In der IT taucht der Begriff Layer öfter auf. Die wichtigste Bedeutung findet er im OSI-Modell sowie im 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 dienen die Schichten der Unterscheidung verschiedener Aufgaben und Protokollebenen. Beispielsweise kann ein Netzwerkkabel Daten mittels elektrischer oder optischer Signale übertragen, während ein Webserver für dieselbe Kommunikation Protokolle wie HTTP oder HTTPS benötigt, die sich folgerichtig auf einem deutlich höheren Layer befinden.
7-Schichtenmodell 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 des Internetworkings – also die Interaktion oder den Zusammenschluss von Computernetzwerken – zugeschnitten. Das OSI-Modell beschreibt sieben voneinander abgegrenzte Schichten, während das in der Praxis verwendete TCP/IP-Modell mehrere dieser Aufgaben zusammenfasst.
TCP/IP setzte sich als De-facto-Standard für den Datentransport in Computernetzwerken und im Internet durch. Eine eigene Implementierung aller sieben OSI-Schichten ist dafür nicht notwendig. Dem OSI-Modell wird deshalb häufig ein TCP/IP-Referenzmodell mit vier Schichten gegenübergestellt. Die Zuordnung ist jedoch eine vereinfachte Gegenüberstellung: Reale Protokolle lassen sich nicht in jedem Fall eindeutig nur einer OSI-Schicht zuordnen.
Die Layer 1 und 2 des OSI-Schichtenmodells: Netzzugangsschicht des TCP/IP-Referenzmodells
Die ersten beiden Layer des OSI-Modells entsprechen zusammen ungefähr der ersten Schicht im TCP/IP-Referenzmodell. Layer 1 ist dabei die physikalische Ebene und wird Bitübertragungsschicht genannt. Hier geht es um Kabel, Anschlussdosen, Funkverbindungen, Netzwerkkarten sowie die physikalischen Schnittstellen von Switches und Routern. Die Bits werden dabei beispielsweise mittels elektrischer, optischer oder elektromagnetischer Signale von A nach B transportiert.
Der zweite Layer bildet die Sicherungsschicht. Seine Aufgabe ist es, die Übertragung der Daten sowie die Zugriffe auf das jeweilige Übertragungsmedium – Kabel, Funkwellen und andere Medien – zu organisieren und Übertragungsfehler zu erkennen. Die Datenströme werden zu diesem Zweck im zweiten Layer in Blöcke – häufig auch Frames oder Rahmen genannt – eingeteilt. Prüfsummen dienen der Kontrolle, ob die einzelnen Frames fehlerfrei übertragen wurden. Im Fehlerfall kann ein Frame verworfen werden. Ob und auf welcher Ebene eine erneute Übertragung erfolgt, hängt vom verwendeten Protokoll ab.
Ein weiteres mögliches Feature der Sicherungsschicht ist die Datenflusskontrolle. Je nach eingesetztem Protokoll lässt sich damit steuern, in welcher Geschwindigkeit Datenframes übertragen werden dürfen. Nicht jedes heute gebräuchliche Layer-2-Verfahren setzt eine solche Kontrolle jedoch auf dieselbe Weise um.
Auf Schicht 2 arbeiten Netzwerkkarten, Bridges und klassische Layer-2-Switches sowie die entsprechenden Schnittstellen anderer Netzwerkgeräte. Router treffen ihre eigentlichen Weiterleitungsentscheidungen dagegen auf Layer 3. Der Layer 2 umfasst unter anderem die MAC-Schicht (MAC = Media Access Control). Die Hardware- beziehungsweise MAC-Adressen von Netzwerkschnittstellen gehören in diese Sicherungsschicht. Sie werden zur Zustellung innerhalb eines lokalen Layer-2-Netzes verwendet und nicht über Router hinweg als durchgehende Zieladresse transportiert.
Der Layer 3 des OSI-Schichtenmodells: Internetschicht des TCP/IP-Referenzmodells
Der Layer 3 wird im OSI-Modell Vermittlungsschicht genannt und erhielt im TCP/IP-Referenzmodell die Bezeichnung Internetschicht. Bei leitungsorientierten Diensten beschreibt diese Schicht das Schalten und Verbinden zwischen den Parteien, während sie bei paketorientierten Diensten die Vermittlung der Datenpakete übernimmt.
