Netzwerke: Schichten-Modelle

Im Internet können Programme miteinander kommunizieren, die sich auf Rechnern befinden, die weit über den Globus verteilt sind. Der Programmierer der Anwendungsschicht interessiert sich nur für den Datenaustausch der Programme. Auf unterster Ebene muss man dafür normen, welche Stecker zueinander passen. Irgendwo dazwischen muss sich jemand darum kümmern, dass die Pakete das Netz über den richtigen Ausgang verlassen oder dass defekte Pakete aussortiert werden.

Diese Aufgaben sind auf mehrere Ebenen verteilt. Tatsächlich haben die unterschiedlichen Ebenen sogar oft eigene Pakete für den Transport, in das die Pakete der jeweils höheren Schicht eingebettet werden.

So eingeteilt kann jede Schicht auf ihre Hauptaufgaben konzentriert werden. Um zu beschreiben, was auf welcher Schicht passiert, gibt es Schichtenmodelle.

Das TCP/IP-Referenzmodell

Ebene	Schicht	Protokolle
1	Netzzugangsschicht	Ethernet, WLAN, ATM, FDDI, ...
2	Internetschicht	IPv4 bzw. IPv6, ICMP, IPsec
3	Transportschicht	TCP, UDP
4	Anwendungsschicht	HTTP, SMTP, DNS

Das ISO-OSI-Referenzmodell

Das International Organization for Standardization Open Systems Interconnection liefert ein 7-Schichten Modell für Netzwerkkommunikation, das sicher fast jeder Informatikstudent für die eine oder andere Prüfung auswendig lernen durfte. Dieses wurde 1983 standardisiert.

[1] Physical Layer: Diese Schicht beschreibt die Form der physikalischen Datenübermittlung. Hier sind beispielsweise die Stecker und Kabel beschrieben, aber auch die Spannungspegel.
[2] Data-Link Layer: Diese Ebene strukturiert den Datenstrom der Layer 1. Hier werden Daten zu Paketen zusammengefasst und das Verhalten auf Störungen beschrieben. Insbesondere Probleme der Reihenfolge, der Duplizierung oder des Verlierens von Paketen werden in dieser Schicht behandelt.
[3] Network Layer: Hier wird festgelegt, wie ein Paket seinen Weg vom Sender zum Empfänger findet. Gateways und Routen finden hier ihre Definition.
[4] Transport Layer: Diese Schicht beschreibt die Verbindung zwischen Prozessen und nicht Maschinen. Sie stellt also die Kommunikationsendpunkte dar. Die Verbindung kann ab dieser Ebene als zuverlässig und hardwareunabhängig gelten.
[5] Session Layer: Eine Sitzung definiert sich aus Verbindungsaufbau, Datenaustausch und Verbindungsabbau.
[6] Presentation Layer: Auf dieser Ebene findet die Umsetzung der Kodierungen statt. Bekannte Beispiele sind die Reihenfolge von Highbyte und Lowbyte bei verschiedenen Maschinen (Little-Endian und Big Endian) oder die Umsetzung der Zeichensätze.
[7] Application Layer: Hier findet die Zugangskontrolle, der Daenschutz, die Verbrauchsmittelabrechnung und Ähnliches statt.

In der Praxis ist es bei dem Modell geblieben. Es hat sich kein Netzwerk nach ISO/OSI durchgesetzt. Auf die vor der Normierung existierenden Netzwerke passt ISO/OSI nur bedingt. Ein ausführliche Diskussion dieses Standards findet sich bei Tanenbaum: Computer Networks.

Die Bedeutung dieses Standards liegt in der Beschreibung und Einordnung von Protokollen.

Zuordnung ISO-OSI zu TCP/IP

ISO/OSI	Alias	Ebene	TCP/IP
[7] Application Layer	Anwendung	Anwendung und Zugang	Anwendung
[6] Presentation Layer	Darstellung	Little-Endian, Zeichensatzkodierung
[5] Session Layer	Sitzung	Statuslos, Verbindungsauf- und abbau
[4] Transport Layer	Transport	Verbindung zwischen Prozessen	Transport
[3] Network Layer	Vermittlung	Über Netzwerkgrenzen hinweg (Router)	Internet
[2] Data-Link Layer	Sicherung	Pakete im lokalen Netzwerk (MAC)	Netzwerkzugriff
[1] Physical Layer	Bitübertragung	Kabel, Stecker, Frequenzen	Netzwerkzugriff

Beispiel Fernschach

Alice und Bob spielen Schach, genauer gesagt Fernschach.

