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Prof. Dr. Christoph Meinel

Für die Entwicklung von Netzwerkprotokoll-Familien wurde ab 1977 von der International Standards Organisation (ISO) das ISO/OSI Referenzmodell für die Kommunikation in offenen Netzwerken (Open Systems Interconnection) bereitgestellt. Es untergliedert den Gesamtprozess der Netzwerkkommunikation in sieben einzelne Schichten und ist konzipiert als gedankliches Werkzeug zur Entwicklung von Protokollfamilien (siehe Abbildung).

Das ISO/OSI-Referenzmodell trägt den Namen Open Systems Interconnection, weil es zur Verbindung offener Systeme bestimmt war, d.h. Systeme, die für die Kommunikation mit anderen Systemen offen stehen. Als Grundgedanke beim Design des ISO/OSI-Referenzmodells sollte jede einzelne Schicht eine genau definierte Funktion implementieren und eine neue, höhere Schicht stets dann eingefügt werden, wenn ein neuer Abstraktionsgrad zur Erledigung der zu bewältigenden Aufgaben notwendig war. Das ISO/OSI-Modell selbst bietet keine Netzwerkarchitektur, es werden lediglich die Aufgaben der einzelnen Schichten festgelegt und keine Aussage über die zur Realisierung der dort definierten Funktionalität notwendigen Dienste und Protokolle getroffen.

Die die vier Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells, die im Allgemeinen als Transportsystem bezeichnet werden, sind mit den folgenden Aufgaben befasst:

• Schicht 1: Bitübertragungsschicht (Physical Layer)
  Die Bitübertragungsschicht definiert physikalische und technische Eigenschaften des Übertragungsmediums (Übertragungskanals). Speziell werden darin die Beziehungen zwischen der Netzwerk-Hardware und dem physikalischenÜbertragungsmedium geregelt, wie z.B. Layout und Belegung von Steckverbindungen mit ihren optisch oder elektrischen Parametern, Kabelspezifikationen, Verstärkerelemente, Netzwerkadapter, verwendeteÜbertragungsverfahren usw.Zu den wichtigsten Aufgaben der Bitübertragungsschicht zählen:
  • Aufbau und Beendigung einer Verbindung zu einem Übertragungsmedium und
  • Modulation, d.h. Konvertierung binärer Daten (Bitstrom) in (elektrische, optische oder Funk-) Signale, die über einen Kommunikationskanal übertragen werden können.
• Schicht 2: Sicherungsschicht (Data Link Layer)
  Im Gegensatz zur Bitübertragungsschicht, deren Hauptanliegen in der Regelung der Kommunikation zwischen einer einzelnen Netzwerkkomponente und dem Übertragungsmedium besteht, befasst sich die Sicherungsschicht mit der Interaktion mehrerer (d.h. mindestens zwei) Netzwerkkomponenten. Die Sicherungsschicht gewährleistet, dass entlang einer Punkt-zu-Punkt Verbindung trotz gelegentlicher Fehler, die in der Bitübertragungsschicht auftreten können, eine zuverlässige Übertragung stattfinden kann. Diese Punkt-zu-Punkt Verbindung kann dabei entweder als direkte Verbindung ausgeführt sein oder auch über ein im Broadcastverfahren arbeitendes Diffussionsnetzwerkrealisiert werden, wie z.B. bei Ethernet oder WLAN. In einem Diffusionsnetzwerk können alle angeschlossenen Rechner die übertragenen Daten aller anderen angeschlossenen Rechner empfangen, ohne dass dazu irgendwelche Zwischensysteme nötig wären.Zu den auf der Sicherungsschicht zu bewältigenden Aufgaben zählen
• die Organisation von Daten in logische Einheiten, die auf der Sicherungsschicht als Rahmen (Frames) bezeichnet werden,
• • die Übertragung von Rahmen zwischen Netzwerkkomponenten,
  • das Bitstopfen, d.h. das Ergänzen nicht vollständig gefüllter Rahmen mit speziellen Fülldaten und
  • die zuverlässige Übertragung von Rahmen durch einfache Fehlererkennungsverfahren, wie z.B. die Prüfsummenberechnung.
• Schicht 3: Vermittlungsschicht (Network Layer)
  Die Vermittlungsschicht stellt funktionale und prozedurale Mittel zur Verfügung, die den Transfer von Datensequenzen variabler Länge (Datenpakete) von einem Sender zu einem Empfänger über ein oder mehrere Netzwerke hinweg ermöglichen.
  Zu den Aufgaben der Vermittlungsschicht zählen:
  • die Zuweisung von Adressen zu End- und Zwischensystemen,
  • die zielgerichtete Weiterleitung von Datenpaketen von einem Ende des Netzwerks zum anderen (Routing) und damit
  • die Verknüpfung einzelner Netzwerke (Internetworking),
  • die Fragmentierung und Reassemblierung von Datenpaketen, da unterschiedliche Netzwerke von unterschiedlichen Transportparameter bestimmt werden, und
  • die Weiterleitung von Fehler- und Statusmeldungen bzgl. erfolgter Zustellung von Datenpaketen
• Schicht 4: Transportschicht (Transport Layer)
  Die Transportschicht ermöglicht einen transparenten Datentransfer zwischen Endanwendern und stellt den darüberliegenden Schichten einen zuverlässigen Transportdienst zur Verfügung. Die Transportschicht definiert dabei die Einzelheiten, die für eine zuverlässige und sichere Datenübertragung notwendig sind. Hier wird sichergestellt, dass eine Folge von Datenpaketen fehlerfrei, vollständig und in der richtigen Reihenfolge vom Sender zum Empfänger gelangt. Auf der Transportschicht erfolgt ebenfalls die Abbildung von Netzwerkadressen auf logische Namen. Damit stellt die Transportschicht den beteiligten Endsystemen eine Ende-zu-Ende Verbindung zur Verfügung, die die Einzelheiten der dazwischenliegenden Netzwerkinfrastruktur verbirgt und daher als transparent bezeichnet wird. Die Protokolle auf dieser Schichte zählen zu den komplexesten Protokollen in der Netzwerk-Kommunikation.