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Layer Begriffserklärung und Definition

layerIn der IT taucht der Begriff Layer öfter auf. Die wichtigste Bedeutung findet er im OSI-Modell sowie dessen Weiterentwicklung namens TCP/IP-Referenzmodell. Layer bedeutet wörtlich übersetzt „Schicht“, was auch im Sinne der IT treffend ist. So wird das OSI-Modell auch 7-Schichtenmodell genannt. Im Wesentlichen bedeuten die Schichten eine Unterscheidung der Protokollebenen. Beispielsweise kann ein Netzwerkkabel nur die Daten mittels elektrischer Impulse übertragen, während ein Web-Server in den gleichen Datenframes Protokolle wie http oder https benötigt, die sich folgerichtig auf einem deutlich höheren Layer befinden müssen.

7-Schichtemodell nach OSI im Vergleich mit dem TCP/IP-Referenzmodell

Beide Modelle sind hierarchischer Natur. Während das OSI-Modell meistens erwähnt wird, wenn es um das grundsätzliche Verständnis der Zusammenarbeit von Netzwerkprotokollen geht, ist das TCP/IP-Referenzmodell speziell auf die entscheidenden Faktoren das Internetworking (Interaktion oder Zusammenschluss in Computernetzwerken) zugeschnitten. Die Einteilung in sieben Layer stammt noch aus einer Zeit, als das ISO-Protokoll für den Transport von Daten über Netzwerke verantwortlich war.

Spätestens seit dem 1. Irakkrieg Anfang der 1990er Jahre, für den die amerikanische Regierung TCP/IP als Protokoll einsetzen ließ, änderte sich dies. Fortan wurde TCP/IP zum De-facto-Standard bzgl. des Datentransports in Computernetzwerken. Eine Einteilung in 7 Layer war nicht mehr notwendig. Dem OSI-Modell wurde demzufolge das Referenzmodell gegenübergestellt, welches von vier Schichten ausgeht.

Die Layer 1 und 2 des OSI-Schichtenmodells: Netz-Zugangsschicht des TCIP/IP-Referenzmodells

Die ersten beiden Layer des OSI-Modells entsprechen der ersten Schicht im TCP/IP-Referenzmodell. Layer 1 ist dabei die physikalische Ebene und wird Bitübertragungsschicht genannt. Hier geht es ausschließlich um Kabel, Anschlussdosen, Netzwerkkarten sowie deren technischen Entsprechungen in Switches und Routern. Die Datenpakete werden dabei mittels elektrischer Impulse von A nach B transportiert.

Das zweite Layer bildet die Sicherungsschicht. Seine Aufgabe ist es, die Übertragung der Daten sowie die Zugriffe auf das jeweilige Übertragungsmedium (Kabel, Funkwellen, etc.) in zuverlässiger und fehlerfreier Weise zu ermöglichen. Die Datenströme werden zu diesem Zweck im zweiten Layer in Blöcke – häufig auch Frames oder Rahmen genannt – eingeteilt. Angehängte Prüfsummen dienen der Kontrolle, ob die einzelnen Frames vollständig sind. Im Fehlerfall verwirft der Layer die Datenblöcke, sorgt jedoch nicht für die erneute Anforderung.

Ein weiteres wichtiges Feature der Sicherungsschicht ist die Datenflusskontrolle. Dabei steuern die empfangenden Stationen – u.a. Router, Switches sowie die Netzwerkkarten von Servern und Clients – mit welcher Geschwindigkeit die jeweils andere Seite Datenframes verschicken darf.

In dieser Schicht sind Router sowie Server und Switches reine physikalische Stationen. Deren eigentlicher „Job“ beginnt erst ab Layer 3. Auf Schicht 2 arbeiten nur die Netzwerkkarten bzw. die physikalischen Ports der Router. Der Layer 2 wird auch MAC-Schicht (MAC=“Media Access Control“) genannt. Die Hardware- bzw. MAC-Adressen eines jeden Netzwerkendgerätes gehören in diese Sicherungsschicht. Sie können nur zwischen Stationen ausgetauscht sind, die auf der physikalischen Ebene direkt miteinander verbunden sind.

