Entwicklung eines eLearning Bausteins für das Thema OSI-Referenz-Modell

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Fallstudienarbeit
Hochschule:	Hochschule für Oekonomie & Management
Standort:	Essen
Studiengang:	Bachelor Wirtschaftsinformatik
Veranstaltung:	Fallstudie / Wissenschaftliches Arbeiten
Betreuer:	Prof._Dr._Uwe_Kern
Typ:	Fallstudienarbeit
Themengebiet:	Entwicklung von eLearning Bausteinen
Autor(en):	Christian Scholz, Alexander Theodor
Studienzeitmodell:	Abendstudium
Semesterbezeichnung:	WS10
Studiensemester:	2
Bearbeitungsstatus:	begutachtet
Prüfungstermin:
Abgabetermin:

Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Geschichte 1.2 Grundprinzip 2 Schichten 2.1 Application Layer (deut.: Anwendungsschicht) 2.2 Presentation Layer (deut.: Dastellungsschicht) 2.3 Session Layer (deut.: Sitzungsschicht) 2.4 Transport Layer (deut.: Transportschicht) 2.4.1 verbindungslose Protokolle 2.4.2 verbindungsorientierte Protokolle 2.4.3 Ports und Sockets 2.4.4 Multiplexing/Demultiplexing 2.4.5 Segmentierung 2.4.6 Datenflusskontrolle 2.5 Network Layer (deut.: Vermittlungsschicht) 2.6 Data Link Layer (deut.: Datensicherungsschicht)[1] 2.6.1 LLC Layer 2.6.2 MAC Layer 2.6.3 ARP 2.6.4 CSMA/CD 2.6.5 CSMA/CA 2.6.6 MTU (maximum transmission unit) 2.6.7 CRC 2.7 Physical Layer (deut.: Bitübertragungschicht) 2.7.1 Übertragungsarten 2.7.1.1 Leitungsgebundene Übertragungsmedien 2.7.1.1.1 Metallische Leiter 2.7.1.1.2 Optische Fasern (Glasfaser) 2.7.1.2 Leitungsungebundene Übertragungsmedien 3 Ablauf der Datenübermittlung im OSI-Referenzmodell 4 Fazit 5 Glossar 6 Abkürzungsverzeichnis 7 Abbildungsverzeichnis 8 Fußnoten 9 Literaturverzeichnis

1 Einführung

1.1 Geschichte

Das Sieben-Schichten-Modell, "ISO Reference mode of Open System Interconnection", wurde in den 80iger Jahren von der International Organisation for Standardization (ISO) entwickelt, um den Ablauf eines Protokolls in einem Netzwerk zu beschreiben. Das Reference model of Open System Interconnection ist heute unter dem Namen ISO/OSI-Referenzmodell bzw. ISO-Schichtenmodell bekannt.

1.2 Grundprinzip

Das ISO/OSI-Referenz-Modell ist ein architektonisches Modell und wird zur Beschreibung von Kommunikationssystemen verwendet. Durch die funktionelle Zerlegung der Kommunikationsprozesse ist das ISO/OSI-Referenzmodell nicht an bestimmte Technologien oder Protokolle gebunden. Dieses Referenz-Modell ist ausschließlich anwendungs- und funktionsorientiert. Protokolle, die für die Kommunikation zwischen den Systemen verwendet werden, werden nicht von OSI oder ISO festgelegt, sondern von entsprechenden Gremien (IEEE, ITU-T u.v.a). Das ISO/OSI Referenz-Modell geht von drei verschiedenen Prinzipien aus:

• Schichtung von Funktionen, die für die Kommunikation notwendig sind
• Dienstleistung der einzelnen Schichten
• Protokolle zur Kommunikation zwischen Instanzen gleicher Ebenen des Modells^[1]

2 Schichten

2.1 Application Layer (deut.: Anwendungsschicht)

Anders als der Name vielleicht vermuten lässt, befinden sich auf dieser Schicht nicht die Anwendungsprogramme des Benutzers, sondern Prozesse bzw. das Betriebssystem, die die Transportschicht nutzen, um Daten über das Netzwerkmedium zu übertragen. Protkolle der Anwendungsschicht können z.B. sein:

• HTTP (hyper text transfer protocol)
• SMTP (simple mail transfer protocol)
• FTP (file transfer protocol)

Mit diesen Protokollen werden die meisten Benutzer schon in Berührung gekommen sein. Es gibt jedoch noch einige mehr, mit denen eher Systemadministratoren Kontakt haben:

• DNS (domain name system)
• OSPF (open shortest path first)
• WINS (windows internet naming service)

Einige Protokolle arbeiten, ohne dass man es vielleicht weiß. OSPF ist für die Routeberechnung innerhalb eines Netzwerkes zuständig und es verrichtet seine Arbeit meist, ohne dass jemand etwas davon mitbekommt. Ein Beispiel für einen betriebssystemeigenen Dienst wäre der "Windows Client für Microsoft Netzwerke" ^[2]

2.2 Presentation Layer (deut.: Dastellungsschicht)

Der Presentation Layer ist für die De-/Kodierung der Daten zuständig. Er sorgt dafür, dass die Anwendungsdaten vom Empfänger genau so verstanden werden können, wie die sendende Anwendung diese verschickt hat. Dies umfasst neben der Aufbereitung der Daten die von tieferen Schichten empfangenen Anwendungsdaten in ein Format, das die jeweilige Anwendung versteht. Des Weiteren ist der Presentation Layer für die De-/Kompression sowie Ver-/Entschlüsselung der Daten zuständig.^[3]

Bei der FTP-Übertragung hat der Benutzer z.B. die Wahl zwischen der ASCII-(American Standard Code for Information Interchange) oder Binär-Übertragung. Während bei der Binär-Übertragung die Daten so wie sie sind übertragen werden, müssen bei der Ascii-Übertragung die Daten vom Sender erst in ASCII-Zeichen konvertiert werden. Der Empfänger muss sie anschließend wieder in Binär-Daten überführen. Diese Konvertierung erfolgt durch die Darstellungsschicht.^{[4] [5]}

Kommuniziert z.B. ein PC, der meist die ASCII-Kodierung verwendet, mit einem Mainframe, meist EBCDIC(extended binary-coded decimal interchange code), müssen die Daten von ASCII nach EBCDIC und umgekehrt konvertiert werden.