Dabei werden für die Übertragung der Daten die Grenzen lokaler Netze mittels Knoten beziehungsweise Routinginstanzen – Router und Layer-3-Switches – überbrückt und auf das verfügbare Netzwerk ausgedehnt. Router ermitteln anhand ihrer Routingtabellen den jeweils geeigneten nächsten Knoten auf dem Weg zum Ziel. Die IP-Quell- und Zieladressen eines Pakets bleiben dabei im Normalfall erhalten, während an jedem Übertragungsabschnitt ein neuer Layer-2-Frame mit den dort benötigten MAC-Adressen gebildet wird. Ausnahmen können beispielsweise durch eine Adressübersetzung entstehen. Routingtabellen werden entweder statisch konfiguriert oder mithilfe von Routingprotokollen aktualisiert.
Unter TCP/IP handelt es sich bei dem zentralen Dienst dieser Schicht um das verbindungslose Internet Protocol (IP). Hinzu kommen unterschiedliche Routingprotokolle, mit denen Router Informationen über erreichbare Netze austauschen. Im Layer 3 befinden sich die IP-Adressen. Durch das IP-Protokoll werden diese von Routern genutzt, um Datenpakete zwischen physikalisch oder logisch getrennten Netzwerken und Netzsegmenten zu routen. Die Zuordnung zu konkreten Anwendungen und Diensten erfolgt dagegen erst mithilfe der Transportprotokolle und ihrer Portnummern.
Der Layer 4 des OSI-Schichtenmodells: Transportschicht des TCP/IP-Referenzmodells
Die Hauptaufgabe der 4. Schicht des OSI-Modells, die dort wie auch im TCP/IP-Referenzmodell Transportschicht genannt wird, liegt in der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger auf Ende-zu-Ende-Ebene. Insbesondere die Zuordnung der Daten zu ihren Anwendungen sowie – abhängig vom Protokoll – die Kontrolle von Reihenfolge, Übertragung und Datenfluss spielen hier eine große Rolle.
Im TCP/IP-Modell kommen dafür mehrere Protokolle infrage. Neben dem wichtigen verbindungsorientierten TCP (Transmission Control Protocol) werden unter anderem das verbindungslose UDP (User Datagram Protocol) sowie SCTP (Stream Control Transmission Protocol) eingesetzt. TCP bestätigt Daten und überträgt verlorene Segmente erneut. UDP stellt diese Mechanismen nicht selbst bereit und verursacht dadurch weniger Protokollaufwand.
TLS (Transport Layer Security), das aus SSL (Secure Sockets Layer) hervorgegangen ist, verschlüsselt die Kommunikation oberhalb eines Transportprotokolls. TLS ist daher nicht einfach ein viertes Transportprotokoll neben TCP, UDP und SCTP. Portnummern gehören zu Transportprotokollen wie TCP, UDP und SCTP. Sie haben nichts mit den physikalischen Ports zu tun, die Switches und Router für die Anbindung von Netzwerkkabeln zur Verfügung stellen. Portnummern kennzeichnen logische Kommunikationsendpunkte und ermöglichen die Zuordnung zu bestimmten Diensten. Ein E-Mail-Server nutzt beispielsweise andere Ports als ein Webserver.
Zu den bekanntesten Portnummern gehören TCP-Port 80 für HTTP, TCP-Port 25 für SMTP, TCP-Port 21 für FTP sowie TCP- und UDP-Port 53 für DNS. Die Portnummern 0 bis 1023 werden als Well Known Ports für verbreitete Dienste verwaltet. Der Bereich von 1024 bis 49151 ist für registrierte Ports vorgesehen; darüber liegen dynamische beziehungsweise private Ports. Bekannt ist unter anderem Port 8080 als häufig verwendete Alternative für HTTP, wobei die tatsächliche Verwendung stets von der Konfiguration des jeweiligen Dienstes abhängt.
