Wirtschaftsinformatik (Bachelor-Studiengang): Rechnernetze/Onlinedienste (2. Semester)

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BM / CM, Kurs vom 01.10.2002 - 31.03.2003

Rechnernetze/Onlinedienste: OSI-Referenzmodell: OSI-Referenzmodell allgemein (Geschichte, Ziele, Grundprinzipien, Schichten), Die sieben Schichten allgemein (Instanzen (Entities), Verbindungen, Protokoll und Dienst), Schicht 1 bis 7 (Physical Layer (Übertragungsschicht), Link Layer (Sicherungsschicht), Network Layer (Vermittlungsschicht), Transport Layer (Transportschicht), Session Layer (Sitzungsschicht), Presentation Layer (Präsentationsschicht), Application Layer (Anwendungsschicht)).

  1. OSI-Referenzmodell allgemein
  2. Die sieben Schichten allgemein
  3. Schicht 1 bis 7

OSI-Referenzmodell allgemein

Geschichte

Ende der 70er von Datenbanken-Fachleuten erdacht, u.a. von Herrn Bachmann, um Datenbanken Hersteller-übergreifend vernetzen zu können. Anfang der 80er Jahre haben Kommunikationsleute das Basismodell fertig gestellt.

1984 wurde der Basisteil Standard: ISO is 7498

Anfang bis Mitte der 80er Jahre wurden fehlenden Teile genormt.

Die Industrie, die CCITT/ITU-T und insbesondere die Betreiber/Realisierer des Internets haben das Modell nicht angenommen und sind einen eigenen Weg gegangen, z.B. mit ISDN.

Heute ist der größte Teil des Referenzmodells Geschichte, nur das Basis-Referenzmodell wird akzeptiert. Dieses bildet dafür aber einen guten konzeptionellen Rahmen, in dem die teilweise sehr unterschiedlichen Aspekte der Rechnernetze zusammengefasst werden können.

Ziele

Open Systems Interconnection (OSI) hatte ursprünglich folgende Ziele:

Das zweite Ziel ist vollständig erreicht, während das erste heute noch soweit weg liegt wie Ende der 70er Jahre.

Das Basis-Referenzmodell legt einen Bezug (Reference) fest, der gerade so gestaltet ist, dass mit so wenigen Vorgaben wie nur möglich ein Maximum an Kompatibilität erreicht wird.

weitere Ziele:

Drei typische Sichten:

  1. Der Nutzer sieht das System durch die Oberfläche der Software
  2. Der Implementierer sieht die konkreten "Innereien" mit ihren Zusammenhängen
  3. Der OSI-Mensch sieht nur das, was an der Schnittstelle nach außen dringt, ohne die anderen beiden Aspekte zu beachten.

Drei typische Sichten

Bildbeschreibung "Drei typische Sichten": Grafische Darstellung der vorangehend beschriebenen Sichtweisen auf ein System (Nutzer-, Implementations-, OSI-Sicht).

Grundprinzipien

Das OSI-Modell ist ein abstraktes Modell mit einer eigenen Begriffswelt, die in diesem Teil eingeführt wird. Einige Begriffe benutzen dasselbe Wort, haben aber eine andere Bedeutung, z.B. System

Schichten werden wie "Schichten" einer Torte linear aufeinander gestapelt, damit nur minimale Schnittstellen nach oben und unten erforderlich sind.

Das Schichtenprinzip bzw. die Minimalität von Schnittstellen ist ein grundlegendes Konzept der Informatik und kommt auch in anderen Software-Bereichen, z.B. Datenbanken vor.

Schichten

Abwandlung des Ersatzschaltbildes der (einfachen) Datenkommunikation:

Wenn alle Übertragungsaspekte, alle mediumspezifischen Aspekte, wie z.B. Verstärker, sowie alle Kodierungsaspekte abstrakt zusammengefasst werden (Übertragungssystem: siehe nachfolgende Grafik, der gestrichelte Kasten), wird an den Schnittstellen die Leistung der Übertragung erbracht, ohne dass der Benutzer die Art und Weise ihrer Erbringung sieht (Abstraktion).

Schichten (1):

Schichten (1)

Bildbeschreibung "Schichten (1)": Wollen zwei Systeme miteinander kommunizieren (Nachrichten verschicken), erfolgt die Verbindung über ein Übertragungssystem, an das beide Systeme über Schnittstellen angeschlossen sind. Dieses Übertragungssystem ist für die Kodierung und die Übertragung zuständig und enthält beispielsweise Umformer und das Medium.