Alice schreibt ihren Zug e2-e4 auf einen Zettel.
Sie steckt den Zettel in einen Brief an: Bob in 65321 Bad Homburg.
Ich fahre zum Briefkasten in Norgaardholz und werfe den Brief ein.
Nach ein, zwei Tagen landet der Brief landet im Briefkasten von Bob.
Bob geht zu seinem Briefkasten und zieht den Brief heraus
Er zieht den Zettel aus dem Briefumschlag, liest: e2-e4 und zieht den Zug auf seinem Schachbrett.

Das ist die Ebene, die die beiden Schachspieler sehen. Was zwischen den Briefkästen geschieht, sehen sie nicht.

Wie der Brief von Briefkasten zu Briefkasten gelangt, wissen die Postboten aus Steinbergkirche und Bad Homburg.

Der Postbote holt den Brief aus dem Briefkasten, steckt ihn in seine Posttasche und bringt ihn zur Post nach Steinbergkirche.
Die Dame am Postschalter schaut, ob der Brief nach 24972 geht. Dann käme er in den Korb für den Briefträger.
Ansonsten geht alles in den Anhänger für Flensburg.
Die Postbotin in Bad Homburg nimmt den Korb mit Briefen für ihren Bezirk, lädt ihn auf das Fahrrad und verteilt sie an die Briefkästen der Stadt.
Beide Postboten spielen kein Schach und würden den Zettel im Briefumschlag nicht verstehen.

Die Dame der Post in Steinbergkirche weiß, dass der Anhänger mit Briefen zum Verteilzentrum nach Flensburg geht. Die Postbotin in Bad Homburg weiß, dass der Brief aus Frankfurt kommt. Mehr wissen Sie nicht.

In Flensburg wird die Post aus dem Anhänger nach der ersten Stelle der Postleitzahl sortiert und landet in der Kiste, auf der Frankfurt steht.
Die Post nach Frankfurt landet mit anderer Post in einem großen LKW nach Rendsburg. Dort wird sie umgepackt in einen LKW nach Frankfurt.
Der LKW-Fahrer fährt die Post nach Frankfurt.
Der LKW-Fahrer findet seinen Weg nach Frankfurt. Er umfährt einen Stau.
Im Frankfurter Verteilzentrum landet der Brief im Korb nach Bad Homburg. Dieser wird mit der S-Bahn zum Postamt Bad Homburg gefahren.

Die Post wird auf verschiedenen Ebenen transportiert. Innerhalb jeder Ebene müssen die Protokolle klar und verständlich sein, damit alles funktioniert. Was auf Ebenen darüber oder darüber passiert, ist den Beteiligten unbekannt. Allerdings halten sie sich an die Protokolle zur Übergabe.

In der obersten Schicht kommunizieren die Schachspieler. Sie verstehen einander. Sie kennen den Namen und die Adresse des Gegenspielers. Sie wissen nicht, wie die Post arbeitet.
Wie der Brief von Steinbergkirche nach Bad Homburg geleitet wird, weiß die Post anhand der Postleitzahl. Die Verteilzentren sind mit entsprechenden Sortiergeräten ausgestattet.
Welche Strecke der LKW nach Frankfurt nimmt oder ob der Brief vielleicht doch per Bahn transportiert wird, interessiert das Verteilzentrum der Post nicht. Das ist Sache des Spediteurs.
Um die Änderung der Strecke aufgrund eines Staus oder einer Vollsperrung kümmert sich der Fahrer. Der Spediteur interessiert sich nur dafür, ob der LKW pünktlich ankommt. Dafür weiß der Fahrer vielleicht nicht einmal, dass er Briefe transportiert.