Netzwerk-Basics

Ein Netzwerk stellt seinen Benutzern Dienste bereit. Im einfachsten Fall überträgt es Daten von A nach B. Hierzu müssen aber eine Vielzahl von Aufgaben bewältigt werden, z.B.

• elektronische Übertragung der Signale
• geregelte Reihenfolge in der Kommunikation (wer darf wann senden?)

Die Vielzahl dieser Probleme und Aufgaben lässt es sinnvoll erscheinen, das Netz nicht als einen einzigen Dienstleister zu betrachten, sondern seine Dienste ganz bestimmten Kategorien zuzuordnen. Als besonders geeignet hat sich die Aufteilung in Schichten erwiesen.

Das ISO-OSI-Modell ist ein Referenzmodell der ISO für Netzwerke mit dem Ziel der Herstellung einer offenen Kommunikation. Weitere Bezeichnungen für das Modell sind ISO/OSI-Modell, OSI-Referenzmodell, OSI-Schichtenmodell oder 7-Schichten-Modell.

Ein Modell versucht die verschiedenen Problembereiche der vom Computer vermittelten Kommunikation auf Schichten klar zu verteilen. Die Schichten setzen aufeinander auf.

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

Das ISO-OSI-Modell bezieht sich auf die Verbindung und Zusammenarbeit von Systemen. Das Modell besteht aus sieben Schichten (layers). 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.

Eine Gesamtheit von Protokollen, wobei jede Funktion im OSI- Modell durch ein einziges Protokoll erfüllt wird, heißt Protocol Suite oder Protocol Stack.

• Die Funktionen innerhalb einer Schicht werden klar definiert, so dass gleichzeitig und unabhängig voneinander Standards für jede Schicht entwickelt werden können
• Die Schichten sind klar voneinander abgegrenzt, so dass Änderungen bei den Standards einer Schicht keinen Einfluss haben auf die Software, die für andere Schichten entwickelt wurde. So soll die Einführung neuer Standards bei Änderungen der Technik erleichtert werden

Das Modell besteht aus folgenden sieben Schichten:

7. Anwendungsschicht (application layer)
6. Darstellungsschicht (presentation layer)
5. Sitzungsschicht (session layer)
4. Transportschicht (transport layer)
3. Vermittlungsschicht (network layer)
2. Sicherungsschicht (data link layer)
1. Bitübertragungsschicht (physical layer)

7. Anwendungsschicht Application Layer		Netzwerk-Anwendungen				7. Anwendungsschicht Application Layer
6. Darstellungsschicht Presentation Layer						6. Darstellungsschicht Presentation Layer
5. Sitzungsschicht Session Layer		NetBIOS-Sockets				5. Sitzungsschicht Session Layer
4. Transportsschicht Transport Layer		Transport-Protokolle				4. Transportsschicht Transport Layer
3. Vermittlungsschicht Network Layer						3. Vermittlungsschicht Network Layer
2. Sicherungsschicht Data Link Layer		LLC MAC-Layer Netzwerk-Hardware				2. Sicherungsschicht Data Link Layer
1. Übertragungsschicht Physical Layer						1. Übertragungsschicht Physical Layer
Transportmedium

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

All	Application Layer
People	Presentation Layer
Seem	Session Layer
To	Transport Layer
Need	Network Layer
Data	Data-Link Layer
Processing	Physical Layer

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)

Jede im betreffenden Netzwerk verwirklichte Schicht des ISO-OSI-Modell (außer der Bitübertragungsschicht) fügt dem Datenpaket Information in einem Kopffeld hinzu. Die Kopffelder und Schlussfelder belegen einen bestimmten Platz innerhalb der Paketlänge.

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 nächst höhere Schicht weiter.

Jede der 7 Schichten erbringt also spezielle Dienste für die jeweils darüber liegende.

1. Physical Layer - Übertragungsschicht

"Anschluss ans Kabel"

Die Übertragungsschicht regelt die Übertragung der einzelnen Bits über das jeweilige Übertragungsmedium Die Festlegungen auf dieser Schicht betreffen im wesentlichen die Eigenschaften des Übertragungsmediums. Dies betrifft die Übertragungsgeschwindigkeit, die Bit-Codierung sowie den Anschluss.

• Umwandlung Frame->Bits / Bits->Frame
• Umwandlung digitale Bits->analoger Datenstrom / analoger Datenstrom->digitale Bits

2. Data Link Layer - Sicherungsschicht

Aufgabe der Sicherungsschicht ist es, eine sichere (d.h. fehlerfreie) Verbindung zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungsmedium zu regeln. Daher teilt man die Schicht in zwei Subschichten auf: die LLC-Schicht (logical link control) und die Mediumzugriffsschicht (medium access control layer, MAC-Layer). Die Aufgaben der LLC-Schicht sind das Aufteilen des Bitdatenstromes in Datenrahmen (frames) und das Hinzufügen von Prüfsummen sowie das Verwalten von Quittungen und die Flusskontrolle. Die Mediumzugriffsschicht regelt konkurrierende Zugriffe mehrerer Stationen auf ein gemeinsames Übertragungsmedium und behandelt ggf. aufgetretene Kollisionen.