Eine Schicht versteckt die Art und Weise der Leistungserbringung, was den großen Vorteil der Unabhängigkeit hat: die beiden Systeme funktionieren ohne jede Änderung, wenn die Inneren der Schichten ausgetauscht werden und die Schnittstelle unverändert erhalten bleibt. Dieses Prinzip minimiert die Kosten bei Änderungen, z.B. Weiterentwicklungen und Wartung.

Schichten (2):

Schichten (2)

Bildbeschreibung "Schichten (2)": Das Übertragungssystem stellt eine Schicht dar, die Schicht "die etwas leistet".

Wenn unter System die ganze betroffene Maschine verstanden wird, durchzieht die Schicht der physikalischen Kommunikation alle betroffenen Systeme, in denen Hardware/Software arbeitet, um die Kommunikation zu realisieren.

Schichten (3):

Schichten (3)

Bildbeschreibung "Schichten (3)": Jedes System kann mehrere Instanzen (Entities) enthalten. Weitere Erklärungen nachfolgend.

Entity = Instanz = Aktives kommunizierendes Element innerhalb einer Schicht und gleichzeitig innerhalb eines Systems (Schnittmenge).
Entities können in Hardware, z.B. LAN-Karten, oder in Software, z.B. als Module im Kernel oder als Prozesse, realisiert werden.

Die Kommunikation verläuft immer über die Schnittstellen der unten liegenden Schichten, nie direkt. Einzige Ausnahme: Die unterste Schicht mit der Aufgabe des Datentransports realisiert dies ohne Benutzung einer anderen Schicht.

Service Access Point = SAP = Schnittstelle zwischen Schichten, genauer: zwischen Instanzen benachbarter Schichten innerhalb eines Systems.

Schichten (4):

Schichten (4)

Bildbeschreibung "Schichten (4)": Eine Instanz des Systems A möchte mit einer Instanz des Systems B Daten austauschen. Dazu werden die Daten über eine Schnittstelle (SAP) in die Datentransportschicht übergeben und dort in das System B transportiert. Hier werden die Daten über eine weitere Schnittstelle an die empfangende Instanz übergeben.

Instanzen kommunizieren immer nur über die Dienstleistung einer unteren Schicht, um einen gedachten (virtuellen) Datentransport auf ihrer Schicht zu realisieren.

Stapeln von Schichten:

Wenn zwei Schichten übereinander gelegt werden, so hat das den Sinn, dass die obere Schicht entweder den Dienst (Service) der unteren verbessert, oder mit weiteren Leistungen anreichert.

Durch eine geschickte Aufteilung der Aspekte auf wenige gestapelte Schichten entsteht ein praktikables Modell.

Stapeln von Schichten

Bildbeschreibung "Stapeln von Schichten": Eine Schicht (Schicht N) stellt der darüberliegenden Schicht (Schicht N+1) einen Dienst zur Verfügung und greift selber (wenn möglich) auf die darunterliegende Schicht (Schicht N-1) zu, um deren Dienste zu benutzen.

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Die sieben Schichten allgemein

Vertikaler Schnitt durch ein System:

Die sieben Schichten: vertikaler Schnitt durch ein System

Bildbeschreibung "Die sieben Schichten: vertikaler Schnitt durch ein System": Schicht 1 (unterste Schicht) = Übertragungsschicht (Physical Layer), Schicht 2 = Sicherungsschicht (Link Layer), Schicht 3 = Vermittlungsschicht (Network Layer), Schicht 4 = Transportschicht (Transport Layer), Schicht 5 = Steuerungsschicht (Session Layer), Schicht 6 = Darstellungsschicht (Presentation Layer), Schicht 7 (oberste Schicht) = Anwendungsschicht (Application Layer).

Jede Schicht realisiert einen Aspekt, wobei das Stapeln den Zusammenhang zwischen den Aspekten realisiert.

Die oberste Schicht (Application Layer, Anwendungsebene) enthält Verarbeitungsfunktionen, aber auch anwendungsspezifische Kommunikation; alle anderen Schichten realisieren nur Kommunikation, die jedoch anwendungsübergreifend ist. Diese Schicht realisiert einen Dienst, der nicht mehr vom OSI-Modell behandelt wird.

Die unterste Schicht benutzt keinen Dienst, sondern realisiert die Bitübertragung entsprechend seiner Art, z.B. über Kupferkabel, LWL oder mit elektromagnetischen Wellen.

Alle anderen Schichten benutzen über SAP Dienste der unteren Schichten und erbringen über SAP Dienste der nächsten höheren Schicht.