2.3 Session Layer (deut.: Sitzungsschicht)

Der Session Layer ist für das Herstellen, Verwalten und Synchronisieren von Sessions zwischen Prozessen zuständig. Mit seiner Hilfe können Dienste identifiziert, Verbindungen initiiert, wiederaufgebaut sowie beendet werden. Er kontrolliert die Übertragung von Daten zwischen den Anwendungen mittels einer Token Verwaltung sowie Check-Points und steuert, ob die Übertragung im Simpex-, Half-Duplex- oder Full-Duplex-Mode erfolgt.

• Token Verwaltung

Für einige Protokolle ist es erforderlich, dass nicht auf beiden Seiten einer Kommunikation dieselbe Aktion zur gleichen Zeit ausgeführt wird. Um dies sicherzustellen, bietet die Sitzungsschicht eine Tokenverwaltung an, durch die dieser Zustand verhindert werden kann.^[6]

• Check Points

Check-Points sind Markierungen, die die Sitzungsschicht in die Übertragung einsetzt, um im Falle eines Fehlers die Übertragung nur vom letzten Check-Point wiederholen zu müssen. Die Check-Points sind anhand ihrer Sequenznummern eindeutig identifizierbar. ^[7]

• simplex

Bei der Simplex-Übertragung ist es lediglich einem Host erlaubt, Daten zu senden. Alle anderen Hosts, die an der Übertragung beteiligt sind, dürfen lediglich Daten empfangen. Ein Broadcast ist ein gutes Beispiel für den Simplex-Mode.

• half duplex

Beim Half-Duplex-Mode dürfen beide Hosts senden und empfangen, jedoch darf immer nur ein Host zu gleichen Zeit Daten versenden.

• full duplex

Der Full-Duplex-Mode ist der Modus, in dem beide Hosts simultan Daten senden und empfangen dürfen. ^[8]

2.4 Transport Layer (deut.: Transportschicht)

Der Transport Layer ist für die Art der Übertragung zwischen zwei Hosts entscheidend. Er stellt die verschiedenen Protokolle wie z.B. TCP (transmission control protocol), UDP (user datagram protocol) und einige mehr zur Datenübertragung zur Verfügung, ebenso die Möglichkeit des Multiplexings/Demultiplexings oder der Datenflusskontrolle, die von den Anwendungen mittels Sockets oder Ports, je nach Einsatzzweck, genutzt werden können. Er teilt die ausgehenden Daten dem Protokoll entsprechend in Segmente auf und versieht diese mit eindeutigen Sequenznummern. Ebenso werden die eingehenden Daten hier auf Vollständigkeit geprüft. Multiplexing/Demultiplexing bezeichnet die Möglichkeit, mehrere Datenströme parallel zu übertragen, was den Datendurchsatz erhöht. Jedoch ist nicht jede Verbindung dazu geeignet, den theoretisch maximalsten Datendurchsatz fehlerfrei zu gewährleisten. Um eine zu hohe Zahl fehlerhafter Pakete während einer Übertragung zu vermeiden, kann der Transport Layer mittels der Datenflusskontrolle den Datendurchsatz regulieren.

Die im Transport Layer implementierten Protokolle lassen sich in die Gruppe der verbindungslosen und verbindungsorientierten Protokolle einteilen.

2.4.1 verbindungslose Protokolle

Bei den verbindungslosen Protokollen wie UDP werden die Pakete vom sendenden Host übertragen, ohne dass dieser prüft, ob die Pakete alle korrekt beim Empfänger angekommen sind. Es werden also keine Statusinformationen über den Datenaustausch übermittelt. Aufgrund dieser Art der Übertragung besitzen z.B. die UDP-Pakete relativ wenig Datenfelder, was zu einem sehr geringen Overhead führt. Das UDP-Protokoll bietet sich demnach für Query-Response-Kommunikation wie z.B. DNS-Abfragen an. Erhält ein Host auf eine DNS Anfrage keine Antwort, so stellt er diese nach einer gewissen Zeit einfach erneut. Nachfolgend ist der Aufbau eines UDP-Paketes dargestellt.^{[9] [10] [11]}

2.4.2 verbindungsorientierte Protokolle

Bei verbindungsorientierten Protokollen wie dem TCP werden während einer Übertragung laufend Statusinformationen übermittelt. Jedes übertragende Datenpaket wird vom empfangenden Host mittels ACK (acknowledgement) bestätigt. Wird ein übertragenes Datenpaket nicht bestätigt, so wird dieses so oft erneut gesendet, bis der Empfang quittiert oder die Verbindung aufgrund eines Timeouts abgebrochen wurde. Zur Initialisierung einer TCP-Verbindung erfolgt ein Drei-Wege-Handshake, durch den sich die Hosts signalisieren, dass sie übertragungsbereit sind.

