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Schichtenmodell

Benötigtes Vorwissen

Hier geht es darum, den Ablauf der Kommunikation zwischen zwei Computern genauer zu betrachten. Dazu musst du wissen, wie die Rechner adressiert werden (MAC-Adressen, IP-Adressen, Port-Nummern) und was ein Switch, bzw. ein Router ist.

Lesetext

Schichtenmodelle sind überall da hilfreich, wo sehr komplexe Vorgänge oder Aufbauten notwendig sind. Man gliedert die einzelnen Komponenten in Schichten. Jede Schicht bedient sich der darunter liegenden Schicht. Man verlässt sich dabei darauf, dass die darunter liegende Schicht, ihre Aufgabe korrekt löst, ohne dass es nötig ist zu wissen, wie genau sie das tut. So muss jeder Entwickler nur für die von ihm implementierte Schicht Verantwortung übernehmen.

Schichtenmodelle finden sich z. B.
- im Alltag (siehe Beispiel Posttransport)
- beim Aufbau eines Computers (elektrische Schaltkreise -> Logikgatter -> Schaltnetze -> VonNeumann-Rechner)
- bei Kommunikationsabläufen im Internet

Beispiel aus dem Alltag: Paketzustellung

Bevor wir die komplexe Übertragung von Nachrichten im Internet untersuchen, schauen wir uns erst einmal eine Übertragungssituation im Alltag an: Wie wird die Übertragung von Paketen durch die Post organisiert?

Wenn ein Absender der Post ein Paket zur Übertragung an einen Empfänger übergibt, dann wird bekanntlich kein Postbote mit dem Paket losgeschickt, sondern es beginnt ein durchdachter komplexer Übertragungsprozess.

Zur Kundenbetreuung hat die Post Dienststellen eingerichtet, die für die Annahme und Zustellung der Pakete zuständig sind. Sowohl die Annahme eines Paketes als auch die Zustellung eines Paketes laufen nach vorgegebenen Protokollen ab. So wird bei der Annahme eines Paketes vom Kunden eine Paketkarte ausgefüllt. Die Zustellung erfolgt in der Regel so, dass Postboten drei Zustellungsversuche machen. Trifft der Postbote den Empfänger an, dann wird das Paket dem Empfänger übergeben und die Zustellung quittiert. Ansonsten wird der Empfänger benachrichtigt und muss dann selbst das Paket in der angegebenen Dienststelle abholen.

Für die Vermittlung von Paketen hat die Post ein Logistiksystem entwickelt, das vereinfacht so funktioniert: Pakete werden (mit Briefen und Postkarten) in Postsäcke gefüllt. Postsäcke werden dann an bestimmte Zentraleinheiten übermittelt, wo sie so neu zusammengestellt werden, so dass ein optimaler Weitertransport an den Empfängerort gewährleistet wird. Alle die Vorgänge sind durch Protokolle klar geregelt.

Für den Transport von Postsäcken zwischen zwei Zentraleinheiten sind dann posteigene oder auch andere Transportunternehmen zuständig. Die Transportunternehmer nutzen je nach Transportsituation Kleintransporter, größere LKWs, die Bahn, Schiffe oder auch Flugzeuge.

Die Übertragung von Paketen durch die Post kann also durch ein mehrschichtiges Modell beschrieben werden.

Inf-Schule. Seite Schichtenmodell der Post (CC BY-SA)

Jede Schicht stellt der darüberliegenden Schicht bestimmte Dienste bereit. So garantiert die Transportschicht den Transport von Postsäcken zwischen zwei Diensteinheiten der Post. Die Vorgänge in der Schicht selbst werden durch Protokolle geregelt. So könnte ein Transportprotokoll festlegen, dass Postsäcke um 17:00 Uhr an einer Dienststelle abgeholt und auf dem schnellsten Weg mit einem Kleintransporter zur nächstliegenden Zentraleinheit gebracht werden.

