Computervermittelte Kommunikation

Kapitel 3: OSI -- Open Systems Interconnection Model

von Margarete Payer

mailto: payer@hdm-stuttgart.de

Zitierweise / cite as:

Payer, Margarete <1942 -- >: Computervermittelte Kommunikation. -- Kapitel 3. OSI -- Open Systems Interconnection Model. -- Fassung vom 2003-10-08. -- URL: http://www.payer.de/cmc/cmcs03.htm. -- [Stichwort].

Erstmals publiziert: 1995

Überarbeitungen: 1997-06-23; 1999-05-03 [Revision], 2001-04-19 [Revision]; 2003-10-08 [Kleine Änderungen]

Anlass: Lehrveranstaltungen an der HDM (früher: HBI) Stuttgart

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Zur Inhaltsübersicht von Margarete Payer: Computervermittelte Kommunikation.

3.0. Übersicht

• 3.1. Einleitung
• 3.2. Einige Hauptaufgaben, die innerhalb des Schichtenmodells erfasst werden müssen
• 3.3. Geschichtliche Hintergründe des OSI-Modells
• 3.4. Das OSI-Referenzmodell: Übersicht
• 3.5. OSI-Schichten als Kopf- und Schlussfelder in Datenpaketen
• 3.6. Grundoperationen im OSI-Modell

3.1. Einleitung

OSI ist ein offenes Schichtenmodell für Standards, das die International Organization for Standardization (ISO) 1974 entwickelt hat:

• ISO 7498-1 (DIN ISO 7498),
• ITU-T (CCIT) X.200

Ein Schichtenmodell versucht die verschiedenen Problembereiche der computervermittelten Kommunikation auf Schichten klar zu verteilen, die aufeinander aufsetzen.

Ein elementares Schichtenmodell mit zwei grundlegenden Schichten würde bestehen aus:

1. Anwendungenorientierte Schicht -- Applications Oriented Layer: diese Schicht beinhaltet die fehlerfreie und ungehinderte Datenübertragung von Computer zu Computer ohne Rücksicht auf die anwendungsbezogene Bedeutung dieser Daten
2. Endsystem-zu-Endsystem orientierte Schicht -- End-System to End-System Oriented Layer: diese Schicht beinhaltet die anwendungsbezogene Bedeutung der übertragenen Daten

Vorteile eines Schichtenmodells sind:

• Spezialisierung: Entwickler können sich auf die Probleme jeweils einer Schicht konzentrieren und damit mit der unterschiedlich schnellen technischen Entwicklung besser Schritt halten
• Geringere Kosten: man kann die Ausrüstung (Implementierungen) für eine Schicht ändern, ohne alle anderen ändern zu müssen
• Wahlfreiheit: der Endnutzer kann durch die Wahl unterschiedlicher Implementierungen für seine Probleme maßgeschneiderte Lösungen zusammenstellen

OSI bezieht sich auf die Verbindung und Zusammenarbeit von Systemen. Das OSI-Referenzmodell besteht aus sieben Schichten (layer). Diese Schichten sind keine Protokolle, sondern geben Funktionen wieder. OSI selbst definiert die Dienste und Funktionen, die auf den einzelnen Schichten erfüllt werden sollen. OSI definiert aber nicht die Standards, die diese Dienste und Funktionen verwirklichen. So können die Funktionen einer Schicht u.U. durch unterschiedliche Protokolle erfüllt werden.

Obwohl weitgehend Übereinstimmung darüber herrscht, welche Standards als Implementationen zu OSI anzusehen sind, gibt es keine normierte Liste, welche Standards zu OSI gehören. Eine Gesamtheit von Protokollen, wobei jede Funktion im OSI- Modell durch ein einziges Protokoll erfüllt wird, heißt Protocol Suite oder Protocol Stack.

Wichtige Protocol Suites sind

• die Protokolle der öffentlichen Kommunikationsnetze (PTT)
• Internet
• MAP (Manufacturing Automation Protocol)
• TOP (Technical and Office Protocols)

Der Sinn eines Schichtenmodells für Protokolle ist:

Die Schichten des OSI-Modells haben leider weder den gleichen Umfang noch die gleiche Wichtigkeit:

Schicht 5: Session Layer -- Kommunikationssteuerungsschicht ist für die meisten Anwendungen ziemlich unwichtig. Im Gegensatz dazu erwies es sich als notwendig, die Schichten 2,3,5,6 in Unterschichten mit unterschiedlichen Funktionen aufzuspalten.

