Schichtenmodelle

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Spätestens wenn Sie sich näher mit Netzwerkprotokollen und der Programmierung auseinandersetzen wollen, wird Ihnen der Begriff "Schichtenmodell" auffallen. Ohne Schichtenmodelle wäre kaum eine so hoch spezialisierte Computerwelt möglich, wie sie heutzutage existiert.

Was ist ein Schichtenmodell?

Schichtenmodelle finden sich in allen Bereichen des Lebens, in denen komplexe Problemstellungen in einzelne Schritte aufgegliedert werden, die, unabhängig voneinander, Teile der Problemstellungen schrittweise und aufeinander aufbauend lösen. Ein solches Schichtenmodell ist beispielsweise eine Konversation von zwei Menschen, die in verschiedenen Sprachen abgehalten wird und deshalb simultan von Dolmetschern übersetzt wird.

Beispiel eines SchichtenmodellsIm Beispiel wollen ein japanischer und ein albanischer Gesprächspartner miteinander sprechen. Damit dies funktioniert, müssen beide über eine gemeinsame Ebene miteinander kommunizieren. Da es eher selten ist, dass ein japanischer bzw. albanischer Dolmetscher albanisch bzw. japanisch sprechen kann, übersetzen beide Dolmetscher simultan zwischen ihrer Muttersprache und Englisch und führen das Telefongespräch untereinander. Dieses beispielhafte Schichtenmodell besteht also aus einer "Diplomatieschicht", einer "Übersetzungsschicht" und einer "Übertragungsschicht".

Was in einem Schichtenmodell nicht definiert ist, sind die genauen Arbeitsabläufe innerhalb der einzelnen Schichten. Wenn wir bei unserem kleinen Beispiel bleiben, ist es für das Funktionieren des Modells egal, ob der Diplomat an seinem Arbeitsplatz oder zu Hause ist (er benötigt lediglich eine Verbindung zum Dolmetscher), ebenso wie es egal ist, ob der Dolmetscher zusätzlich noch mehrere Sprachen beherrscht.

Ebenso ist es erforderlich, dass das Schichtenmodell jeweils vollständig durchschritten wird. Der japanische Diplomat kann also nicht einfach seinen Dolmetscher überspringen, da der Dolmetscher auf der anderen Seite die Kommunikation in englischer Sprache erwartet.

Schichtenmodelle bestehen also aus einzelnen Schichten, die in einer bestimmten Reihenfolge durchschritten werden müssen. Die einzelnen Schichten bestehen aus einzelnen Arbeitsabläufen, die völlig eigenständig dafür sorgen, dass die jeweilige Schicht genormte Schnittstellen bietet, über die mit einer darüber oder darunter liegenden Schicht einheitlich kommuniziert werden kann.

Mit dem Ansatz des Schichtenmodells lassen sich somit auch extrem komplexe und aufwendige Arbeitsabläufe abbilden und durchführen.

Schichtenmodelle in der Netzwerktechnik

Die moderne Netzwerktechnik würde ohne Schichtenmodelle kaum funktionieren. Die entscheidenden Fakten sind hierbei nicht Geschwindigkeit oder das Leistungsverhalten, da Schichtenmodelle aufgrund der komplexen Kommunikation der einzelnen Schichten untereinander, diese Faktoren durchaus spürbar negativ im Gegensatz zu "monolithischen" Modellen beeinflussen können.

Der entscheidende Vorteil von schichtenmodellaufgebauten Netzwerkprotokollen ist die Flexibilität: Einzelne Schichten können durch eigene Protokolle angepasst, geändert oder ausgetauscht werden, um die betreffende Schicht beispielsweise einem Übertragungsmedium speziell anzupassen. Um das Schichtenmodell in der Gesamtheit nicht zu gefährden, ist es lediglich erforderlich, dass die Kommunikationsschnittstellen zu der darüber- und/oder darunter liegenden Schicht(en) nicht geändert werden.

Geläufig sind in der Netzwerkwelt zwei große Schichtenmodelltypen, das DoD-Schichtenmodell und das OSI-Schichtenmodell.

Das DoD-Schichtenmodell

Das DoD-Schichtenmodell ("DoD" steht hierbei als Tribut der Internet-Geschichte für "Department of Defense", dem Verteidigungsministerium) ist das Schichtenmodell, auf dem das Internet basiert und in das das Internet-Protokoll TCP/IP (siehe hierzu auch TCP/IP - Haussprache des Internet)integriert ist:

Es besteht aus insgesamt vier Schichten (in Klammern die offizielle englische Schichtenbezeichnung):

Anwendungsschicht
Transportschicht
Internetschicht
Netzzugangsschicht
  • Anwendungsschicht ("Application Layer")
    In der Anwendungsschicht sind die eigentlichen Applikationen und Protokolle angesiedelt, die über das Internet miteinander kommunizieren. Beispiele hierfür sind HTTP, FTP, Gopher, SMTP.
  • Transportschicht ("Transport Layer")
    Die Transportschicht ist die Kontrollschicht, die eine Sicherung und Kontrolle der Daten ermöglicht, die zwischen der Anwendungsschicht und der Internetschicht ausgetauscht werden. Protokollbeispiele für die Transportschicht sind TCP und UDP.
  • Internetschicht ("Internet Layer")
    Die Internetschicht definiert die so genannten Datagramme (die "Datenpakete"), die als unterste Einheit im Internet für die Datenübertragung sorgen. Dies ist für die Datenübertragung im Normalfall IP. Andere Protokolle auf dieser Ebene sind beispielsweise ICMP und GRE.
  • Netzzugangsschicht ("Network Access Layer")
    Die Netzzugangsschicht ist im DoD-Schichtenmodell die unterste Schicht und repräsentiert die Netztopologie beziehungsweise das Protokoll hierfür. In einem lokalen Netzwerk könnte dies beispielsweise Ethernet sein, bei Wählverbindungen kommt häufig PPP zum Einsatz.