2.4.3 Ports und Sockets

Anhand von Ports, die durch eine eindeutige Nummer gekennzeichnet sind, haben Anwendungen die Möglichkeit, andere Anwendungen oder Dienste indirekt zu adressieren. Insgesamt gibt es 2^16 verschiedene Portnummern. Der Bereich von 1-1024 ist durch die IANN für die wichtigsten Dienste reserviert, wie z.B.:

• FTP - File Transfer Protocol (21,22)
• SMTP - Simple Mail Transfer Protocol (25)
• HTTP - Hypertext Transfer Protocol (80)
• HTTPS Hypertext Transfer Protocol Secure (443)

Alle Ports größer als 1024 können jedoch beliebig gewählt werden. Welche Anwendung welche(n) Ports(s) belegt, wird bei der Progammierung entschieden. Ports sind also der Kommunikationskanal zwischen der Transportschicht und der entsprechenden Anwendung.^[12]

Ein Socket ist das Verbindungsstück zwischen einem Port und der entsprechenden Applikation. Ein Port kann auf ein oder mehrere Sockets zeigen bzw. zugreifen, welcher die Daten dann an die entsprechende Anwendung übergibt. Die Kommunikation über Sockets ist ähnlich eines Streams.

Abhängig vom Protokoll, TCP oder UDP, werden verschiedene Kommunikationsarten für den Socket benutzt. Die TCP-Socket Kommunikation ist eine Stream-Kommunikation, die über einen Zeichen-Datenstrom erfolgt. UDP-Sockets sind datagram sockets. Sie nutzen Befehle zu Kommunikation.^[13]

2.4.4 Multiplexing/Demultiplexing

Multiplexing bezeichnet die Möglichkeit, mehrere Datenströme zu einem zusammenzufassen während Demultiplexing einen Datenstrom in mehrere aufzuteilt. Ein Beispiel für Multiplexing ist, wenn sich sich mehrere Clients über die IP-Adresse (Internet Protocol) und dem Port mit einer bestimmten Applikation verbinden. Demultiplexing ist, wenn mehrere eingehende Datenströme innerhalb des Servers mittels Socket gebündelt zur Applikation gelangen.^[14]

2.4.5 Segmentierung

Die zu übertragenden Anwendungsdaten sind i.d.R. größer als die Größe eines Datenpaketes. Die Aufteilung und Verteilung von Sequenznummern, zur Idenfizieriung der Reihenfolge, erfolgt ebenfalls durch den Transport Layer.

2.4.6 Datenflusskontrolle

Mittels der Datenflusskontrolle wird die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen zwei Hosts reguliert. Hierdurch wird sichergestellt, dass nicht mehr Daten versendet werden als der empfangende Host bereit ist zu empfangen, da sonst ein zu großer Paketverlust auftreten würde. ^[15]

Der Transport Layer ist der erste Layer im ISO/OSI Modell, der in den verschiedenen Betriebssystemen unterschiedlich implementiert wurde.^[16]

2.5 Network Layer (deut.: Vermittlungsschicht)

Die wesentliche Hauptaufgabe des Network Layers liegt darin, die Pakete möglichst auf direktem Weg im Netzwerk dem richtigen Zielgerät zukommen zu lassen sowie die dafür notwendige Route zu ermitteln. Um diese Aufgabe zu bewältigen, werden die Daten in kleinere händelbare Segmenten unterteilt und durchnummeriert. Zur Diese Datensegmente, auch PDU (Protocol Data Unit) genannt, werden dem Network Layer vom darüber liegenden Transport Layer übermittelt. Anschließend werden die Datensegmente vom Network Layer um Protokolle, Adressangaben und weitere Informationen erweitert, damit der richtige Zielhost im Netzwerk erreicht wird.^[17]

2.6 Data Link Layer (deut.: Datensicherungsschicht)[1]

Der Data Link Layer lässt sich in zwei Unterlayer aufteilen. Den LLC-Layer (logical link control) dient dabei der Fehlerkorrektur sowie Flusskontrolle der zu übertragenden Daten. Der MAC-Layer (medium access control) hingegen regelt den Zugriff auf das Übertragungsmedium. Die zu übertragenden Daten erhalten auf der Ebene des Data Link Layers die MAC-Adresse des Senders und Empfängers, was den anderen Schichten überhaupt erst ermöglicht, IP-Adressen oder URLs (Uniform Resource Locator) zur Adressierung zu benutzen.

2.6.1 LLC Layer

Der LLC Layer ist der obere Layer innerhalb des Data Link Layers, der im Gegensatz zum MAC-Layer für alle IEEE 802 LANs identisch ist. Der Frame der durch den LLC-Layer um die Daten gelegt wird, nennt sich LPDU (LLC protocol data unit). Er enthält Informationen über den SSAP (source service access point) sowie DSAP (destination service access point), die es erlauben, die Daten in einem Netzwerk mit mehreren Protokoll Layern den richtigen Layern zuzuordnen. Beide Datenfelder sind jeweils 8-bit groß.^[18] Für größere Übertragungen wird häufig auch das HDLC (high level data link control) Protokoll genutzt, welches eine Abwandlung des LLC-Protokolls ist. ^[19]

Der SSAP sowie DSAP sind selbst in ein 1 Bit Feld und ein 7 Bit Feld aufgeteilt. Beim SSAP zeigt das erste Bit an, ob es sich um eine command oder response Information handelt. Die letzten 7 Bit beinhalten die eindeutige Adresse des Senders. Beim DSAP wird das 1 Bit "address type designation bit" genannt und gibt an, ob die nachfolgenden 7 Bit für eine eindeutige Adresse oder eine Gruppenadresse stehen. Im ersten Fall steht das Bit auf 0, für eine Gruppenadresse dementsprechend auf 1.