Das Stapeln von Schichten führt dazu, dass auf einer Schicht N direkt nur der Dienst der Schicht N-1 benutzt wird, aber implizit auch alle Leistungen der darunter liegenden Schichten bis zur Schicht 1.

Die gestapelten Schichten sind so zu verstehen, dass sie konzeptionell durch alle Systeme gehen, auch dann, wenn diese nicht vernetzt sind. In diesen Fällen sind Teile der Schichten leer.
D.h. das OSI-Modell ist eine sieben-schichtige Torte, die intergalaktisch durch alles hindurch geht.

OSI-Modell, eine sieben-schichtige Torte

Bildbeschreibung "OSI-Modell, eine sieben-schichtige Torte": Die sieben Schichten ziehen sich durch alle Systeme, auch wenn einzelne Schichten in manchen Systemen nicht genutzt werden.

Instanzen (Entities)

Die aktiven Elemente, die Instanzen (Entities), gibt es in jeder Schicht.

Die Instanzen sind über die SAP innerhalb eines Systems entsprechend ihren Aufgaben verbunden. Über die Verbindung erhalten sie die Daten (Pakete).


SAPs (1)

Bildbeschreibung "Service Access Point (1)": Instanzen unterschiedlicher Schichten können von Schicht zu Schicht über Schnittstellen, die Service Access Point kommunizieren.

Die Instanzen können mehrere SAP der nächst niedrigeren Schicht benutzen, aber auch Leistungen an mehrere SAP zur nächst höheren Schicht erbringen. Darüber können Funktionen wie Multiplexing, Splitting usw. realisiert werden.

Auch können mehrere Instanzen im Schnittbereich System und Schicht arbeiten.

SAPs (2)

Bildbeschreibung "Service Access Point (2)": Das Bild zeigt zwei Schichten (Schicht N und Schicht N-1). Schnittstellen zwischen Schicht N und Schicht N-1 werden als SAP N-1 bezeichnet. Instanz N in Schicht N kann auf verschiedene SAP N-1 zugreifen. Andersrum kann eine Instanz N-1 in Schicht N-1 über verschiedene SAP N-1 Leistungen für Schicht N erbringen.

Service Access Point (SAP):

Service Access Point (SAP) sind die Schnittstellen zwischen angrenzenden Schichten, über die die Instanzen innerhalb eines Systems kommunizieren.

Alle SAP haben Adressen (Namen), die beim Verbindungsaufbau bzw. Adressierung benutzt werden.

Vom Modell her ist es möglich, dass an einem SAP mehrere Verbindungen enden, so dass auch an dieser Schnittstelle ein Multiplexing durchgeführt wird. Dies ist aus Gründen der Verständlichkeit bei der Zeichnung weggelassen worden (in der Praxis kommt dieses Multiplexing kaum vor, so dass Anzahl der SAP gleich der Anzahl der Enden von Verbindungen ist).

Verbindungen

Durch das Arbeiten der Instanzen entsprechend dem Protokoll wird als Leistung an die höhere Schicht eine Verbindung zwischen den Schnittstellen der beteiligten Systeme (SAP) realisiert, die von den Instanzen der höheren Schicht selbst wieder zur Realisierung einer Verbindung benutzt werden usw.

Verbindungen

Bildbeschreibung "Verbindungen": Wollen Instanz 1 und Instanz 2 (1 und 2 stehen für verschiedene Systeme) miteinander kommunizieren, so wird eine virtuelle Verbindung zwischen diesen Instanzen (in Schicht N) aufgebaut. Die reale Verbindung erfolgt über die darunterliegenden Schichten (Schicht N-1).

Damit gibt es Verbindungen - auch wenn nur konzeptionell (gedacht) - auf allen Ebenen gleichzeitig.

Nicht vernetzte Systeme haben dann nur potentiell eine Verbindung, d.h. sie könnten eine aufbauen.

Durch die Trennung der Schichten ist es möglich, dass höhere Schichten noch Verbindungen besitzen, während die unteren nicht vorhanden sind, z.B. bei einem Netzwerkausfall. Ist das Netzwerk wieder in Ordnung, bestehen dann immer noch die alten Verbindungen der höheren Schichten; auf diesen kann dann nahtlos weiter gearbeitet werden.

Verbindungen existieren nur zwischen Instanzen derselben Schicht und enden an den Schnittstellen der nächst höheren Schicht (Ausnahme: Applikationsschicht, da diese die höchste Schicht ist).

Protokoll und Dienst

Dienst kann auch als Angabe, was zu leisten ist, verstanden werden, während das Protokoll angibt, wie das Was realisiert wird. Dienst ist damit die Spezifikation der Leistung eines Protokolls.