Das OSI-Schichtenmodell

Das OSI-Schichtenmodell ist das ISO-Standardisierte Referenzmodell für Kommunikationssysteme und ist ebenfalls herstellerunabhängig ausgelegt. Im Gegensatz zum DoD-Schichtenmodell ist es detaillierter ausgearbeitet, einen Vergleich zwischen beiden Schichtenmodellen gibt es weiter unten.

Das OSI-Schichtenmodell besteht aus insgesamt sieben Schichten (in Klammern wiederum die offizielle englische Schichtenbezeichnung):

Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Sitzungsschicht
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht

  • Anwendungsschicht ("Application Layer")
    In der Anwendungsschicht findet die eigentliche Dateneingabe und -ausgabe statt und übergibt die zu übertragende Information an die untenliegenden Schichten.
  • Darstellungsschicht ("Representation Layer")
    Die Darstellungsschicht transformiert die Daten in ein geeignetes Format um, die von oder zur Anwendungsschicht kommen beziehungsweise gehen sollen.
  • Sitzungsschicht ("Session Layer")
    Die Sitzungsschicht, oft auch als Kommunikationssteuerschicht bezeichnet, dient zur Organisation des Dialogs zwischen Endsystemen und enthält Mechanismen zur Steuerung des Datenaustausches.
  • Transportschicht ("Transport Layer")
    Die Transportschicht stellt die Verbindung zwischen den anwendungs- und transportorientierten Schichten dar. Erstere liegen oberhalb, letztere unterhalb der Transportschicht
  • Vermittlungsschicht ("Network Layer")
    Die Vermittlungsschicht dient zur Steuerung der Kommunikation zwischen den Endgeräten, sowohl zeitlich und logisch, unabhängig von Topologie und Medium.
  • Sicherungsschicht ("Link Layer")
    Die Sicherungsschicht dient zur Erkennung und Behebung von Übertragungsfehlern und zur Datenflusskontrolle.
  • Bitübertragungsschicht ("Physical Layer")
    Die Bitübertragungsschicht ist die verantwortliche Schicht für die Übermittlung der Information. Sie fungiert als physikalische und logische Schnittstelle zum Übertragungsmedium, jedoch ist das Übertragungsmedium selbst nicht in dieser Schicht.

Das OSI-Schichtenmodell ist durch seine sieben Schichten deutlich komplexer, als das DoD-Schichtenmodell und war bei seiner Entwicklung zunächst als ein sehr abstraktes Schichtenmodell verpönt, vor allem bei der Fraktion der Anhänger des DoD-Schichtenmodells. Auch Jahre später hat das OSI-Schichtenmodell immer noch nicht seinen eher "akademischen" Ansatz ablegen können und Anhänger beider Fraktionen verteidigen "ihr" Schichtenmodell in fast religionsartigen Zügen.

Das DoD-Schichtenmodell im Vergleich zum OSI-Schichtenmodell

Im Vergleich der beiden Schichtenmodelle fällt auf, dass sich die einzelnen Schichten des DoD-Schichtenmodells nahtlos in das OSI-Schichtenmodell abbilden lassen, was daran liegt, dass das OSI-Schichtenmodell Jahre später als das DoD-Schichtenmodell entwickelt und ein Schwerpunkt darauf gelegt wurde, dass es abwärtskompatibel ist.

Anwendungsschicht Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Sitzungsschicht
Transportschicht Transportschicht
Internetschicht Vermittlungsschicht
Netzzugangsschicht Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht

Schon allein im Vergleich der Schichtenmodellstrukturen fällt auf, dass das DoD-Schichtenmodell weniger einzelne Schichten aufweist, als das OSI-Schichtenmodell. Dies bedeutet, dass zwar die einzelnen Schichten umfangreicher sind, aber weniger Aufwand bei der Programmierung der Schnittstellen für die Schichtkommunikation untereinander getrieben werden muss.

Dieser Umstand zeigt sich vor allem in der Praxis. Die Internet-"Haussprache" TCP/IP (basierend auf dem DoD-Schichtenmodell) ist ein extrem flexibles Netzwerkprotokoll, das auf allen gängigen Netzwerkstrukturen funktioniert und darüber hinaus außergewöhnlich robust ist und auch unter schlechten Bedingungen akzeptabel funktioniert.

Hauptsächlich aus diesen zwei Gründen ist das DoD-Schichtenmodell auch nach vielen Jahren immer noch die Basis von TCP/IP und des Internet.

Weiterführende Links

http://de.wikipedia.org/wiki/OSI-Modell
Wikipedia-Artikel zum OSI-Schichtenmodell

Weiterführende Literatur

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