2.6.2 MAC Layer

Der zweite Layer des Data Link Layers ist der MAC-Layer. Er stellt sicher, dass die Geräte auf die physikalische Schicht Zugriff erhalten, um Daten übermitteln zu können. Damit Geräte erkennen können, welche Daten für sie bestimmt sind, besitzt jedes Gerät eine eindeutige MAC Adresse. Diese besteht im Falle des Ethernets aus sechs Bytes, die überlicherweise in der Hexadezimalschreibweise geschrieben werden. Beispiel: 08-00-27-00-FC-8E. Anhand dieser Adresse ist es möglich, die Daten eindeutig einem Empfänger zuzuordnen. Möchte eine Anwendung nun Daten über das Netzwerk übermitteln, wird auf der Ebene des Data Link Layers die MSDU (mac service data unit) um die MAC Adresse des Senders erweitert. Verlassen die Daten den sendenden Host, so wird die eigene MAC durch die des Empfängers ersetzt. Somit weiß der Ziel-Host, dass die Daten für ihn bestimmt sind. Die Zuordnung von MAC-Adressen zu IP-Adressen erfolgt am Beispiel des Ethernets mittels ARP (adress resolution protocol). ^[20]

2.6.3 ARP

Das ARP dient dazu, die korrespondierenden Netzwerk-Adressen für eine Übertragung zu ermitteln. Dies erfolgt über sogenannte ARP-Pakete, die ein Client versendet, um die MAC Adresse des Zielpartners zu erfahren.

Würden zwei Hosts zeitgleich Daten über das Netzwerk übertragen, würde es zu einer Kollision kommen und die von beiden Hosts gesendetem Daten wären nicht mehr brauchbar. Um solche Fehlerfälle zu vermeiden, gibt es zwei Verfahren, die von der MAC Schicht genutzt werden können: CSMA/CD (carrier sense multiple access/collision detection) sowie CSMA/CA (carrier sense multiple access/collision avoidance).

Die Basis des CSMA/CD (Ethernet) und CSMA/CA (LocalTalk) Verfahrens sind sich sehr ähnlich. Beide versuchen, mehreren Clients den Zugriff (multiple access) auf das Netzwerkmedium zu ermöglichen, indem der Client vor dem Versand seiner Daten prüft, ob bereits ein anderer Teilnehmer Daten überträgt (carrier sensed). Lediglich der Punkt der Kollisionsbetrachtung ist unterschiedlich.

2.6.4 CSMA/CD

Carrier Sense Eine Station, die Daten über das Netzwerkmedium übertragen möchte, muss vor dem Versand prüfen, ob das Medium belegt ist (carrier sended). Ist dies der Fall, so wartet die Station die für das Medium definierte IFG (InterFrame Gap) Zeit ab. Die IFG ist 12byte groß, was abhängig von der Ethernet Geschwindigkeit unterschiedliche Wartezeiten bedeutet. Da in einem 10Mbps-Ethernet 1 bit in 100 ns übertragen (bit time) wird, werden die 12 Byte in 9.6µs übertragen. In einem 100Mbps-Ethernet ist das ganze dementsprechend um den Faktor 10 kleiner.

Multiple Access Wurde das Netzwerkmedium als frei eingestuft, kann eine Station mit ihrer Übertragung beginnen. Haben jedoch zwei Stationen die Prüfung des Netzwerkmediums zur gleichen Zeit vorgenommen, kann es passieren, dass beide zu dem Ergebnis kommen, das Medium sei für eine Übertragung bereit, und so jede Station mit der Übertragung beginnt. Dies führt jedoch zu einer Überlagerung beider Signale, was als "collision" bezeichnet wird.

Collision Detection Das Erkennen einer Kollision ist für die Stationen möglich, da sie das eingespeiste Signal mit dem vergleichen können, das gerade auf dem Netzwerkmedium anliegt. Sind beide Signale identisch, fand keine Kollision statt. In einem Ethernet-Netzwerk wird jede Kollision innerhalb der ersten 512 Bits (64 Byte) erkannt. Die Zeit die es dauert, 512 Bits zu übertragen, wird "Slot Time" genannt und ist wiederum von der Ethernet Geschwindigkeit abhängig. Wurde bei einer Übertragung jedoch eine Kollision erkannt, wird diese wie folgt gehandhabt:

• Jam Sequence

Die sendende Station, die die Kollision erkannt hat, sendet ein 32bit Signal, was als jam sequence bezeichnet wird. Dies ist notwendig, da die Überlagerung eines Ethernet Signals zum Beispiel von Repeatern nicht weitergegeben wird. Es muss also sichergestellt werden, dass die Stationen, zwischen denen eine Kollision stattfand, auch beide von dieser erfahren. Ethernet Stationen haben jedoch nur zwei Möglichkeiten, fehlerhafte Übertragungen über z.B. Repeater hinweg zu erkennen. Dies sind "short-frame" Pakete, die zu kurz sind, sowie CRC (Cyclic redundancy check) Fehler, die auf ein fehlerhaft übertragenes Byte hindeuten. Die Jam Sequence nutzt die Short-Frame-Variante, um eine Kollision kenntlich zu machen. ^[21] Kollisionen, die z.B. von einem Repeater erkannt werden, nennt man "local collision", da diese im eigenen Netzwerksegment stattgefunden haben. "remote collision" sind dementsprechend Kollisionen in einem andere Netzwerksegment. ^[22]