Daher kann es mehrere Protokolle geben, die dieselbe Leistung erbringen, denselben Dienst realisieren.

Protokoll:

Bei Ausführen von Protokollen werden über die nächst unterliegende Verbindung Einheiten von Daten ausgetauscht, die Protocol Data Units (PDU) genannt werden.

Protokoll

Bildbeschreibung "Protokoll": Das Austauschen von Datenpakete erfolgt in der unterliegenden Schicht (Schicht N-1). Die Datenpakete, die versendet werden, heißen Protocol Data Units (PDU). Der Ablauf: Daten über Schnittstelle (SAP) in Schicht N-1 versenden. Transport der Daten in Schicht N-1 zu System 2. Über Schnittstelle weiter zu Ziel (Instanz 2).

Aus der Sicht der Schicht N gibt es eine Verbindung zwischen den beiden SAP der Schicht N-1, deren interne Realisierung gegenüber der Schicht N verborgen ist.

Durch Stapeln von Schichten werden die PDU der Schicht N+1 als Daten der Schicht N betrachtet, d.h. PDU der Schicht N+1 liegen in den Datenfeldern der PDU der Schicht N. Dies erfolgt analog bis zur Schicht 1.

Stapeln von Schichten

Bildbeschreibung "Stapeln von Schichten": Schicht N+1 = oberste Schicht, Schicht N = mittlere Schicht, Schicht N-1 = unterste Schicht. Daten aus Schicht N werden als PDU der Schicht N-1 versendet. Daten aus Schicht N+1 wiederun als PDU in Schicht N.

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Schicht 1 bis 7

Physical Layer (Übertragungsschicht)

Link Layer (Sicherungsschicht)

Aufgaben der Sicherungsschicht:

Die Verbindungen werden hier nicht virtuell genannt, obwohl sie es sind. Von virtuellen Verbindungen wird meist erst ab Schicht 3 gesprochen.

Es gibt auch verbindungslose Dienste. Bei denen entfällt das Sicherstellen der richtigen Reihenfolge der PDU.

Schicht 1 + 2, Teil 1:

Schicht 1 + 2 (Teil 1)

Bildbeschreibung "Schicht 1 + 2 (Teil 1)": Daten aus System A werden in der Sicherungsschicht (Link Layer) zu einer Instanz zusammengefasst (Multiplexen) und an die Übertragungsschicht (Physical Layer) übergeben. In dieser werden die Daten zum System B versendet. In System B werden die Daten in der Übertragungsschicht angenommen und wieder "nach oben" in die Sicherungsschicht übergeben. Hier erfolgt das De-Multiplexen. Über Schnittstellen gelangen die Daten in das System B.

Herstellen von virtuellen Link-Layer-Verbindungen an verschiedene SAP zur Schicht 3. An jedem dieser SAP endet eine eigene Verbindung.

Schicht 1 + 2, Teil 2:

Schicht 1 + 2 (Teil 2)

Bildbeschreibung "Schicht 1 + 2 (Teil 2)": Beispiel einer Vernetzung auf der Schicht 1. Die Stationen 1, 2 und 3 sind jeweils paarweise verbunden, während 2, 4 und 5 gemeinsam durch ein Medium verbunden sind, z.B. Bus. Die Verbindung 1 mit 2 ist damit getrennt von der Verbindung 2 mit 3.

Bemerkung:

Die Verbindungen der Sicherungsschicht entsprechen 1:1 den Verbindungen der physikalischen Schicht, wenn durch das Medium nur zwei Stationen verbunden werden.

Sind es mehr als zwei (Fall 2, 5 und 4 von oben) und es werden Multicast-Link-Verbindungen benutzt (Normalfall), so werden nur 2-Punkte-Verbindungen auf das Netz der physikalischen Verbindungen gesetzt.

Schicht 1 + 2, Teil 3:

Schicht 1 + 2 (Teil 3)

Bildbeschreibung "Schicht 1 + 2 (Teil 3)": Auf der Sicherungsschicht bestehen in diesem Beispiel nur Verbindungen zwischen den Paaren (1,2) und (2,5). Die gestrichelten, schwarzen Linien deuten die vom Link Layer unbenutzten physikalischen Verbindungen an.

Network Layer (Vermittlungsschicht)

Die Netzwerkschicht (Vermittlungsschicht) stellt Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen Systemen her. Es wird eine virtuelle Verbindung durch ein Netzwerk aufgebaut und betrieben, das die beiden beteiligten Systeme verbindet.

