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OSI-Modell
Das ISO/OSI-Referenzmodell (englisch Open Systems Interconnection model) ist ein Referenzmodell für Netzwerkprotokolle als Schichtenarchitektur.
Inhalt5 Abschnitte
Zweck und Grundprinzip
Das ISO/OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection model) beschreibt Netzwerkkommunikation als Architektur aus sieben übereinanderliegenden Schichten. Es soll die Kommunikation zwischen unterschiedlichen technischen Systemen verständlich machen und ihre Weiterentwicklung erleichtern. Jede Schicht erfüllt eng begrenzte Aufgaben und besitzt klar definierte Schnittstellen. Dadurch lassen sich Protokolle derselben Schicht grundsätzlich austauschen, wenn Sender und Empfänger den Austausch unterstützen.
Die Aufteilung ist nötig, weil Netzwerkkommunikation viele Anforderungen gleichzeitig erfüllen muss: Signale müssen physisch übertragen, Übertragungsfehler behandelt, Wege durch Netze gefunden und Daten für Anwendungen passend bereitgestellt werden. Jede Instanz einer Schicht bietet der unmittelbar darüberliegenden Schicht Dienste an und nutzt selbst die Dienste der darunterliegenden Schicht. Der reale Datenfluss verläuft daher vertikal durch die Schichten. Ein Protokoll legt dagegen die Regeln für die logische, horizontale Kommunikation zwischen Instanzen derselben Schicht bei Sender und Empfänger fest.
Der Abstraktionsgrad steigt von Schicht 1 bis Schicht 7: Die unteren Schichten behandeln Übertragungsmedien, Signale und lokale Verbindungen, die mittleren Schichten Weiterleitung und Transport, die oberen Schichten die anwendungsnahe Verarbeitung.
Schichten 1 bis 3: Übertragung und Vermittlung
Schicht 1, die Bitübertragungsschicht (Physical Layer, PHY), überträgt Bits beziehungsweise Symbole über ein leitungsgebundenes oder drahtloses Medium. Sie legt mechanische, elektrische, physikalische und funktionale Eigenschaften fest, etwa für Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Funk, Stecker und Codierungen. Informationsträger können elektrische oder optische Signale, elektromagnetische Wellen oder Schall sein. Durch Modulation können sie auch mehr als zwei Zustände darstellen. Zur gemeinsamen Nutzung eines Mediums sind statisches oder dynamisches Multiplexen möglich. Typische Komponenten sind Leitungen, Stecker, Antennen, Repeater, Hubs und Transceiver; Beispiele für Normen sind V.24, V.28, X.21, RS 232, RS 422, RS 423 und RS 499.
Schicht 2, die Sicherungsschicht (Data Link Layer), soll eine weitgehend fehlerfreie Übertragung über einen Abschnitt ermöglichen und den Zugriff auf das Übertragungsmedium regeln. Sie teilt den Bitstrom in Frames beziehungsweise Rahmen und fügt Prüfsummen hinzu. Fehlerhafte Frames können erkannt, verworfen, mithilfe redundanter Informationen korrigiert (FEC, Forward Error Correction) oder erneut angefordert werden (ARQ, Automatic Repeat Request). Eine Datenflusskontrolle lässt den Empfänger bestimmen, wie schnell die Gegenseite senden darf. Nach IEEE gliedert sich diese Schicht in LLC (Logical Link Control, Schicht 2b) und MAC (Media Access Control, Schicht 2a). Typische Geräte sind Bridges und Layer-2-Switches. Ethernet umfasst Funktionen der Schichten 1 und 2; zur Zugriffskontrolle wird dort CSMA/CD verwendet. Weitere Beispiele sind IEEE 802.11 (WLAN), HDLC und IEEE 802.2 (LLC).
Schicht 3, die Vermittlungsschicht (Network Layer), transportiert Daten durch das gesamte Kommunikationsnetz. Bei leitungsorientierten Diensten schaltet sie Verbindungen, bei paketorientierten Diensten leitet sie Datenpakete weiter. Dazu gehören Routing, also die Wegsuche zwischen Netzwerkknoten, netzwerkübergreifende Adressen, Aufbau und Aktualisierung von Routingtabellen, Fragmentierung und Stauvermeidung. Zwischenknoten geben Pakete mit einem neuen Zwischenziel an den nächsten Knoten weiter, ohne sie an höhere Schichten zu übergeben. Die Schicht kann außerdem zwischen Teilnetzen mit unterschiedlichen Medien und Protokollen umsetzen und eine bestimmte Dienstgüte aushandeln. Typische Geräte sind Router und Layer-3-Switches; wichtige Protokolle sind IP, IPsec und ICMP.
Schichten 4 bis 7: Transport und Anwendungen
Schicht 4, die Transportschicht (Transport Layer), segmentiert den Datenstrom, vermeidet Staus und stellt eine fehlerfreie Ende-zu-Ende-Übertragung sicher. Ein Datensegment enthält Nutzdaten und Schicht-4-Steuerungsinformationen. Es erhält als Schicht-4-Adresse einen Port und wird anschließend in ein Paket der Schicht 3 gekapselt. Die Transportschicht bietet den anwendungsorientierten Schichten 5 bis 7 einen einheitlichen Netzzugang, sodass diese die Eigenschaften des Kommunikationsnetzes nicht berücksichtigen müssen. Es gibt fünf Dienstklassen unterschiedlicher Güte. Beispiele sind TCP, UDP, SCTP und DCCP; bei TCP heißen die Einheiten Segmente, bei UDP Datagramme.