• Truncated Binary Exponential Backoff

Nach einer erkannten Kollision wird eine Zufallszahl zwischen 0 und 1 generiert und mit 512 Bit Zeiteinheiten multipliziert. Nach dieser so errechneten Wartezeit beginnt jede Station erneut mit der Übertragung. Sollten zwei Stationen jedoch zufällig den gleichen Wert als Wartezeit errechnet haben, würde es zu einer erneuten Kollision kommen. In diesem Fall wird der Bereich der Zufallszahl vor der nächsten Berechnung exponential vergrößert. Zu beachten ist hierbei das binäre exponentiale Wachstum von einem Bit (0 oder 1) zu zwei Bits (00, 01, 10, 11) zu drei Bits (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Nach der maximalen exponentiellen Erweiterung auf 10 wird nach 16 fehlerhaften Übermittlungsversuchen die Übermittlung abgebrochen. Durch diese Berechnung der Wartezeit wird erreicht, dass je mehr Kollisionen auftreten, die Wartezeit zwischen den nächsten Übermittlungsversuchen immer größer wird, sowie die Wahrscheinlichkeit pro Kollision sinkt, dass der nächste Zustellungsversuch zeitlich erneut mit einer vorhandenen Station übereinstimmt. ^[23]

2.6.5 CSMA/CA

Der entscheidende Unterschied von CSMA/CA zu CSMA/CD ist, dass beim CSMA/CA ein Client, ein Paket an alle anderen Stationen verschickt, sobald er das Netzwerkmedium belegen möchte. Dies soll verhindern, dass zwei Clients gleichzeitig das Netzwerkmedium in Anspruch nehmen. Ursprünglich wurde CSMA/CA nur über LocalTalk-Netzwerke von Apple betrieben. Spätere Implementierung erlaubten auch den Betrieb über Ethernet-Netzwerke (EtherTalk) oder TokenRing (TokenTalk).

2.6.6 MTU (maximum transmission unit)

MTU definiert die maximale Länge eines TCP/IP Paketes. Die MTU Standardgröße für Ethernet-Schnittstellen ist 1500 Byte, kann jedoch je Schnittstelle (Netzwerkkarte, Modem, etc.) abweichen. Router können Datenpakete nur dann weiterleiten, wenn diese max. den am Router definierten MTU Wert haben. Sind sie größer, werden die Pakete in kleinere aufgeteilt, also fragmentiert.

Beim Versand von IP Paketen kann jedoch auch ein DF (dont fragment) Bit gesetzt werden, was verhindert, dass die Pakete bei einem kleineren MTU Wert nicht fragmentiert werden. Dies hat jedoch zu Folge, dass die Pakete i.d.R. verworfen werden. Der Absender erhält darauf die ICMP unrechable (Internet Control Message Protocol) Mitteilung.

Ein Host hat jedoch auch die Möglichkeit, den MTU-Wert automatisch an die Gegebenheiten anzupassen. Dazu erfolgt ein "path MTU discovery", bei dem der Host den mindestens MTU-Wert entlang seiner Route zum Ziel zu ermitteln versucht. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass dies durch Router verweigert werden kann.^[24]

2.6.7 CRC

CRC ist ein mathematisches Verfahren, mit dem aus allen vorhandenen Feldern eines Frames eine 4-byte Zahl errechnet wird, die sogenannte FCS (frame check sequence). Diese wird dem zu übertragenden Frame angehängt. Der Empfänger kann nun nach der gleichen Methode eine neue Prüfsumme für die gleichen Felder errechnen. Stimmt diese mit der im Frame befindlichen FCS überein, ist das Paket ohne Bitfehler übertragen worden.^[25]

2.7 Physical Layer (deut.: Bitübertragungschicht)

Der Physical Layer oder auch Bitübertragungsschicht, ist die unterste Ebene des ISO/OSI Referenzmodells. Er stellt eine ungesicherte Verbindung zwischen zwei OSI-Systemen für die Übertragung von Bits zur Verfügung. Die Übertragungsmedien, die auf dieser Schicht verwendet werden, sind Koaxialkabel, Funkverbindungen oder Lichtwellenleiter^[26]. Diese Medien dienen der Übertragung von einzelnen Bits. Damit die Informationen zum Empfänger gelangen, ist das Umsetzen von Bits in Signale notwendig. Dieses Umsetzen wird auch als Kanalcodierung bezeichnet. Signale können in verschiedene Signalklassen unterteilt werden. Hierbei ist zu unterscheiden, ob die Zeit- und/oder Signalachse kontinuierlich oder diskret ist:

Bei der Bitübertragung werden vor allem komplett kontinuierliche (analoge) und komplett diskrete (digitale) Signale verwendet. Analoge Signale lassen sich eindeutig durch Amplitude (Höhe des Signalpegels), Frequenz (Anzahl der Phasenumkehrungen pro Zeiteinheit) und Phasenlage (Lage des Signals auf der Zeit-Achse) charakterisieren. Digitale Signale besitzen dagegen eine Schrittdauer (=Takt, Signalschritte pro Zeit in Baud) und eine Wertigkeit (Anzahl der diskreten Amplitudenstufen). Daraus ergeben sich die beiden Geschwindigkeitsmaße für eine Datenübertragung: Schrittgeschwindigkeit vS (Anzahl der Schritte pro Zeiteinheit in Baud (Bd)) und die Übertragungsgeschwindigkeit vÜ (Anzahl der pro Zeiteinheit übertragenen Bits in Bit/s)".^[27]. Charakteristische Eigenschaften der Schicht 1 sind: mechanische (Pin-Gestaltung und Konfiguration) sowie physikalisch (elektrische, elektromagnetische, optische).

2.7.1 Übertragungsarten

Um Signale über einen Kanal zum Empfänger zu übermitteln, werden verschiedene Übertragungsmedien genutzt. Zum einen können leitungsgebundene-/ sowie leitungsungebundene Übertragungmedien verwendet werden. ^[28]

2.7.1.1 Leitungsgebundene Übertragungsmedien

Bei den leitungsgebundenen Übertragungsmedien werden die Signale über ein physisches Medium zum Empfänger übermittelt. Die leitungsgebundenen Übertragungsmedien werden für kurze sowie für weitere Entfernungen, der Streckenverbindung, verwendet. Für die kürzeren Strecken werden die sogenannten metallischen Leiter und für längeren Strecken die optischen Fasern benutzt.