Der Layer 3 des OSI-Schichtenmodells: Internetschicht des TCIP/IP-Referenzmodells

Der Layer 3 wird im OSI-Modell Vermittlungsschicht genannt und erhielt im TCP/IP-Referenzmodell die Bezeichnung Internetschicht. Bei leitungsorientierten Diensten sorgt der Layer 3 für das Schalten und Verbinden zwischen den Parteien, während er bei paketorientierten Diensten die Vermittlung der Datenpakete sicherstellt.

Dabei werden für die Übertragung der Daten die physikalischen Grenzen mittels Knoten bzw. Routinginstanzen (Router und Layer-3-Switches) überbrückt und auf das gesamte zur Verfügung stehende Netzwerk ausgedehnt. Bei der Weiterleitung zwischen den Knoten bleiben die Datenpakete im Layer 3. Es werden lediglich die Adressen der Zwischenziele (nächster Knoten auf dem Weg zum Empfänger) geändert. Die Vermittlungsschicht hat die hauptsächliche Aufgabe, die Netzwerkadressen aller angeschlossenen Netzsegmente für alle Router und Layer-3-Switches zur Verfügung zu stellen. Dies geschieht mithilfe von Routing-Tabellen, die entweder statisch oder durch Routingprotokolle gefüllt werden.

Unter TCP/IP handelt es sich bei diesen Diensten um das verbindungslose Internet Protocol (IP) sowie unterschiedliche auf IP aufbauende Routing-Protokolle, die für einen zuverlässigen Informationsaustausch zwischen den Routern eines Netzwerks sorgen. Im Layer 3 befinden sich die IP-Adressen. Durch das IP-Protokoll werden diese von den Routern genutzt, um die Datenframes der Endgeräte zwischen geografisch bzw. physikalisch getrennten Netzwerken oder Netzsegmenten zu routen. Im Layer 3 können werden keine verbindungsorientierte Übertragungen und keine Zuordnungen bzgl. der Anwendungsprotokolle vorgenommen.

Der Layer 4 des OSI-Schichtenmodells: Transportschicht des TCIP/IP-Referenzmodells

Die Hauptaufgabe der 4. Schicht des OSI-Modells, die dort wie auch im TCP/IP-Referenzmodell Transportschicht genannt wird, liegt in der vollständigen Kontrolle der Datentransporte zwischen Sender und Empfänger (Ende-zu-Ende-Kontrolle). Insbesondere die Zuordnung der Daten zu ihren Verwendungszwecken spielt hier eine große Rolle.

Im TCP/IP gibt es dafür vier Protokolle. Neben dem wichtigsten Protokoll – dem verbindungsorientierten TCP (Transmission Control Protocol) kommen auch das verbindungslose UDP (User Datagram Protocol ) sowie SCTP (Stream Control Transmission Protocol) zum Einsatz.

Eine Erweiterung von TCP stellt das vierte eingesetzte Protokoll TLS (Transport Layer Security) dar, das aus dem SSL (Secure Socket Layer) hervorgegangen ist. Allen Protokollen der Transportschicht gemein sind die sogenannten Port-Nummern. Sie haben nichts mit den physikalischen Ports zu tun, die Switches und Router für die Anbindung der Netzwerkkabel zur Verfügung stellen. Hinter den Ports von TCP, UDP, SCTP und TLS stecken bestimmte Dienste. Ein E-Mail-Server nutzt beispielsweise andere TCP-Ports als ein Webserver.