3.2. Einige Hauptaufgaben, die innerhalb des Schichtenmodells erfasst werden müssen

• Herstellung und Beendigung einer Verbindung
• Regeln für die Datenübertragung:
  • Datenfluss (simplex usw.), Prioritätsregelungen
  • Fehlerkontrolle
  • Aufteilung der Daten in Pakete und Wiederherstellen der ursprünglichen Daten aus den Paketen
  • Verhindern, dass ein schneller Sender einen langsamen Empfänger mit Daten überschwemmt
  • Multiplexing
  • Verwendung einer Verbindung für mehrere Kommunikationsvorgänge -- und Demultiplexing
  • Wählen einer Route, u.U. unter Einbeziehung der Priorität und Sensibilität von Daten (sensible Daten z.B. nicht über Länder mit geringem Datenschutz)

3.3. Geschichtliche Hintergründe des OSI-Modells

Die Arbeit am OSI-Modell begann in den späten 70er Jahren. Die Arbeit an OSI wurde bis Ende 1983 weitgehend unabhängig voneinander innerhalb von ISO und CCITT geleistet. Dies führte zu zwei Entwürfen ("The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection"). Beide Entwürfe enthielten ein Sieben-Schichten-Modell, es gab aber trotz vieler Ähnlichkeiten wichtige Unterschiede in Einzelheiten. Das Sieben-Schichten-Modell geht im Wesentlichen auf die Arbeiten einer Gruppe bei Honeywell Information Systems zurück, welche bis 1977 ein Sieben-Schichten- Modell unter dem Namen Distributed System Architecture (DSA) entwickelten. Ende 1983 zog CCITT seinen Entwurf zurück, unter der Bedingung, dass am ISO-Entwurf einige Veränderungen im Sinne von CCITT vorgenommen wurden. Seit 1984 arbeiteten CCITT und ISO zusammen an einem einzigen Text von OSI. Allerdings haben sich ISO und CCITT noch nicht dazu durchringen können, ihre Texte dann auch gemeinsam zu veröffentlichen. Die verschiedenen Veröffentlichungsgewohnheiten von CCITT und ISO führen oft zu beträchtlichen Verwirrungen. Da CCITT vor allem die Sichtweise von PTTs und ähnlichen Unternehmen vertritt, hat das OSI-Modell ebenfalls eine starke Orientierung an Telefondiensten u.ä.

In den späten 80er Jahren entstand ein neuer Bereich internationaler Standardisierung von CMC, die Standardisierung von Open Distributed Processing (ODP), der Datenverarbeitung, die auf verschiedene Systeme verteilt ist. Wieweit dies eine Ergänzung von oder eine Konkurrenz zu OSI sein wird, bleibt abzuwarten. Zu ODP s.: Open Distributed Processing (ODP) / CRC for Distributed Technology (Australia). -- URL: http://archive.dstc.edu.au/AU/research_news/odp.html. -- Zugriff am 2001-04-19. -- [Texte zu ODP].

3.4. Das OSI-Referenzmodell : Übersicht

[Deutsche Bezeichnungen nach DIN ISO 7498]

Merksatz für die Schichten: All people seem to need data processing:

1. Anwendung
   • Anwendung durch Endnutzer
2. Endpunkt-zu-Endpunkt-Protokolle
   1. Schicht 7: Application Layer -- Verarbeitungsschicht (Anwendungsschicht, Anwenderebene): File-Transfer, e-mail, Virtual Terminal (Remote login), Directory usw.
   2. Schicht 6: Presentation Layer -- Darstellungsschicht (Datendarstellungsschicht, Datenbereitstellungsebene): Standardisiert Datenstrukturen (u.a. Kodierung, Kompression, Kryptographie)
   3. Schicht 5: Session Layer -- Kommunikationsschicht (Kommunikationssteuerungsschicht, Steuerung logischer Verbindungen, Sitzungsebene): Hilft Zusammenbrüche der Sitzung und ähnliche Probleme zu beheben
   4. Schicht 4: Transport Layer -- Transportschicht (Ende-zu-Ende-Kontrolle, Transport-Kontrolle):
      
      Stellt höheren Schichten zuverlässige Ende-zu-Ende-Verbindungen (zwischen Sender und Empfänger) zur Verfügung
3. Protokolle für die Kommunikation zwischen unmittelbar benachbarten Einrichtungen auf der Übermittlungsstrecke
   1. Schicht 3: Network Layer -- Vermittlungsschicht (Paketebene, Netzwerkebene): Routing der Datenpakete
   2. Schicht 2: Data Link Layer -- Sicherungsschicht (Verbindungssicherungsschicht, Verbindungsebene, Prozedurebene):
      Aufteilung des Bitstromes in Einheiten (Pakete) und Austausch dieser Einheiten unter Anwendung eines Protokolls
   3. Schicht 1: Physical Layer -- Bitübertragungsschicht (physikalische Ebene): Übertragung des Bitstromes über einen Kommunikationskanal. Standardisierung der Netzwerk-Leitungen und -Anschlüsse sowie ihrer physikalischen Eigenschaften. Vorwiegend Aufgabenbereich des Elektro-Ingenieurs: Physikalische Verbindung zu Netzwerk-Abschluss-Geräten
4. Netzwerk
   • Physisches Kommunikationsnetzwerk