2.7.1.1.1 Metallische Leiter

Metallische Leiter sind die physikalischen Komponenten, die mit Hilfe von elektrischen Schwingungen die Daten über die gegebene Infrastruktur zum Empfänger übermitteln. Diese Leiter bestehen in der Regel aus Adern, die wiederum aus einem metallischen Anteil mit einem kreisförmigen Querschnitt und einer Isolations-Ummantelung bestehen^[29]. In der Netzwerktechnik gehören Koaxialkabel, Twisted-Pair-Kabel zu den gängigsten metallischen Leitern.

• Koaxialkabel (unsymmetrisches Kabel)

Das Koaxialkabel ist ein unsymmetrisches Kabel, das weitverbreitet in der Netzwerktechnik vorhanden war. Drei wesentliche Merkmale werden bei dieser Art des Kabels unterschieden: Das 50-Ohm-Koaxialkabel nach dem IEEE 802.3- Standard für 10Base2- und 10Base5 Verbindungen, das 75 Ohm-Koaxialkabel nach dem IEEE 802.7-Standard für Breitbandnetze und das 93-Ohm Koaxialkable für IBM-Terminal-Verbindungen.^[30]

• Twisted-Pair-Kabel (symmetrisches)

Das Twisted-Pair-Kabel ist ein symmetrisches Kupferkabel, besteht aus zwei gegeneinander gedrillten Adern und wird in der Netzwerktechnik verwendet. Diese Art des Kabels gibt es in geschirmter und ungeschirmter Ausführung als STP-Kabel (Shilded-Twisted-Pair) sowie UTP-Kabel (Unshilded-Twisted-Pair). Sowohl die Varianten S/STP (Screened/STP) als auch S/UTP (Screenend/UTP) und FTP (Foiled Twisted Pair)sind möglich.^[31]

2.7.1.1.2 Optische Fasern (Glasfaser)

Optische Fasern sind leitungsgebundene Übertragungsmedien, die mittels Lichtimpulsen Informationen übermitteln. Diese Fasern werden aus dem empfindlichen Quarzglas hergestellt und sind gegenüber elektromagnetischer Beeinflussungen unempfindlicher. Sie werden in zwei Kategorien eigenteilt: in Monomode und Multimode, die sich weiter in zwei Verfahren unterteilen lässt: einmal in das Stufenprofil und Gradientenprofil.^[32]

• Monomodefasern

Bei diesem Medium wird durch den reduzierten Kerndurchmesser des optischen Leiters die Übertragung nur einwellig (Monomode) übermittelt. Das bedeutet, das es während der Übermittlung im Mantel des optischen Leisters, zu keiner Reflektion der Lichtimpulse kommt. Eingesetzt werden diese Lichtwellenleiterart bei der Verkablung von langen Strecken, die eine hohe Übertragunggeschwindkeit (bis zu Terabit/s) benötigen.^[33]

• Multimodefasern

Bei diesem Medium werden zur Signalübertragung mehrere Wellen (Moden) verwendet. Das bedeutet, dass die Übertragung der Signale durch Reflektion am äußeren Rand des Kabels (Mantel) übermittelt werden. Man unterscheidet zwischen zwei Verfahren: das sogenannte Stufenprofil und das Gradientprofil. Beim Stufenprofil werden ab einem gewissen Einfallswinkel die einfallenden Lichtimpulse im optischen Leiter reflektiert. Bei dem Gradientenprofil ensteht eine zunehmende Reflektion. Das bedeutet, je weiter sich die Lichtimpulse vom Leitermittelpunkt bewegen, desto höher ist die Reflektion. Diese zunehmende Reflektion führt zu einer Art von Bündelung der Lichtübertragung. Das Einsatzgebiet von Multimodefaser liegt in der Verkabelung von kürzeren Strecken. Vorteil dieser Verkabelung ist die hohe Übertragungsgeschwindigkeit.^[34]

2.7.1.2 Leitungsungebundene Übertragungsmedien

Die zweite Art der Übertragung ist die leitungsungebundene Übertragung, bei der sich in der Regel elektromagnetische Wellen ohne ein physisches Element ausbreiten. Die leitungsungebundenen Übertragungsmedien oder auch Drahtloseübertragun genenannt, bekommen immer mehr Bedeutung, da mit ihnen eine meist unkomplizierte Installation und eine Kosteneinsparung möglich sind.

3 Ablauf der Datenübermittlung im OSI-Referenzmodell

Die Kommunikation anhand des ISO/OSI-Referenz-Modells erfolgt von einem Device beginnend auf der siebten Schicht herunter bis zur ersten. Dort werden die Daten über das Netzwerk zum Zielhost übertragen, wo die Daten anschließend in umgekehrter Reihenfolge die Schichten des Modells erneut durchlaufen.

4 Fazit

Das ISO/OSI-Referenz-Modell ist ein Modell, dass im Gegensatz zum TCP/IP Modell eher theoretisch orientiert ist. Durch die theoretische Gestaltung ermöglicht es aber ein gutes Verständnis über den Kommunikationsablauf. Die Einteilung in die 7 Schichten, sollte jedoch nicht zu starr gesehen werden. Das TCP/IP Modell hat insgesamt nur 5 Schichten, da es Teile die oberen Schichten aus dem ISO/OSI Modell zu einer zusammenfasst. In der Praxis wird diesem sehr Theoretischen Modell jedoch nicht so viel Aufmerksamkeit zuteil, da hier eher die pragmatischen Systeme im Vordergrund stehen.

