OSI-Modell-Schichten: Einführungshandbuch

Das Open System Interconnect (OSI)-Modell dient Entwicklern und Anbietern als Leitfaden für die Erstellung interoperabler und sicherer Softwarelösungen.

Dieses Modell beschreibt die Feinheiten des Datenflusses in einem Netzwerk, Kommunikationsprotokolle wie TCP und die Unterschiede zwischen Tools und Technologien.

Obwohl sich viele über die Relevanz des OSI-Schichtenmodells streiten, ist es in der Tat von Bedeutung, insbesondere im Zeitalter der Cybersicherheit.

Die Kenntnis der Schichten des OSI-Modells hilft Ihnen, die mit Anwendungen und Systemen verbundenen technischen Schwachstellen und Risiken einzuschätzen. Es kann Teams auch dabei helfen, den Speicherort von Daten und den physischen Zugriff zu identifizieren und zu unterscheiden und ihre Sicherheitsrichtlinien zu definieren.

In diesem Artikel gehen wir näher auf die Schichten des OSI-Modells ein und untersuchen ihre Bedeutung für Benutzer und Unternehmen gleichermaßen.

Was ist das Open System Interconnect (OSI) Modell?

Das Open System Interconnect (OSI)-Modell ist ein Referenzmodell, das aus sieben Schichten besteht, die von Computersystemen und Anwendungen zur Kommunikation mit anderen Systemen über ein Netzwerk verwendet werden.

Das Modell unterteilt Datenübertragungsprozesse, Standards und Protokolle in sieben Schichten, von denen jede einzelne bestimmte Aufgaben im Zusammenhang mit dem Senden und Empfangen von Daten übernimmt.

Das OSI-Modell wurde 1984 von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) entwickelt und ist die erste Standardreferenz, die festlegt, wie Systeme in einem Netzwerk kommunizieren müssen. Dieses Modell wurde von allen führenden Telekommunikations- und Computerunternehmen übernommen.

Das Modell stellt ein visuelles Design dar, bei dem die sieben Schichten übereinander angeordnet sind. In der Architektur des OSI-Modells dient die untere Schicht der oberen Schicht. Wenn auch Benutzer interagieren, fließen die Daten durch diese Schichten über das Netzwerk, beginnend beim Quellgerät und dann aufwärts durch die Schichten, um das Empfangsgerät zu erreichen.

Das OSI-Modell umfasst verschiedene Anwendungen, Netzwerkhardware, Protokolle, Betriebssysteme usw., die es den Systemen ermöglichen, Signale über physikalische Medien wie Glasfaser, Twisted-Pair-Kupfer, Wi-Fi usw. in ein Netzwerk zu übertragen.

Dieser konzeptionelle Rahmen kann Ihnen helfen, die Beziehungen zwischen den Systemen zu verstehen, und soll Entwicklern und Anbietern bei der Erstellung interoperabler Softwareanwendungen und -produkte als Leitfaden dienen. Darüber hinaus fördert es einen Rahmen, der die Funktionsweise der verwendeten Telekommunikations- und Netzwerksysteme beschreibt.

Warum müssen Sie das OSI-Modell kennen?

Das Verständnis des OSI-Modells ist für die Softwareentwicklung wichtig, da jede Anwendung und jedes System auf der Grundlage einer dieser Schichten funktioniert.

IT-Netzwerkexperten nutzen das OSI-Modell, um sich ein Bild davon zu machen, wie Daten über ein Netzwerk fließen. Dieses Wissen ist nicht nur für Softwareanbieter und -entwickler wertvoll, sondern auch für Studenten, die Prüfungen wie die Cisco Certified Network Associate (CCNA)-Zertifizierung ablegen möchten.