Schicht 5, die Sitzungsschicht (Session Layer), organisiert die Prozesskommunikation und den synchronisierten Datenaustausch zwischen zwei Systemen. Sie kann Fixpunkte oder Check Points setzen. Nach dem Ausfall einer Transportverbindung lässt sich eine Sitzung dadurch an einem solchen Punkt wieder synchronisieren, ohne die gesamte Übertragung neu zu beginnen. Ein zugeordnetes Protokoll ist RPC (Remote Procedure Call).
Schicht 6, die Darstellungsschicht (Presentation Layer), übersetzt systemabhängige Darstellungen wie ASCII oder EBCDIC in eine unabhängige Form. Dadurch können unterschiedliche Systeme Daten syntaktisch korrekt austauschen. Auch Kompression und Verschlüsselung gehören zu ihren Aufgaben. Bei Bedarf verwendet sie als gemeinsame Datenbeschreibung ASN.1 (Abstract Syntax Notation One).
Schicht 7, die Anwendungsschicht (Application Layer), stellt Netzwerkfunktionen für Anwendungen bereit, verbindet sie mit den unteren Schichten und übernimmt die Datenein- und -ausgabe. Die Anwendungen selbst gehören nicht zur Schicht. Beispiele für Anwendungen sind Webbrowser, E-Mail-Programme und Instant Messaging. Zugeordnete Protokolle sind unter anderem HTTP, HTTPS, FTP, DNS, DHCP, SMTP, IMAP, POP3, LDAP, RTP, XMPP und MQTT.
Kapselung und praktisches Beispiel
Beim Senden werden Daten schrittweise durch die Schichten nach unten gereicht und dabei gekapselt: Eine Schicht ergänzt die für ihre Aufgabe notwendigen Steuerungsinformationen. Beim Empfänger läuft der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge. Das verbreitete System „TCP/IP über Ethernet“ entspricht dabei nicht exakt dem OSI-Modell; einzelne Verfahren reichen über mehrere OSI-Schichten hinweg.
Bei einem Ethernet-Paket mit maximalen IPv4-/TCP-Daten enthält das TCP-Segment einen TCP-Header und bis zu 1460 Bytes Nutzlast. Das IP-Paket umfasst einen IP-Header und 1480 Bytes Nutzlast. Der Ethernet-Frame enthält unter anderem MAC-Empfänger, MAC-Absender, optional ein 802.1Q-Tag, den EtherType 0x0800, 1500 Bytes Nutzlast und eine Frame Check Sequence. Auf der Bitübertragungsschicht kommen Präambel, Start of Frame und der Interpacket Gap hinzu; die Ethernet-Nutzlast umfasst dabei 1518 beziehungsweise mit optionalem Tag 1522 Bytes.
Eine Briefpost-Analogie veranschaulicht die Zuständigkeiten: Der Firmenmitarbeiter entspricht der Anwendung, sein Assistent der Darstellung, der Sekretär der Sitzung, der Hauspostmitarbeiter dem Transport, die Briefpost der Vermittlung, die Verteilstelle der Sicherung und das Transportmittel der Bitübertragung. Auf Empfängerseite wird die Reihenfolge umgekehrt durchlaufen. Die Analogie bildet allerdings die Möglichkeiten zur Fehlerprüfung und Fehlerbehebung nicht ab.
Einordnung, Telekommunikation und Normung
Das OSI-Modell wird vor allem zum Entwurf von Netzwerkprotokollen und zum Verständnis ihrer Funktionen verwendet. Im privaten und kommerziellen Bereich dominiert jedoch die TCP/IP-Protokollfamilie. Beide Ansätze sind hierarchisch, unterscheiden sich aber konzeptionell: OSI legt genau fest, welche Dienste jede Schicht für die nächsthöhere erbringt. TCP/IP besitzt kein ebenso strenges Schichtenkonzept; eine höhere Schicht darf dort unter Umgehung dazwischenliegender Schichten direkt auf eine niedrigere zugreifen. TCP/IP ist dadurch effizienter. OSI-Protokolle bieten häufig viele Optionen. Weil kommerzielle Software nicht immer den gesamten Umfang umsetzt, wurden OSI-Profile mit festgelegten Teilmengen definiert. Produkte verschiedener Hersteller können zusammenarbeiten, wenn sie dieselben Profile unterstützen.
Für die Telekommunikation wurde das aus der paketorientierten Datenwelt stammende Modell erweitert. Neben Nutzdaten gibt es dort eine getrennte Zeichengabe für den Verbindungsauf- und -abbau sowie Management-Protokolle zur Fernkonfiguration, Überwachung und Entstörung. Das generische Referenzmodell ITU-T I.322 unterscheidet deshalb drei jeweils sieben Schichten umfassende Protokoll-Stacks: Nutzdaten (User Plane), Zeichengabe (Control Plane) und Management (Management Plane).
Die Entwicklung des OSI-Modells begann 1977. Es wird seit 1983 von der International Telecommunication Union (ITU) und seit 1984 auch von der International Organization for Standardization (ISO) als Standard veröffentlicht. Der genormte Stand ist in ISO/IEC 7498-1:1994 beschrieben. ISO 7498-1 ist textgleich mit DIN ISO 7498 und trägt den Titel „Information technology – Open Systems Interconnection – Basic Reference Model: The basic model“. ITU-T übernahm das Modell ebenfalls und spezifizierte in der Reihe X.200, X.207, … auch Dienste und Protokolle der einzelnen Schichten. Gebräuchliche Bezeichnungen sind ISO/OSI-Modell, OSI-Referenzmodell, OSI-Schichtenmodell und 7-Schichten-Modell.
Gelegentliche Erweiterungen um eine „8. Schicht“, etwa für Benutzer oder Endgeräte, gehören nicht zum eigentlichen OSI-Modell.
