OSI-Modell

Das OSI-Modell (genauer OSI-Referenzmodell)(engl. Open Systems Interconnection Reference Model) ist ein Schichtenmodell für die Kommunikation offener, informationsverarbeitender Systeme. Es handelt sich um vereinheitlichte Verfahren und Regeln für den Austausch von Daten.

Es wird seit 1979 entwickelt und ist von der ISO standardisiert worden. Das OSI-Modell dient als die Grundlage für eine Reihe von herstellerunabhängigen Netzprotokollen, die in der öffentlichen Kommunikationstechnik im Transportnetz fast ausschließlich eingesetzt werden.

Motivation

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In einem Computernetz werden den verschiedenen Hosts Dienste unterschiedlichster Art bereitgestellt und zwar von den anderen Teilnehmern im Netz. Die dazu erforderliche Kommunikation ist nicht so trivial, wie es auf den ersten Blick scheint, denn es müssen eine Vielzahl von Aufgaben bewältigt und Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Effizienz etc. erfüllt werden. Die Probleme, die dabei gelöst werden müssen, reichen von Fragen der elektronischen Übertragung der Signale über eine geregelte Reihenfolge in der Kommunikation bis hin zu abstrakteren Aufgaben, die sich innerhalb der kommunizierenden Anwendungen ergeben.

Aufgrund der Vielzahl dieser Probleme und Aufgaben hat man sich entschieden, diese in verschiedene Ebenen aufzuteilen, die als Schichten bezeichnet werden. Beim OSI-Modell sind es sieben Schichten mit festgelegten Anforderungen. Auf jeder einzelnen Schicht setzt jeweils eine Instanz die Anforderungen um. Dazu stellt eine Instanz Dienste zur Verfügung, die eine direkt darüberliegende Instanz nutzen kann. Zur Erbringung der Dienstleistung bedient sich eine Instanz selbst der Dienste der unmittelbar darunterliegenden Instanz. Der reale Datenfluss erfolgt daher vertikal. Die Instanzen einer Schicht sind austauschbar, sofern sie sowohl beim Sender als auch beim Empfänger ausgetauscht werden.

Die Instanzen auf Sender- und Empfängerseite müssen nach festgelegten Regeln arbeiten, damit sie sich einig sind, wie die Daten zu verarbeiten sind. Die Festlegung dieser Regeln wird in einem Protokoll beschrieben und bildet eine logische, horizontale Verbindung zwischen zwei Instanzen derselben Schicht.

Die 7 Ebenen

Der Abstraktionsgrad der Funktionalität von Schicht 7 bis Schicht 1 nimmt zunehmend ab. Das OSI-Modell im Überblick (siehe im Vergleich dazu das TCP/IP-Referenzmodell):

-	OSI-Schicht		Einordnung	Standard	TCP/IP-Schicht	Einordnung	Protokollbeispiel	Einheiten	Kopplungselemente	-	7	Anwendung (Application)	Anwendungs- orientiert	FTAM	Anwendung	Ende zu Ende (Multihop)	HTTP FTP HTTPS NCP	Daten	Layer 4-7 Switch, Content Switch, Gateway	-	6	Darstellung (Presentation)	ASN.1	-	5	Sitzung (Session)	ISO 8326	-	4	Transport (Transport)	Transport- orientiert	ISO 8073	Transport	TCP UDP ICMP IGMP SPX	Segmente	-	3	Vermittlung (Network)	CLNP	Internet	Punkt zu Punkt	IP IPX	Pakete	Router, Layer-3 Switch	-	2	Sicherung (Data Link)	HDLC	Netzzugang	Ethernet Token Ring FDDI ARCNET	Rahmen (Frames)	WLAN Access Point, Switch, Bridge (Netzwerk)	-	1	Bitübertragung (Physical)	Token Bus	Bits	Hub, Repeater

Es gibt einige Merksprüche, die als Hilfe zum Auswendiglernen dienen können.

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Schicht 7 – Anwendungsschicht

(engl. application layer, auch: Verarbeitungsschicht, Anwenderebene) Die Verarbeitungsschicht ist die oberste der sieben hierarchischen Schichten. Sie stellt den Anwendungen eine Vielzahl an Funktionalitäten zur Verfügung (zum Beispiel Datenübertragung, E-Mail, Virtual Terminal, Remote login etc.). Der eigentliche Anwendungsprozess liegt oberhalb der Schicht und wird nicht vom OSI-Modell erfasst.

Schicht 6 – Darstellungsschicht

(engl. presentation layer, auch: Datendarstellungsschicht, Datenbereitstellungsebene) Die Darstellungsschicht setzt die systemabhängige Darstellung der Daten (zum Beispiel 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 Schicht 6. Die Darstellungsschicht gewährleistet, dass Daten, die von der Anwendungsschicht eines Systems gesendet werden, von der Anwendungsschicht eines anderen Systems gelesen werden können. Falls erforderlich, agiert die Darstellungsschicht als Übersetzer zwischen verschiedenen Datenformaten, indem sie ein für beide Systeme verständliches Datenformat verwendet.

Schicht 5 – Sitzungsschicht

(engl. session layer, auch: Kommunikationssteuerungsschicht, Steuerung logischer Verbindungen, Sitzungsebene) 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.