Das Erlernen der Schichten des OSI-Modells hat u.a. folgende Vorteile:

• Verstehen des Datenflusses: Das OSI-Modell macht es Netzwerkbetreibern leicht zu verstehen, wie Daten in einem Netzwerk fließen. Dies hilft ihnen zu verstehen, wie die Hardware und die Software zusammenarbeiten. Anhand dieser Informationen können Sie mit geeigneter Software und Hardware ein besseres System mit höherer Sicherheit und Widerstandsfähigkeit aufbauen.
• Einfache Fehlersuche: Die Fehlersuche wird einfacher, da das Netzwerk in sieben Schichten mit ihren eigenen Funktionen und Komponenten unterteilt ist. Außerdem benötigen Fachleute weniger Zeit, um das Problem zu diagnostizieren. Sie können die Netzwerkschicht identifizieren, die für die Probleme verantwortlich ist, so dass Sie sich auf diese Schicht konzentrieren können.
• Fördert die Interoperabilität: Entwickler können Softwaresysteme und Geräte erstellen, die interoperabel sind, so dass sie problemlos mit Produkten anderer Anbieter interagieren können. Dies erhöht die Funktionalität dieser Systeme und ermöglicht den Benutzern ein effizientes Arbeiten.

Sie können festlegen, mit welchen Komponenten und Teilen ihre Produkte zusammenarbeiten müssen. Auf diese Weise können Sie den Endbenutzern auch die Netzwerkebene mitteilen, auf der Ihre Produkte und Systeme arbeiten, sei es über den gesamten Tech-Stack oder nur auf einer bestimmten Ebene.

Verschiedene OSI-Modellschichten

Physikalische Schicht

Die physikalische Schicht ist die unterste und erste Schicht im OSI-Modell, das die physikalische und elektrische Darstellung eines Systems beschreibt.

Sie kann den Kabeltyp, das Pin-Layout, die Funkverbindung, die Spannungen, den Signaltyp, den Steckertyp für den Anschluss der Geräte und mehr umfassen. Sie ist für eine drahtlose oder physikalische Kabelverbindung zwischen verschiedenen Netzwerkknoten verantwortlich, ermöglicht die Rohdatenübertragung und steuert die Bitraten.

In dieser Schicht werden die Rohdaten in Bits oder 0 und 1 in Signale umgewandelt und ausgetauscht. Um eine reibungslose Datenübertragung zu ermöglichen, müssen Sender und Empfänger synchronisiert sein. Die physikalische Schicht bietet eine Schnittstelle zwischen verschiedenen Geräten, Übertragungsmedien und Topologietypen für die Vernetzung. Der erforderliche Übertragungsmodus wird ebenfalls auf der physikalischen Schicht definiert.

Die verwendete Netzwerktopologie kann ein Bus, ein Ring oder ein Stern sein und der Modus kann simplex, voll-duplex oder halb-duplex sein. Bei den Geräten auf der physikalischen Ebene kann es sich um Ethernet-Kabelanschlüsse, Repeater, Hubs usw. handeln.

Wenn ein Netzwerkproblem festgestellt wird, überprüfen Netzwerkexperten zunächst, ob alles auf der physikalischen Ebene einwandfrei funktioniert. Sie können damit beginnen, die Kabel zu überprüfen, ob sie richtig angeschlossen sind und ob der Netzstecker mit dem System, wie z.B. dem Router, verbunden ist, neben anderen Schritten.

Die Hauptfunktionen der Schicht 1 sind:

• Festlegung der physischen Topologien, auch der Art und Weise, wie Geräte und Systeme in einem bestimmten Netzwerk angeordnet sind
• Festlegung des Übertragungsmodus, d.h. wie Daten zwischen zwei verbundenen Geräten im Netzwerk fließen.
• Bitsynchronisierung mit einer Uhr, die Empfänger und Sender auf Bitebene steuert.
• Kontrolle der Bitrate der Datenübertragung

Datenübertragungsschicht

Die Datenverbindungsschicht liegt oberhalb der physikalischen Schicht. Sie dient dazu, Verbindungen zwischen zwei angeschlossenen Knoten in einem Netzwerk herzustellen und zu beenden. Diese Schicht unterteilt Datenpakete in verschiedene Rahmen, die dann von der Quelle zum Ziel gelangen.

Die Datenverbindungsschicht besteht aus zwei Teilen:

• Logical Link Control (LLC ) erkennt Netzwerkprotokolle, synchronisiert Rahmen und prüft Fehler.
• DieMedienzugriffskontrolle (MAC) verwendet MAC-Adressen, um Geräte zu verbinden und die Berechtigung zur Datenübertragung festzulegen.