5 Glossar

Abkürzung	Begriff
IEEE	IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ist eine weltweit gemeinützige, technische Beruforganistation in dem Bereich Telekommunikation und Informatik. Es bildet Gremien für die Standardisierung von Techniken, Hardware und Software.
HTTP	HTTP (Hypertext Transfer Protocol) ist ein Protokoll um Daten über ein Netzwerk zu versenden.
SMTP	SMTP (Simple Mail Transfer Protcol) ist ein Protokoll, dass zum Austausch von E-Mails im Netzwerk dient.
FTP	FTP (File Transfer Protocol) ist ein Protokoll, das für die Datenübertragung im Netzwerk verwendet wird
DNS	DNS (Domain Name Service) ist eins der wichtigsten Protokolle im Netzwerk, welches die Namensauflösung ermöglicht.
OSPF	OSPF (Open Shortest Path First) ist ein Link-State Routing-Protokoll im Netzwerk und dient zum schleifenfreien Routing.
WINS	WINS(Windwos Internet Naming Service) ist ein Protokoll, dass nur in LANs (Local Area Network) eingesetzt wird. Es dient ebenso wie DNS zur Namensauflösung.
De-/Kodierung	Unter Decodierung versteht man das umwandeln von Daten in ein anders Format unter Verwendung eines bestimmtes Codes.
De-/Kompression	Unter De-/Kompression versteht man in der Datenübertragung die verlustfreie Verkleinerung von Daten unter Zuhilfenahme mathematischer Verfahren.
ASCII	ASCII(American Standard Code for Information Interchange) ist eine 7-Bit Zeichencodierung.
Check Points	Check Points sind Markierungen, die in der Übertragung eingesetzt werden, um beim Übertragungsausfall an der ausgefallenen telle weiter fort fahren zu können.
Simplex Mode	Simplex Mode ist eine Übertragungsart, bei dem es lediglich einem Host erlaubt wird, Daten zu senden.
Half duplex Mode	Half duplex Mode ist eine Übertragungsart, die den Hosts das Senden und Empfangen erlaubt, jedoch darf immer nur ein Host zur gleichen Zeit Daten versenden.
Full duplex Mode	Full duplex Mode ist eine Übertragungsart, bei der gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich ist.
Multiplexing	Multiplexing bezeichnet die Möglichkeit, mehrere Datenströme zu einem zusammen zu fassen
Demultiplexing	Demultiplexing bezeichnet die Möglichkeit, mehrere Datenströme in mehrere aufzuteilen
Sockets	Sockets sind das Verbindungsstück zwischen einem Port und der entsprechende Applikation
Ports	Durch Ports haben Anwendungen die Möglichkeit, andere Anwendungen oder Dienste indirekt zu adressieren
Overhead	Overhead oder auch Verwaltungsdaten sind in der Informationstechnologie keine Nutzdaten sondern Zusatzinformationen
query-response	Eine durch den Sender initiierte Kommunikation. Auf eine Frage gibt es eine Antwort.
ACK	ACK (Acknowledge) sind Bestätigungen bzw. Quittierungen einer Datenübertragung
Drei-Wege-Handshake	Wird zur Initialisierung einer TCP Verbindung eingesetzt. Während des Drei-Wege-Handshakes einigen sich die Teilnehmer über z.B. die Geschwindigkeit der Übertragung.
HTTPS	HTTPS ist ein Übertragungsprotokoll, dass zur Verschlüsselung und Authentifizierung der Kommunikation zwischen Browser Web-Server im World Wide Web verwendet
LPDU	LPDU (LLC Protocol Data Unit) ist der Frame, der vom LLC-Layer des Data Link Layers um das Paket gelegt wird.
SSAP	SSAP (Source Service Access Point) ist eine Adresse, die angibt, von welcher Schicht ein Datenpaket versendet wurde.
DSAP	DSAP (Destination Service Acces Point) ist eine Adresse, die angibt, für welche Schicht ein Datenpaket bestimmt ist.
HDLC	HDLC Protokoll (High Level Data Link Control) auf Basis LLC-Protokolls, dass für größere Entfernungen und die damit verbundene Laufzeit konzipiert wurde.
MSDU	MSDU (Max Service Data Unit) ist das Datenfeld, in dem die Quell-/Ziel-MAC Adresse während der Kommunikation gespeichert wird.
ARP	ARP (Adress Resolution Protocol) ist ein Netzwerkprotokoll, das zu einer NIC (Network Interface Card) die physikalische Adresse ermittelt.
IFG	IFG (Inter Frame Grap) ist ein zeitlicher Sicherheitsabstandzwischen zwei aufeinander folgender Datenblöcke
CRC	CRC (Critical Redundancy Check) ist ein mathematisches Verfahren, mit dem aus allem vorhandenen Feldern eines Frames eine 4-Byte-Zahl errechnet wird.
DF	DF (dont fragment) ist ein Flag, dass bei TCP Paketen gesetzt werden kann, um zu verhindern, dass diese Pakete fragmentiert werden.
ICMP	ICMP (Internet Control Message Protocol) ist ein Internetprotokoll und dient der Informations- und Fehlermeldung im Netzwerk.
UTP	UTP (Unshielded Twisted Pair) ist ein symmetrisches, nicht geschirmtes Kabel, dass in der Netzwerktechnik eingesetzt wird
STP	STP (Shielded Twisted Pair) ist ein symmetrisches, geschirmtes Kabel, das in der Netzwerktechnik eingesetzt wird