Schicht 4 – Transportschicht

(engl. transport layer, auch: Ende-zu-Ende-Kontrolle, Transport-Kontrolle) 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 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.

Schicht 3 – Vermittlungsschicht

(engl. network layer, auch: Paketebene) 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 Wegesuche (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 zählen 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 auf dieser Schicht: Router, hochwertige Switches

Schicht 2 – Sicherungsschicht

(engl. data link layer, auch: Abschnittssicherungsschicht, Verbindungssicherungsschicht, Verbindungsebene, Prozedurebene) 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 Bitdatenstromes 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 Frames oder Rahmen 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, für lokale Netze auch den konkurrierenden Zugriff auf ein Übertragungsmedium zu regeln, was im OSI-Modell nicht vorgesehen ist.

Unterteilt nach IEEE ist Layer 2 in 2 Sub-Layers: LLC (Logical Link Control) und MAC (Media Access Control)

Hardware auf dieser Schicht: Bridge, Switch (Multiport-Bridge)

Schicht 1 – Bitübertragungsschicht

(engl. physical layer) Die Bitübertragungsschicht ist die unterste Schicht. 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 zum Beispiel elektrische Signale, optische Signale (Lichtleiter, Laser), elektromagnetische 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, der Transceiver, 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 (zum Beispiel Kupferkabel, Lichtwellenleiter, Stromnetz, elektromagnetische 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.

Damit ist Folgendes gemeint: In Rechnernetzen wird heute Information zumeist in Form von Bitfolgen übertragen. Selbstverständlich sind dem Übertragungsmedium selbst, zum Beispiel einem Kupferkabel im Falle elektrischer Übertragung, oder der elektromagnetischen Welle im Falle von Funkübertragung, die Werte 0 und 1 unbekannt. Für jedes Medium muss daher eine Codierung dieser Werte gefunden werden, beispielsweise ein Spannungsimpuls von bestimmter Höhe oder eine Funkwelle mit bestimmter Frequenz, jeweils bezogen auf eine bestimmte Dauer. Für ein spezifisches Netz müssen diese Aspekte präzise definiert werden. Dies geschieht mit Hilfe der Spezifikation der Bitübertragungsschicht eines Netzes.

Siehe auch: Datenübertragung, Leitungscode

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 Protokolle jeweils einen großen Leistungsumfang festgelegt, der sehr viele Optionen hat. 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 siehe auch:

Das 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

Standardisierungsdokumente:

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, ..

Analogie

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. Sein 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.

Humor

Scherzhafte Zeitgenossen sprechen von einer achten Schicht: Die Benutzer-Schicht (User-Layer). Ein Fehler des Computerbenutzers wird dann als „Layer-8-Fehler“ bezeichnet. Dabei wird jedoch missachtet, dass die Anwendungsschicht eine Schnittstelle zum Anwendungsprozess bildet. Oberhalb der siebten Schicht müsste demnach zunächst der Anwendungsprozess kommen.

Eine weiterer, recht verbreiteter Scherz erweitert das 7-Schichten-Modell um drei zusätzliche zum „10-Schichten-Modell“. Die drei zusätzlichen Schichten sind:

Schicht 8: Financial Layer (oder finanzielle Schicht) die hierarchisch über der eigentlichen Anwendung steht, da der Preis stets wichtiger als die Funktionalität ist.
Schicht 9: Political Layer (oder politische Schicht) die wiederum hierarchisch über den Finanzen und der Anwendung steht. Begründet wird das mit Aufträgen, die trotz höheren Preises an bestimmte "politisch" nahestehende Lieferanten gehen, ohne zu überprüfen, ob die Produkte den Anforderungen genügen. Der political Layer erklärt z.B. auch, weshalb manche Hersteller verbreitete Standards komplett ignorieren um Benutzer auf die eigene Produktpalette zu zwingen.
Schicht 10: Religious Layer (oder religiöse Schicht) die über allen anderen Schichten steht und schlüssig erläutert, weshalb manche Entscheidungen komplett fachfremd, entgegen gesunden Menschenverstand und bar jeder Begründung oder Diskussion gefällt werden: weil die Entscheidung aus festem Glauben getroffen wird.

Merksprüche

Es gibt einige Eselsbrücken/Merksprüche zu den Namen der einzelnen OSI-Schichten, welche gerne zum einfacheren Lernen verwendet werden.

Wohl mitunter einer der populärsten Sprüche lautet "Please Do Not Throw Salami Pizza Away" (Physical Layer, Data Link Layer, usw.), weitere Sprüche finden sich auf der Seite Liste der Merksprüche.

Siehe auch

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

Weblinks

ISO / OSI Referenzmodell
Netzwerk – OSI-Referenzmodell
Das OSI-Referenzmodell
Gute Erläuterung zum OSI-Referenzmodell
Grundlagen: Protokolle – Kurze, einfache Zusammenfassung
Grundlagen Computernetze: ISO-Referenzmodell für die Datenkommunikation – Skriptum auf Netzmafia.de
Grafik nach Tanenbaum
'OSI Reference Model—The ISO Model of Architecture for Open Systems Interconnection, Hubert Zimmermann, IEEE Transactions on Communications, vol. 28, no. 4, April 1980, pp. 425 - 432.
ISO standard 7498-1:1994

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