MAC-Adressen sind eindeutige Adressen, die jedem System in einem Netzwerk zugewiesen werden und zur Identifizierung des Systems dienen. Diese 12-stelligen Nummern sind physikalische Adressierungssysteme, die auf der Datenübertragungsschicht eines Netzwerks überwacht werden. Es steuert, wie die verschiedenen Netzwerkkomponenten auf ein physikalisches Medium zugreifen können.

Beispiel: MAC-Adressen können aus 6 Oktetten bestehen, z.B. 00:5e:53:00:00:af, wobei die ersten drei Zahlen den organisatorisch eindeutigen Identifikatoren (OUI) entsprechen, während die letzten drei dem Network Interface Controller (NIC) entsprechen.

Die Hauptfunktionen der Schicht 2 sind:

• Fehlererkennung: Die Fehlererkennung erfolgt auf dieser Schicht, nicht aber die Fehlerkorrektur, die auf der Transportschicht stattfindet. In manchen Fällen werden in den Datensignalen unerwünschte Signale, so genannte Fehlerbits, gefunden. Um diesem Fehler entgegenzuwirken, muss der Fehler zunächst durch Methoden wie die Prüfsumme und die zyklische Redundanzprüfung (CRC) erkannt werden.
• Flusskontrolle: Die Datenübertragung zwischen dem Empfänger und dem Sender über ein Medium muss mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen. Wenn die Daten in einem Rahmen schneller gesendet werden als der Empfänger die Daten empfängt, können einige Daten verloren gehen. Um dieses Problem zu lösen, werden auf der Datenübertragungsschicht einige Methoden zur Flusskontrolle eingesetzt, so dass eine einheitliche Geschwindigkeit über die gesamte Datenübertragungsleitung aufrechterhalten wird. Diese Methoden können sein:
  • Die Sliding-Window-Methode, bei der beide Seiten entscheiden, wie viele Frames übertragen werden müssen. Dies spart Zeit und Ressourcen bei der Übertragung.
  • Bei der Stop-and-Wait-Methode muss der Sender nach der Datenübertragung anhalten und auf den Empfänger warten. Der Sender muss warten, bis er eine Bestätigung des Empfängers erhält, dass er die Daten erhalten hat.
• Aktivieren Sie den Mehrfachzugriff: Die Datenübertragungsschicht ermöglicht Ihnen auch den Zugriff auf mehrere Geräte und Systeme, um Daten kollisionsfrei über das gleiche Übertragungsmedium zu übertragen. Dazu verwendet sie Carrier Sense Multiple Access oder Kollisionserkennungsprotokolle (CSMA/CD).
• Datenabgleich: In der Datenverbindungsschicht müssen die Geräte, die Daten austauschen, an beiden Enden miteinander synchronisiert sein, um eine reibungslose Datenübertragung zu ermöglichen.

Die Datenübertragungsschicht nutzt auch Geräte wie Brücken und Layer-2-Switches. Bridges sind 2-Port-Geräte, die eine Verbindung zu verschiedenen LAN-Netzwerken herstellen. Sie fungieren als Repeater, filtern unerwünschte Daten und senden sie an den Zielendpunkt. Sie verbinden Netzwerke, die das gleiche Protokoll verwenden. Layer-2-Switches hingegen leiten Daten auf der Grundlage der MAC-Adresse des Systems an die nachfolgende Schicht weiter.

Netzwerkschicht

Die Netzwerkschicht befindet sich über der Datenübertragungsschicht und ist die dritte Schicht von unten im OSI-Modell. Sie nutzt Netzwerkadressen wie IP-Adressen, um Datenpakete an einen empfangenden Knoten weiterzuleiten, der mit anderen oder denselben Protokollen und Netzwerken arbeitet.

Er führt zwei Hauptaufgaben aus:

• Teilt Netzwerksegmente in verschiedene Netzwerkpakete auf und setzt die Netzwerkpakete am Zielknoten wieder zusammen.
• Ermittelt den optimalen Pfad in einem physischen Netzwerk und leitet die Pakete entsprechend weiter.

Mit optimalem Pfad meine ich, dass diese Schicht den kürzesten, zeitsparendsten und einfachsten Weg zwischen einem Sender und einem Empfänger für die Datenübertragung mit Hilfe von Switches, Routern und verschiedenen Methoden zur Fehlererkennung und -behandlung findet.