Die Layer 5 bis 7 des OSI-Schichtenmodells: Anwendungsschicht des TCP/IP-Referenzmodells
Ab dem 5. Layer gilt aus der Sicht des vierstufigen TCP/IP-Modells 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 beschreibt dieser Layer die Steuerung einer Sitzung zwischen Anwendungen auf zwei Endgeräten im Netzwerk. Das RPC-Prinzip (Remote Procedure Call) wird häufig in diesem Zusammenhang eingeordnet. Für einen synchronen und organisierten Austausch der Daten stellt die Sitzungsschicht entsprechende Dienste zur Verfügung.
Ein möglicher Aspekt ist das Setzen von Checkpoints bei der Datenübertragung, die im Falle einer Transferunterbrechung bei der Wiederaufnahme angesteuert werden können. Dadurch muss eine Übertragung nicht zwingend wieder von vorne anfangen. In modernen Protokollstapeln werden solche Aufgaben allerdings häufig direkt durch Anwendungen oder anwendungsnahe Protokolle gelöst.
Der Layer 6 nennt sich Darstellungsschicht und sorgt für eine systemunabhängige Darstellung der Daten. Daten werden in unterschiedlichen Formaten erstellt und verarbeitet. Um den Austausch zwischen verschiedenen Systemen zu ermöglichen, beschreibt Layer 6 unter anderem Aufgaben wie die Umwandlung von Zeichensätzen, Datenformaten, Kompression und Verschlüsselung. In der Praxis sind diese Funktionen oft Bestandteil konkreter Anwendungsprotokolle oder Bibliotheken.
Der siebte Layer ist im OSI-Modell die Anwendungsschicht. Hier werden Netzwerkdienste für einzelne Anwendungen bereitgestellt. Dazu gehören beispielsweise Protokolle wie HTTP, DNS, SMTP oder FTP. Die Anwendungsschicht ist dabei nicht mit der Benutzeroberfläche eines Programms gleichzusetzen. Sie stellt vielmehr die Funktionen bereit, über die Anwendungen Netzwerkkommunikation nutzen.
So laufen die Datenpakete durch die Layer
Das folgende Beispiel dient dem grundsätzlichen Verständnis. Beim Sender laufen die Daten von der Anwendung durch die Schichten nach unten – also vereinfacht von Layer 7 zu Layer 1. Beim Empfänger erfolgt der Weg in umgekehrter Richtung von Layer 1 zu Layer 7. Dieser Vorgang wird als Kapselung und Entkapselung bezeichnet.
Ein Anwender gibt über seinen Browser Daten auf einer Webseite ein. Der Browser erzeugt daraus eine Anfrage auf Anwendungsebene, beispielsweise über HTTP. Bei HTTPS wird die Kommunikation zusätzlich durch TLS geschützt. Die erforderliche IP-Adresse des Zielservers kann zuvor mithilfe von DNS ermittelt werden. DNS und HTTP sind dabei Anwendungsprotokolle und gehören nicht zur Sitzungsschicht.
Die Anwendungsdaten werden an ein Transportprotokoll weitergegeben. Bei klassischem HTTP und HTTPS ist dies in der Regel TCP; andere Webprotokolle können auch auf UDP-basierten Verfahren aufbauen. TCP verwendet Quell- und Zielports und stellt vor der Übertragung eine Verbindung her. Anschließend ergänzt das IP-Protokoll im Layer 3 die IP-Adressen des Clients und des Webservers. Auf Schicht 2 werden die für den nächsten lokalen Übertragungsabschnitt benötigten MAC-Adressen in einem Frame ergänzt. Letztlich werden die Bits im Layer 1 über das jeweilige Medium übertragen.
Auf dem Weg zum Webserver prüfen Router die IP-Zieladresse und leiten das Paket zum nächsten Netz weiter. Für jeden Abschnitt wird der Layer-2-Frame neu gebildet. Beim Webserver beginnt die Verarbeitung von unten nach oben: Signale werden zu Frames, daraus werden IP-Pakete und Transportdaten gewonnen, bis die Anfrage schließlich bei der zuständigen Anwendung ankommt und verarbeitet werden kann.
Für Websites hilft das Schichtenmodell vor allem bei der technischen Fehlersuche. Ist ein Server nicht erreichbar, kann die Ursache beispielsweise bei DNS, Routing, TLS, einer Firewall, dem Webserver oder der Anwendung liegen. Für die Suchmaschinenoptimierung ist diese Unterscheidung relevant, wenn technische Probleme den Abruf einer Website durch Suchmaschinen verhindern.