Die bekanntesten Portnummern des Layer 4 sind 80 für http, 25 für smtp, 21 für ftp sowie 53 für DNS. Die Portnummern 1 bis 1023 sind Standard und für alle Endgeräte fest vergeben. Software- und Systementwickler können ab der Portnummer 1024 eigene Ports registrieren lassen. Bekannt ist hier u.a. die 8080 als alternativer Port für http.

Die Layer 5 bis 7 des OSI-Schichtenmodells: Anwendungsschicht des TCIP/IP-Referenzmodells

Ab dem 5. Layer gilt aus der Sicht von TCP/IP alles als Anwendung, weshalb die Layer 5 bis 7 zu einer Anwendungsschicht zusammengefasst worden sind. Der 5. Layer des OSI-Modells trägt den Namen Sitzungsschicht. Grundsätzlich sorgt dieser Layer für die prozessbezogene Kommunikation zwischen zwei Endgeräten im Netzwerk. Das RPC-Protokoll (Remote Procedure Call) ist hier ansässig. Für einen synchronen und organisierten Austausch der Daten stellt die Sitzungssicht die entsprechenden Dienste zur Verfügung.

Ein wichtiger Aspekt ist das Setzen von Check Points bei der Datenübertragung, die im Falle einer Transferunterbrechung bei der Wiederaufnahme angesteuert werden können. So wird gewährleistet, dass die Übertragung nicht wieder von vorne anfangen muss.

Der Layer 6 nennt sich Darstellungsschicht und sorgt für die Systemunabhängigkeit der Daten bzgl. der Darstellung. Daten werden in unterschiedlichen Typen erstellt, die in den meisten Fällen von bestimmten Systemen genutzt werden. Um die Verarbeitung für alle zu ermöglichen, wird im Layer 6 eine unabhängige Form kreiert, die den syntaktisch korrekten Austausch der Daten zwischen Systemen jeglicher Art ermöglicht.

Der siebte Layer befindet sich im OSI-Modell die Anwendungsschicht. Hier werden spezielle Funktionen für die einzelnen Anwendungen realisiert. Da das OSI-Modell hierarchisch ist, werden auf der höchsten Ebene – dem Layer 7 – die Verbindungen zwischen den unteren Schichten hergestellt. Die Anwendungsschicht wickelt auch die Ein- und Ausgabe der Daten ab.

So laufen die Datenpakete durch die Layer

Das folgende Beispiel ist nur zum Verständnis gedacht, da alle Datenframes immer von unten nach oben – also von Layer 1 nach 7 – erfolgen.

Ein Anwender gibt im Layer 7 über seinen Browser Daten auf einer Webseite ein. Im Layer 6 wird die unabhängige Darstellung der Daten auf das System des Rechners, das der Anwender benutzt, ausgerichtet. Mittels der Sitzungsschicht (Layer 5) werden auf dem Client anwendungsspezifische Protokolle aktiviert, welche die Kommunikation mit dem Webserver ermöglichen. Als Beispiel können hier die Webprotokolle http oder https genannt werden.

Ebenso fällt in diese Schicht die Namensvergabe mittels DNS. Diese Protokolle wiederum leiten die Daten an ihre Ports im Layer 4 weiter. Der Client startet nun mit der entsprechenden Portnummer eine Verbindungsanfrage. In den meisten Fällen wird hierfür das verbindungsorientierte TCP genutzt, das ohne Bestätigung des Empfängers keine Daten versendet. Trift diese ein, wird das TCP des Clients das IP-Protokoll im Layer 3 „aktivieren“. Die IP-Adressen des Clients und des Webservers werden nun „angehängt“. Auf der Schicht 2 wird der IP des Senders dessen Hardware-Adresse hinzugefügt. Letztlich gehen die Daten im Layer 1 auf die „Reise“. Über mehrere Router und andere Stationen landen die Frames beim Webserver. Hier beginnt der Durchlauf der Layer von unten nach oben. Im Layer 7 angekommen, werden die vom Anwender eingegebenen Daten schließlich verarbeitet.



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