Zu diesem Zweck verwendet die Netzwerkschicht eine logische Netzwerkadresse und das Subnetting-Design des Netzwerks. Unabhängig davon, ob sich die Geräte im selben Netzwerk befinden oder nicht, ob sie dasselbe Protokoll verwenden oder nicht und ob sie mit derselben Topologie arbeiten oder nicht, leitet diese Schicht die Daten mithilfe einer logischen IP-Adresse und eines Routers von einer Quelle zu einem Ziel weiter. Ihre Hauptkomponenten sind auch IP-Adressen, Subnetze und Router.

• IP-Adresse: Es handelt sich um eine weltweit eindeutige 32-Bit-Nummer, die jedem Gerät zugewiesen wird und als logische Netzwerkadresse dient. Sie besteht aus zwei Teilen: Hostadresse und Netzwerkadresse. Eine IP-Adresse wird in der Regel durch vier Zahlen dargestellt, die durch einen Punkt getrennt sind, z.B. 192.0.16.1.
• Router: In der Netzwerkschicht werden Router für die Datenübertragung zwischen Geräten in verschiedenen Wide Area Networks (WANs) eingesetzt. Da Router, die für die Datenübertragung eingesetzt werden, die genaue Zieladresse nicht kennen, werden die Datenpakete geroutet.

Sie verfügen lediglich über Informationen über den Standort ihres Netzwerks und nutzen die in der Routing-Tabelle gesammelten Daten. Dies hilft den Routern, den Pfad für die Zustellung der Daten zu finden. Wenn er die Daten schließlich an das Zielnetzwerk liefert, werden die Daten an den Zielhost im Netzwerk gesendet.

• Subnetz-Masken: Eine Subnetzmaske besteht aus 32 Bits der logischen Adresse, die ein Router neben einer IP-Adresse verwenden kann, um den Standort des Zielhosts zu ermitteln und die Daten zuzustellen. Sie ist wichtig, da die Host- und Netzwerkadressen nicht ausreichen, um den Standort zu ermitteln, unabhängig davon, ob er in einem entfernten Netzwerk oder Subnetzwerk liegt. Ein Beispiel für eine Subnetzmaske könnte 255.255.255.0 sein.

Anhand einer Subnetzmaske können Sie die Netzwerkadresse und die Hostadresse herausfinden. Wenn auch ein Datenpaket von der Quelle mit der errechneten Zieladresse eintrifft, empfängt das System die Daten und leitet sie an die nächste Schicht weiter. Auf dieser Schicht muss der Sender im Gegensatz zur Schicht 2 nicht auf die Bestätigung des Empfängers warten.

Transportschicht

Die Transportschicht ist die vierte Schicht von unten im OSI-Modell. Sie übernimmt die Daten von der Netzwerkschicht und leitet sie an die Anwendungsschicht weiter. In dieser Schicht werden die Daten als "Segmente" bezeichnet, und die Hauptfunktion der Schicht besteht darin, die vollständige Nachricht zu liefern. Sie bestätigt auch, wenn die Datenübertragung erfolgreich verlaufen ist. Wenn ein Fehler auftritt, gibt sie die Daten zurück.

Außerdem führt die Transportschicht die Datenflusskontrolle durch, überträgt die Daten mit der gleichen Geschwindigkeit wie das empfangende Gerät, um eine reibungslose Übertragung zu ermöglichen, verwaltet Fehler und fordert die Daten nach der Feststellung von Fehlern erneut an.

Lassen Sie uns verstehen, was an beiden Enden passiert:

• Auf der Seitedes Senders führt die Transportschicht nach dem Empfang der formatierten Daten von den höheren Schichten im OSI-Modell eine Segmentierung durch. Anschließend implementiert sie Techniken zur Fluss- und Fehlerkontrolle, um eine reibungslose Datenübertragung zu ermöglichen. Als nächstes fügt sie die Portnummern von Quelle und Ziel in den Header ein und leitet die Segmente an die Netzwerkschicht weiter.
• Auf der Empfängerseite identifiziert die Transportschicht die Portnummer anhand des Headers und sendet die empfangenen Daten an die Zielanwendung. Außerdem setzt sie die segmentierten Daten in eine Reihenfolge und setzt sie wieder zusammen.