Zusammenfassung
In der Informationstechnologie sind Layer oder Schichten Bestandteil von Netzwerkmodellen wie dem OSI-Modell und dem TCP/IP-Referenzmodell. Diese Modelle dienen dazu, die Kommunikation in Netzwerken zu strukturieren und zu erklären. Im OSI-Modell gibt es sieben Schichten, von der physischen Übertragung der Daten bis hin zu Netzwerkdiensten für Anwendungen. Das TCP/IP-Modell hingegen arbeitet üblicherweise mit vier Schichten und bildet die Grundlage der heutigen Internetkommunikation.
Die ersten beiden Layer im OSI-Modell sind für die physische Übertragung sowie die Bildung und lokale Übermittlung von Frames verantwortlich. Sie entsprechen ungefähr der Netzzugangsschicht im TCP/IP-Referenzmodell. Ab dem dritten Layer beginnen Funktionen wie die IP-Adressierung und das Routing zwischen Netzwerken, die im OSI-Modell als Vermittlungsschicht und im TCP/IP-Modell als Internetschicht bezeichnet werden.
Die Transportschicht oder der Layer 4 organisiert den Datenaustausch zwischen Kommunikationsendpunkten und setzt Protokolle wie TCP, UDP und SCTP ein. In dieser Schicht kommen Portnummern zum Einsatz, die Daten den jeweiligen Diensten und Anwendungen zuordnen.
Die oberen Layer im OSI-Modell, von Layer 5 bis 7, kümmern sich um Sitzungen, Datendarstellung und anwendungsbezogene Netzwerkdienste, während sie im TCP/IP-Modell zu einer Anwendungsschicht zusammengefasst sind. In realen Implementierungen sind die Grenzen zwischen diesen Aufgaben nicht immer so eindeutig wie im theoretischen Modell.
In der Praxis durchlaufen Daten beim Sender die verschiedenen Layer von oben nach unten und beim Empfänger von unten nach oben. Jede Schicht fügt ihren spezifischen Beitrag zur Gesamtkommunikation hinzu, von der Anwendung über Transport und Routing bis zur physischen Übertragung.
Häufige Fragen und Antworten
Im Kontext von SEO meint der Begriff Layer in der Regel weiterhin eine Schicht des OSI-Modells oder des TCP/IP-Referenzmodells. Die Modelle helfen dabei, technische Probleme beim Abruf einer Website einzugrenzen. So lassen sich Störungen der physischen Verbindung, des Routings, der Transportverbindung und der Anwendung voneinander unterscheiden. Layer sind jedoch weder eine eigenständige SEO-Methode noch direkte Rankingfaktoren.
Im OSI-Modell gibt es sieben Layer, während das TCP/IP-Referenzmodell üblicherweise mit vier Schichten arbeitet. Die ersten beiden OSI-Layer entsprechen ungefähr der Netzzugangsschicht. Layer 3 übernimmt IP-Adressierung und Routing und wird im TCP/IP-Modell als Internetschicht eingeordnet. Die Transportschicht organisiert mit Protokollen wie TCP oder UDP die Kommunikation zwischen Endpunkten. Die OSI-Layer 5 bis 7 werden im TCP/IP-Modell in der Anwendungsschicht zusammengefasst. Diese Zuordnung dient der Orientierung und bildet nicht jedes reale Protokoll vollständig ab.
Layer sind für die Suchmaschinenoptimierung vor allem bei der Analyse technischer Erreichbarkeitsprobleme relevant. Fehler bei DNS, IP-Routing, TCP-Verbindungen, TLS oder der Webserver-Anwendung können dazu führen, dass Nutzer und Suchmaschinen eine Website nicht zuverlässig abrufen können. Für eine gezielte Prüfung muss deshalb zunächst festgestellt werden, auf welcher technischen Ebene das Problem entsteht. Ein allgemeines Verständnis aller Netzwerkdetails ist für normale redaktionelle SEO-Aufgaben dagegen nicht erforderlich.