• Fehlerkorrektur (Prüfsummenfehler erkennen)
• Frame-Erstellung (Head+Datenblock+Prüfsumme)

3. Network Layer - Vermittlungsschicht

Routing

Die Vermittlungsschicht ist zuständig für die Steuerung des Netzwerkbetriebes - sie wählt z.B. die Routen zum Versenden der Datenpakete. Statische / festgelegte Routen können dabei genauso vorkommen wie das dynamische Routen. I. d. R. werden optimale Routen für das Versenden der Daten dynamisch neu festgelegt werden, um eine best mögliche Auslastung des Netzwerks zu gewährleisten. Zudem hat diese Schicht die Aufgabe, evtl. Engpässe im Netz (eine Folge durch Datenkollisionen) zu beheben. In dieser Schicht ist z.B. das Internet Protokoll (IP) zu Hause.

• Addressierung der Datenblöcke
• Umwandlung IP->MAC / MAC->IP

4. Transport Layer - Transportschicht

Transportschicht ist die unterste Schicht, die eine vollständige Ende-zu-Ende Kommunikation (zwischen Sender und Empfänger) zur Verfügung stellt, d.h. für alle Schichten oberhalb der Netzwerkschicht ist die darunter liegende Netzwerktopologie transparent. Zu den Aufgaben der Transportschicht zählt die Segmentierung von Datenpaketen und die Stauvermeidung (engl. congestion control).

• Umwandlung Datei->Datenblock-> / Datenblock->Datei
• Schnittstelle zwischen Hard- und Software

5. Session Layer - Sitzungsschicht

Um Zusammenbrüche der Sitzung und ähnliche Probleme zu beheben, stellt die Sitzungsschicht Dienste für einen organisierten und synchronisierten Datenaustausch zur Verfügung.

Hier wird der Aufbau bzw. der Abbau von Verbindungen geregelt. Die Sitzungsschicht  kontrolliert auch den Austausch von Nachrichten auf der Transportschicht und regelt ob die Verbindung nur in eine oder in beide Richtungen funktionieren soll. Geht die Übertragung nur in eine Richtung, so legt sie fest, welcher der beiden Teilnehmer gerade an der Reihe ist.

• Verwaltung der Zugriffsrechte (Read/Write)
• Passwortabfrage
   

6.  Presentation Layer - Darstellungsschicht

Die Darstellungsschicht standardisiert die Datenstrukturen und ermöglicht somit den semantisch korrekten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen (u.a. Kodierung, Kompression, Kryptographie).

Die Aufgabe dieser Schicht besteht in der Vorbereitung der Daten zur Darstellung. In ihr werden verschiedene Dateiformate, Datenstrukturen und Codierungsverfahren durchgeführt. Anders als bei den darunter liegenden Schichten, die mehr für den sicheren Transport der Daten von Punkt zu Punkt zuständig sind, hat die Darstellungsschicht die Aufgabe, sich um die Syntax oder auch die Korrektheit der Daten zu sorgen und auch gewisse Standards in der Darstellung der Daten sicherzustellen.

Ein Beispiel für die Aufgaben der Darstellungsschicht ist die Kodierung von Daten. Daten werden nicht einfach nur als binäre Zeichenketten ausgetauscht und dann dargestellt, sondern auf verschiedenen Plattformen in der gleichen Standardkodierung dargestellt.

• Initialisierung eines einheitlichen Kommunikationszeichensatzes

7. Application Layer - Anwendungsschicht

Die Anwendungsschicht stellt den Anwendungen eine Vielzahl an Funktionalitäten zur Verfügung

Die Anwendungsschicht ist die dem User nächste Schicht des OSI-Modells. Die zu ihr gehörenden Dienste stellen den Kontakt zu den Anwendungsprogrammen (Emailsoftware, Browser etc.) her, die selbst nicht zu dieser Schicht gehören. Sie beinhaltet eine Vielzahl häufig benutzter Protokolle zur individuellen Verarbeitung und standardisierten Darstellung der Daten auf dem Bildschirm. 

• Zugriffschnittstelle
• Visualisierung derDaten

Grundoperationen im ISO-OSI-Modell

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

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

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

Ein Beispiel aus dem Telefonbereich (unter Verwendung der Schreibweise nach ISO-OSI-Modell ) macht dies klar:

1.  
   1. CONNECT.request: Ich wähle die Telefonnummer von Tante Mieze
   2. CONNECT.indication: Bei Tante Mieze läutet das Telefon
   3. CONNECT.response: Tante Mieze hebt den Telefonhörer ab
   4. CONNECT.confirm: In meiner Telefonmuschel 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

Das  TCP/IP-Referenzmodell und seine Einordnung in das ISO-OSI-Modell

http://de.wikipedia.org/wiki/TCP/IP-Referenzmodell

TCP/IP

Transfer Control Protocol / Internet Protocol: Protokollsuite zur Kommunikation zwischen Rechnern im LAN oder im Internet. Die Adressen im TCP/IP bilden 32 Bit lange Nummern, die in vier Bytes angegeben werden, eine TCP/IP-Adresse ist z.B. 145.123.122.34.

TCP/IP-Referenzmodell

Loopback-Adressen

Adressen, die mit dem Wert 127 im ersten Oktett beginnen, sind sogenannte Software-Loopback-Adressen. Jedes Paket, das zur Adresse 128.x.x.x. gesendet wird, gelangt sofort zu der Applikation zurück, die es gesendet hat. Loopback-Adressen können Sie z.B. dafür verwenden zu überprüfen, ob ihre TCP/IP-Adresse korrekt installiert ist.