Die Transportschicht sorgt für eine fehlerfreie und durchgehende Verbindung zwischen Geräten oder Hosts in einem Netzwerk. Sie liefert Datensegmente von Intra- und Inter-Teilnetzen.

Um eine Ende-zu-Ende-Kommunikation in einem Netzwerk zu ermöglichen, muss jedes Gerät über einen Transport Service Access Point (TSAP) oder eine Portnummer verfügen. Dies hilft dem Host, die Peer-Hosts anhand der Portnummer in einem entfernten Netzwerk zu erkennen. Sie wird in der Regel manuell oder standardmäßig gefunden, da die meisten Anwendungen eine Standard-Portnummer von 80 verwenden.

Auf der Transportschicht werden zwei Protokolle verwendet:

• Das Übertragungssteuerungsprotokoll (TCP): Dieses zuverlässige Protokoll stellt zunächst die Verbindung zwischen den Hosts her, bevor es mit der Datenübertragung beginnt. Es verlangt, dass der Empfänger eine Bestätigung sendet, ob er die Daten erhalten hat oder nicht. Sobald es die Bestätigung erhält, sendet es den zweiten Datenstapel. Außerdem überwacht es die Übertragungsgeschwindigkeit und die Flusskontrolle und korrigiert Fehler.
• User Datagram Protocol (UDP): Es gilt als unzuverlässig und ist nicht verbindungsorientiert. Nachdem die Daten zwischen den Hosts übertragen wurden, benötigt es keine Bestätigung des Empfängers und sendet die Daten weiter. Aus diesem Grund ist es anfällig für Cyberangriffe wie UDP Flooding. Sie wird bei Online-Spielen, Video-Streaming usw. verwendet.

Einige Funktionen der Transportschicht sind:

• Adressiert die Servicepunkte: Die Transportschicht verfügt über eine Adresse, die Portadresse oder Servicepunktadresse genannt wird und dazu beiträgt, eine Nachricht an den richtigen Empfänger zuzustellen.
• Fehlererkennung und -kontrolle: Diese Schicht bietet Fehlererkennung und -kontrolle. Ein Fehler kann auftreten, während das Segment oder die Daten im Speicher des Routers abgelegt werden, auch wenn keine Fehler abgefangen werden, während die Daten eine Verbindung durchlaufen. Und wenn ein Fehler auftritt, ist die Datenverbindungsschicht nicht in der Lage, ihn zu erkennen. Darüber hinaus sind möglicherweise nicht alle Verbindungen sicher, so dass eine Fehlererkennung auf der Transportschicht erforderlich ist. Dies geschieht über zwei Methoden:
  • Zyklische Redundanzprüfung
  • Prüfsummen-Generator und -Prüfer

Sitzungsschicht

Die fünfte Schicht von unten im OSI-Modell ist die Sitzungsschicht. Sie dient zum Aufbau von Kommunikationskanälen, die auch als Sitzungen bezeichnet werden, zwischen verschiedenen Geräten. Sie führt Aufgaben aus wie:

• Eröffnen von Sitzungen
• Schließen von Sitzungen
• Offenhalten der Sitzungen und Aufrechterhaltung ihrer vollen Funktionalität während der Datenübertragung
• Dialogsynchronisierung zwischen verschiedenen Anwendungen, um eine nahtlose Datenübertragung ohne Verluste auf der Empfängerseite zu ermöglichen.

Die Sitzungsschicht kann Kontrollpunkte erstellen, um eine sichere Datenübertragung zu gewährleisten. Falls die Sitzung unterbrochen wird, setzen alle Geräte die Übertragung an ihren letzten Kontrollpunkt fort. Diese Schicht ermöglicht es Benutzern, die verschiedene Plattformen verwenden, aktive Kommunikationssitzungen zwischen ihnen zu erstellen.

Präsentationsschicht

Die sechste Schicht von unten ist die Präsentationsschicht oder Übersetzungsschicht. Sie dient der Vorbereitung der Daten, die an die darüber liegende Anwendungsschicht gesendet werden sollen. Sie präsentiert den Endbenutzern Daten, die diese leicht verstehen können.