Quelle: inf-schule | Schichtenmodelle » Schichtenmodelle (Zuletzt geändert: 23.08.2021, Autoren: Klaus Merkert, Daniel Jonietz, Klaus Becker, Lizenz: CC 4.0 SA-BY)

Schichtenmodell des Internets

Wenn eine Nachricht von einem Sender zu einem Empfänger übertragen wird, dann werden letztendlich physikalisch repräsentierte Bitfolgen (Lichtimpulse, elektrische Signale o. ä.) über ein Transportmedium (Glasfaserkabel, Netzwerkkabel, Funk o. ä.) übertragen. Die Übertragung von Bitfolgen zwischen benachbarten Hosts bildet die unterste Schicht im Schichtenmodell - die Netzwerkschicht

Aufbauend auf Dienste der darunterliegenden Schicht kann man jetzt Übertragungsprozesse schrittweise abstrahierend beschreiben. Die Vermittlungsschicht sorgt dafür, dass die Datenpakete ihren Weg durch das Internet zum richtigen Empfänger finden und ermittelt die richtigen Zwischenziele. Sie setzt voraus, dass eine Übertragung zwischen benachbarten Host geregelt ist. Dabei ist es den übergeordneten Schichten egal, wie die darunter liegenden Schichten arbeiten. Die Bits können über ein Glasfaserkabel, ein Kupferkabel oder per Funk weitergeleitet werden. 

Die Transportschicht stellt eine Ende-zu-Ende-Kommunikation bereit, ohne sich darum zu kümmern, wie die Daten zum Empfänger gelangen. Sie regelt nur, was bei verlorengegangenen oder fehlerhaft übertragenen Paketen passieren soll.

Programmierer von Internetanwendungen bedienen sich der Transportschicht, um ihre Kommunikation zu implementieren. Sie müssen nur noch festlegen, welche Daten gesendet bzw. Befehle beherrscht werden sollen. Dies bezeichnet man als Anwendungsschicht.

Für die Beschreibung von Kommunikationsvorgängen im Internet benutzen wir hier das folgende Schichtenmodell.

Schichtenmodell des Internets
Schaller. Schichtenmodell des Internets (CC BY-NC-SA)



Ein Stapel aus Protokollen

Die Vorgänge in den einzelnen Schichten werden durch Protokolle geregelt. Z. B. legt das HTTP Protokoll fest, welche Befehle ein Webserver versteht und wie er darauf antwortet, das Ethernetprotokoll wiederum regelt den Zugriff auf die Netzwerkleitung.  Auf jeder Ebene kann ein beliebiges Protokoll gewählt und mit den darunter liegenden Protokollschichten kombiniert werden. Es ist z. B. für einen Webbrowser unerheblich, ob die Netzwerkschicht nach dem Ethernet-Protokoll oder dem Token-Ring-Protokoll arbeitet.

Protokolle der Schichten
Schaller. Protokollschichten (CC BY-NC-SA)


Die Pfeile in der Abbildung sollen andeuten, dass eine Nachricht - durch Protokolle geregelt - schrittweise verarbeitet wird, bevor sie auf der Netzwerkschicht dann tatsächlich übertragen wird. Sender und Empfänger müssen natürlich auf jeder Ebene das gleiche Protokoll nutzen.

Etwas komplexer wird die Darstellung, wenn man beachtet, dass eine Nachricht auch während der Übertragung wieder teilweise den Protokollstapel hinaufwandern kann. Ein Router arbeitet auf der Ebene der Vermittlungsschicht, da er die Verantwortung für die korrekte Weiterleitung der Paket trägt.

Schichtenmodell mit Router
Schaller. Schichtenmodell mit Router (CC BY-NC-SA)


Datenanreicherung
Die Protokolle der verschiedenen Schichten sehen vor, dass die zu übertragenen Daten schrittweise um Zusatzdaten angereichert werden. So müssen Schicht um Schicht den Daten bestimmte Adressinformationen hinzugefügt werden. Die Abbildung deutet eine solche Datenanreicherung für einen bestimmten Protokollstapel an.

Datenanreicherung
Schaller. Datenanreicherung durch die Protokollschichten (CC BY-NC-SA)


Quelle: inf-schule | Schichtenmodelle » Schichtenmodelle (Zuletzt geändert: 05.12.2021, Autoren: Klaus Merkert, Daniel Jonietz, Klaus Becker, Niko Markus, Lizenz: CC 4.0 SA-BY)