Die Schichten 4 -7 betreffen Protokolle für die Kommunikation von Endpunkt zu Endpunkt (Sender zu Empfänger). Die Schichten 1 -- 3 betreffen Protokolle für die Kommunikation zwischen unmittelbar benachbarten Einrichtungen auf der Übermittlungsstrecke, also vom Sender zum ersten Vermittlungspunkt, von Vermittlungspunkt zu nächstem Vermittlungspunkt, und wieder vom Endvermittlungspunkt zum Empfänger.

3.5. OSI-Schichten als Kopf- und Schlussfelder in Datenpaketen

Netzwerk-Stationen können nur durch den Gebrauch von Datenpaketen (Packets) miteinander kommunizieren. Die Art der Pakete hängt von der Technologie (Ethernet, Token Ring, FDDI) und den Software-Protokollen (z.B. TCP/IP) ab.

Jedes Datenpaket besteht aus:

• Netzwerk-Kopffelder (Network headers)
• Datenfeld (Data field)
• Netzwerk-Schlussfelder (Network trailers)

Netzwerk-Kopf- und -Schlussfelder enthalten Informationen, die der Netzwerk-Hardware und -Software mitteilen, wie ein Datenpaket zu behandeln ist, z.B. Netzwerk-Adresse, Fehlerkorrektur usw.

Jede im betreffenden Netzwerk verwirklichte Schicht des OSI- Referenzmodells (mit Ausnahme der Bitübertragungsschicht) fügt dem Datenpaket Information in einem Kopffeld (die Verbindungssicherungsschicht auch im Schlussfeld) hinzu. Dies geschieht nicht dadurch, dass die in dem betreffenden Netzwerk zulässige Paketlänge vergrößert wird, sondern die Kopffelder und Schlussfelder belegen Platz innerhalb dieser Paketlänge, so dass der Platz für das Datenfeld kleiner wird. Beim Sender fügt so jede Schicht sukzessive -- angefangen bei der Anwendungsschicht -- ein entsprechendes Kopffeld mit entsprechenden Informationen hinzu. Beim Empfänger verarbeitet in umgekehrter Richtung -- beginnend mit der Datenverbindungssicherungs-Schicht -- jede Schicht den ihr entsprechenden Kopfsatz, entfernt ihn und gibt das Datenpaket an die nächsthöhere Schicht weiter.

Erklärung:

• SDU = Service Data Unit: das, was in der betreffenden Schicht als Daten behandelt wird.
• SDU + Header (+ Trail) = PDU = Protocol Data Unit

3.6. Grundoperationen im OSI-Modell

Jeder Dienst, den eine Schicht des OSI-Modells gegenüber der nächsthöheren Schicht zu erfüllen hat, ist formal durch eine Anzahl von Grundoperationen (primitives) definiert.

Im OSI-Modell sind die Grundoperationen in vier Klassen aufgeteilt:

• request -- Anforderung eines Dienstes
• indication -- Anzeige (Anmeldung)
• response -- Antwort
• confirm -- Bestätigung

Ein Beispiel aus dem Telephonbereich (unter Verwendung der Schreibweise nach OSI) macht dies klar:

1.  
   1. CONNECT.request: Ich wähle die Telephonnumer von Tante Mieze
   2. CONNECT.indication: Bei Tante Mieze läutet das Telephon
   3. CONNECT.response: Tante Mieze hebt den Telephonhörer ab
   4. CONNECT.confirm: In meiner Telephonmuschel hört das Rufzeichen auf
2.  
   1. DATA.request: Ich lade Tante Mieze zum Tee ein
   2. DATA.indication: Tante Mieze hört meine Einladung
   3. DATA.request: Tante Mieze sagt, sie will kommen
   4. DATA.indication: Ich höre Ihre Annahme der Einladung
3.  
   1. DISCONNECT.request: Ich hänge den Hörer auf
   2. DISCONNECT.indication: Sie hört das Besetztzeichen und hängt auch auf

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Kapitel 4: Kommunikations-Netzwerke