Die Präsentationsschicht beschreibt, wie zwei Geräte in einem Netzwerk Daten komprimieren, verschlüsseln und kodieren müssen, damit sie vom Empfänger korrekt empfangen werden. Diese Schicht verwendet Daten, die die Anwendungsschicht überträgt und dann an die Sitzungsschicht sendet.

Die Darstellungsschicht kümmert sich um die Syntax, da Sender und Empfänger unterschiedliche Kommunikationsmodi verwenden können, was zu Inkonsistenzen führen kann. Diese Schicht ermöglicht es Systemen, im selben Netzwerk problemlos miteinander zu kommunizieren und sich gegenseitig zu verstehen.

Die Schicht-6 führt Aufgaben aus wie:

• Verschlüsselung von Daten auf der Seite des Senders
• Entschlüsselung von Daten auf der Seite des Empfängers
• Übersetzung, z.B. ASCII-Format in EBCDIC
• Komprimierung von Daten für Multimedia vor der Übertragung

Die Schicht zerlegt Daten, die Zeichen und Zahlen enthalten, in Bits und überträgt sie dann. Außerdem übersetzt sie Daten für ein Netzwerk in das erforderliche Format und für verschiedene Geräte wie Smartphones, Tablets, PCs usw. in ein akzeptiertes Format.

Anwendungsschicht

Die Anwendungsschicht ist die siebte und oberste Schicht im OSI-Modell. Endbenutzer-Software und Anwendungen wie E-Mail-Clients und Webbrowser nutzen diese Schicht.

Die Anwendungsschicht stellt Protokolle bereit, die es den Softwaresystemen ermöglichen, Daten zu übertragen und den Endbenutzern aussagekräftige Informationen zu liefern.

Beispiel: Protokolle der Anwendungsschicht können das berühmte Hypertext Transfer Protocol (HTTP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), Domain Name System (DNS), File Transfer Protocol (FTP) und andere sein.

TCP/IP vs. OSI-Modell: Unterschiede

Die wichtigsten Unterschiede zwischen TCP/IP und dem OSI-Modell sind:

• Das TCP/IP, das vom US-Verteidigungsministerium (DoD) entwickelt wurde, ist ein älteres Konzept als das OSI-Modell.
• Das TCP/IP-Funktionsmodell wurde entwickelt, um spezifische Kommunikationsprobleme zu lösen und basiert auf Standardprotokollen. Das OSI-Modell hingegen ist ein allgemeines, protokollunabhängiges Modell, das zur Definition der Netzwerkkommunikation verwendet wird.
• Das TCP/IP-Modell ist unkomplizierter und hat weniger Schichten als das OSI-Modell. Es besteht in der Regel aus vier Schichten:
  • Die Netzwerkzugangsschicht, die die OSI-Schichten 1 und 2 vereint.
  • Die Internetschicht, die im OSI-Modell als Netzwerkschicht bezeichnet wird
  • Transportschicht
  • Anwendungsschicht, die die OSI-Schichten 5, 6 und 7 vereint.
• Das OSI-Modell hat sieben Schichten: die physikalische Schicht, die Datenverbindungsschicht, die Netzwerkschicht, die Transportschicht, die Sitzungsschicht, die Darstellungsschicht und die Anwendungsschicht.
• Anwendungen, die TCP/IP verwenden, nutzen alle Schichten, aber im OSI-Modell nutzen die meisten Anwendungen nicht alle sieben Schichten. Vielmehr sind die Schichten 1-3 nur für die Datenübertragung erforderlich.

Fazit

Die Kenntnis des OSI-Modells kann Entwicklern und Anbietern helfen, Softwareanwendungen und Produkte zu erstellen, die interoperabel und sicher sind. Es wird Ihnen auch helfen, zwischen verschiedenen Kommunikationstools und -protokollen zu unterscheiden und zu verstehen, wie diese miteinander arbeiten. Und wenn Sie ein Student sind, der eine Netzwerkprüfung wie die CCNA-Zertifizierung anstrebt, wird das Wissen über das OSI-Modell von Vorteil sein.