegenden basiert:

Physikalische Schicht (Physical Layer)

Diese Schicht steuert direkt das physikalische Übertragungsmedium. Als Dienst bietet sie die Übertragung von Bits. Auf dieser Ebene werden folgende Eigenschaften definiert:

• Physikalische Eigenschaften: z.B. Steckertypen, Kabeldurchmesser.
• Elektrische Eigenschaften: z.B. Übertragungspegel oder die Form des übertragenen Signals.
• Funktionale Eigenschaften: z.B. die Funktion jedes Kabels oder Kanals.

Datenverbindungsschicht (Data Link Layer)

Diese Schicht sorgt dafür, dass die physikalische Verbindung zuverlässig ist und stellt die Mittel zur Aktivierung, Aufrechterhaltung und Deaktivierung der Verbindung bereit. Ihre Hauptaufgaben sind Fehlererkennung und Flusskontrolle. Sie ist in zwei Unterschichten unterteilt:

• MAC (Media Access Control): Verantwortlich für das Senden von Datenblöcken, die Aufrechterhaltung der Frame-Synchronisation, Fehlerkontrolle und Flusskontrolle auf der physikalischen Ebene.
• LLC (Logical Link Control): Stellt die Verbindung zur darüberliegenden Netzwerkschicht her.

Netzwerkschicht (Network Layer)

Die Netzwerkschicht ist für die Bereitstellung einer Ende-zu-Ende-Verbindung zuständig, d.h. für die Übermittlung von Informationen zwischen Endsystemen durch ein Kommunikationsnetz.

Transportschicht (Transport Layer)

Diese Schicht stellt eine fehlerfreie Ende-zu-Ende-Übertragung sicher, unabhängig vom Netzwerktyp. Sie gewährleistet, dass Daten fehlerfrei, in der richtigen Reihenfolge, ohne Verlust oder Duplikate ankommen.

Sitzungsschicht (Session Layer)

Diese Schicht ist verantwortlich für die Organisation und Synchronisierung des Dialogs zwischen den beiden Endpunkten. Sie bietet Mechanismen zur Verwaltung des Dialogs, wie zum Beispiel:

• Dialogkontrolle: Legt fest, wer wann senden darf.
• Gruppierung von Daten: Fasst Daten in logische Einheiten zusammen.
• Wiederherstellung: Ermöglicht bei Kommunikationsproblemen die Wiederaufnahme der Datenübertragung ab einem Kontrollpunkt.

Präsentationsschicht (Presentation Layer)

Diese Schicht definiert das Format der zwischen Anwendungen ausgetauschten Daten und bietet Anwendungsprogrammen eine Reihe von Diensten zur Datenverarbeitung. Bei Bedarf übernimmt sie auch die Komprimierung und Verschlüsselung.

Anwendungsschicht (Application Layer)

Diese oberste Schicht ist verantwortlich für die gebräuchlichsten Anwendungen und Dienste, wie z.B. HTTP, Dateiübertragung (FTP) oder den Zugriff auf Remote-Computer (Telnet). Sie definiert auch bestimmte Merkmale, die von mehreren Anwendungen gemeinsam genutzt werden können.

Kommunikation zwischen den Schichten: Protocol Data Units (PDUs)

Jede Schicht kommuniziert mit der entsprechenden Schicht auf dem Zielsystem über Protokolle. Innerhalb eines Systems tauschen benachbarte Schichten Informationen aus. Die Daten, die jede Schicht austauscht, werden als Protocol Data Units (PDUs) bezeichnet.

Datenkapselung: Rahmen und Pakete

Die Informationen, die durch das Netzwerk gesendet werden, werden als Daten oder Datenpakete bezeichnet. Der Prozess, bei dem Daten in ein Informationspaket für den Versand über das Netzwerk verpackt werden, wird als Kapselung bezeichnet.

Netzwerke müssen fünf Konversionsschritte durchführen, um die Daten zu kapseln:

1. Datenerstellung: Wenn ein Benutzer eine E-Mail sendet, werden die Daten in alphanumerische Zeichen umgewandelt, die das Netzwerk durchqueren können.
2. End-to-End-Verpackung: Die Daten werden für den Transport über das Internet verpackt.
3. Hinzufügen der IP-Netzwerkadresse: Die Daten werden in ein Paket gelegt, das einen Paket-Header mit den logischen Adressen von Quelle und Ziel enthält.
4. Hinzufügen von Data-Link-Headern und -Trailern: Jedes Netzwerkgerät muss das Paket in einen Rahmen (Frame) setzen.
5. Konvertierung in Bits: Der Rahmen wird in ein Muster aus Einsen und Nullen für die Übertragung durch das Medium umgewandelt.