Endsystem = System mit Quelle oder Senke auf der Anwendungsebene für die Kommunikation.
Transitsystem = Relay = System mit Ebenen 1 bis 3 mit der Aufgabe des Datentransports innerhalb eines Netzwerks.

Aufgaben der Netzwerkschicht:

Network Layer (Vermittlungsschicht)

Bildbeschreibung "Network Layer (Vermittlungsschicht)": In diesem Beispiel werden die Verbindungen von drei Ebenen gleichzeitig gezeigt. Es wird eine (3)-Verbindung zwischen System 1 und 5 hergestellt. An dieser Verbindung arbeiten drei Instanzen (System 1, 2 und 5).

Transport Layer (Transportschicht)

Aufgaben der Transportschicht:

Auf den Schichten 2, 3 und 4 gibt es Fehlererkennung und Behandlung. Diese betrifft aber immer den Bereich der Verbindungen. Hier in der Transportschicht wird die umfassendste Fehlerbehandlung zwischen den beiden kommunizierenden Prozessen durchgeführt.

Beispiel 1:

Transport Layer (Beispiel 1)

Bildbeschreibung "Transport Layer (Beispiel 1)": Instanzen (1,2) und (3,4) kommunizieren über zwei Netzwerkverbindungen ohne ein Multiplexen (da sie die einzigen Paare jeweils sind).

Beispiel 2:

Transport Layer (Beispiel 2)

Bildbeschreibung "Transport Layer (Beispiel 2)": Hier kommunizieren dieselben Paare, benutzen aber dieselbe Netzwerk-Verbindung, da nur zwei Endsysteme beteiligt sind.

Beispiel 3:

Transport Layer (Beispiel 3)

Bildbeschreibung "Transport Layer (Beispiel 3)": Beim Splitting werden mehrere unterschiedliche Netzwerkverbindungen benutzt, da erst dann die erhöhte Performance erreicht wird, wobei die Netzwerkverbindungen über unterschiedliche Netze/Wege gehen müssen.

Session Layer (Sitzungsschicht)

Die Aufgaben der Sitzungsschicht (Steuerungsschicht):

Alle Verbindungen oberhalb der Transportschicht stehen im Verhältnis 1:1, d.h. es wird weder Multiplexing, noch Splitting durchgeführt. Jeder Instanz der Anwendungsschicht wird jeweils eine eigene der Schichten 4, 5 und 6 zugeordnet.

In der Praxis kaum realisiert.

Presentation Layer (Präsentationsschicht)

Die Aufgaben der Präsentationsschicht (Darstellungsschicht) sind der internen Datenrepräsentationen mit dem Ziel der Erhaltung der Semantik, so dass dieselbe Zahl, dasselbe Zeichen ... trotz unterschiedlicher interner Repräsentationen gleich "verstanden" wird.

In der Praxis kaum realisiert. Da dieses Problem aber besteht wird die Behandlung der Kodierungen in den Anwendungen abgehandelt.

Application Layer (Anwendungsschicht)

Aufgaben der Anwendungsschicht:

Alles, was beim Session- und Presentation-Layer weggelassen wurde, wird meist hier in der Anwendungsschicht gelöst, was zu komplexer Software führt, da jede Software dieselben Aufgaben in diesem Bereich hat (anstatt diese Aufgaben einmal zentral für alle Anwendungen zu lösen).

Die Anwendungsschicht könnte weiter in Unterschichten aufgeteilt werden (in realen Implementierungen erfolgt dies auch, nicht aber im OSI-Modell).

Beispiele für anwendungsspezifischer Protokolle: Unterstützung von Datenbank-Transaktionen, Remote Job Entry (Batch-Programme) oder Remote Procedure Calls ...

Drei Bestandteile des OSI-Modells:

Das OSI besteht aus vielen Normen, die folgende drei Teile definieren:

  1. Basisreferenzmodell
    Das ist das hier vorgestellte 7-Schichtenmodell
  2. Protokolle
    Für jede Schicht wird min. ein Prototokoll definiert.
  3. Dienste
    Für jede Schichtgrenze muss der zu erbringende Dienst beschrieben sein.
    Für diesen Teil ist ein eigenes Modell in Form der verteilten abstrakten Maschine entwickelt worden.

Protokollstacks und Suites:

Eine bestimmte Art und Weise, wie das OSI-Modell mit bestimmten Protokolle ausgefüllt wird, wird Protokollstack oder auch Protokollsuite genannt.

In der Praxis gibt es verschiedene, inkompatible aber trotzdem auf OSI-basierende Stacks. Der Grund liegt in der Komplexität von OSI, die durch eine spezielle Vereinfachung reduziert werden sollte.