6 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung	Begriff
ACK	Acknowledgement
ARP	Address Resolution Protocol
ASCII	American Standard Code for Information Interchange
CRC	Cyclic Redundancy Check
CSMA/CA	Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
CSMA/CD	Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
DF	Dont Fragment
DNS	Domain Name System
DSAP	Destination Service Access Point
EBCDIC	Extended Binary Coded Decimals Interchange Code
FCS	Frame Check Sequence
FTP	File Transfer Protocol
FTP	Foiled Twisted Pair
HDLC	High Level Data Link Control
HTTP	Hypertext Transfer Protocol
HTTPS	Hypertext Transfer Protocol Secure
ICMP	Internet Control Message Protocol
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFG	Interframe Gap
IP	Internet Protocol
ISO	International Organisation for Standardization
ITU	International Telecommunication Union
LLC	Logical Link Control
LPDU	Logical Protocol Data Unit
MAC	Medium Access Control
MSDU	MAC Service Data Unit
MTU	Maximum Transmission Unit
OSPF	Open Shortest Path First
PDU	Protocol Data Unit
SMTP	Simple Mail Transfer Protocol
SSAP	Source Service Access Point
S/STP	Screenend/Shielded Twisted Pair
S/UTP	Screenend/Unshilded-Twisted-Pair
TCP	Transmission Control Protocol
UDP	User Datagram Protocol
URL	Uniform Resource Locator
WINS	Windows Internet Naming Service

7 Abbildungsverzeichnis

• Abb.: 1: UDP Packet
• Abb.: 2: Sockets/Port Zusammenhang
• Abb.: 3: IEEE 802.2 Frame
• Abb.: 4: ARP-Paket
• Abb.: 5: Signalarten
• Abb.: 6: Klassifikation der Übertragungsmedien
• Abb.: 7: Aufbau des Koaxialkabels
• Abb.: 8: Klassifikation der Übertragungsmedien
• Abb.: 9: Multimode-/Monomode-Glasfaserkabel
• Abb.: 10: ISO/OSI Kommunikationsablauf

8 Fußnoten

1. ↑ ^{Vgl. Gerd Siegmund (2010), Seite 33}
2. ↑ ^{Vgl. Craig Hunt (1998), S. 22}
3. ↑ ^{Vgl. Tamara Dean (2009), S 47}
4. ↑ ^{Vgl. Russell Bradford (2007), S. 195ff}
5. ↑ ^{Vgl. Gary Heap,Lynn Maynes (2002), S. 6}
6. ↑ ^{Vgl. Madhulika Bhatia,madhurima Bhatia (2009), S. 47}
7. ↑ ^{Vgl. Madhulika Bhatia,madhurima Bhatia (2009), S. 47}
8. ↑ ^{Vgl. Meeta Gupta (2002), S. 8}
9. ↑ ^{Vgl. Allan Leinwand, Bruce Pinksy (2001), S. 22f}
10. ↑ ^{Vgl. Bruce Hallberg (2009), S. 31}
11. ↑ ^{Vgl. Craig Hunt (1992), S. 18}
12. ↑ ^{Vgl. Joe Casad (2008), S. 86f}
13. ↑ ^{David B. Makofske, Michael J. Donahoo, and Kenneth L. Calvert (2004), S. 8}
14. ↑ ^{Vgl. Joe Casad (2008), S. 90}
15. ↑ ^{Richard Deal (2007), S. 260}
16. ↑ ^{Vgl. Joe Casad (2008)}
17. ↑ ^{Vgl. Mark Dye,Rick McDonald,Antoon Rufi (2008), Seite 186}
18. ↑ ^{Vgl. Steve Rackley (2007), Seite 21}
19. ↑ ^{http://standards.ieee.org/regauth/llc/llctutorial.html}
20. ↑ ^{Vgl. Steve Rackley (2007), Seite 22f}
21. ↑ ^{Vgl. Buddy Shipley (2003), Seite 61}
22. ↑ ^{Vgl. Matthew J. Castelli (2002), Seite 115}
23. ↑ ^{Vgl. Buddy Shipley (2003), Seite 62f}
24. ↑ ^{Vgl. Von Shivendra S. Panwar,Shiwen Mao,Jeong-dong Ryoo (2004), Seite 101f}
25. ↑ ^{Vgl. Tamara Dean (2010), Seite 56}
26. ↑ ^{Vgl. W.E.Proester (2002), Seite 46}
27. ↑ ^{Vgl. http://www.iwiki.de/wiki/index.php/Bit%C3%BCbertragungsschicht#Daten.C3.BCbertragungsverfahren (13.10.2010, 16:48)}
28. ↑ ^{Vgl. Axel Sikora (2003), Seite 65 f.}
29. ↑ ^{Vgl. Dirk Larisch (2005), Seite 144}
30. ↑ ^{Vgl. Klaus Dembowski (2004), Seite 353}
31. ↑ ^{Vgl. Dirk Larisch (2005), Seite 138 f.}
32. ↑ ^{Vgl. Gerd Siegmund (2010), Seite 54 f.}
33. ↑ ^{Vgl. Gerd Siegmund (2010), Seite 58}
34. ↑ ^{Vgl. Gerd Siegmund (2010), Seite 58}

9 Literaturverzeichnis

Gerd Siegmund (2010)	Gerd Siegmund: Technik der Netze, Band 1: Klassische Kommunikationstechnik: Grundlagen, Verkehrstheorie, ISDN/GSM/IN - Verlag: Vde-Verlag; Auflage: 6. Auflage.
Craig Hunt (1998)	Craig Hunt: TCP/IP Network Administration - Verlag: O'Reilly Media
Tamara Dean (2009)	Tamara Dean: Network+ Guide to Networks - Verlag: Delmar Cengage Learning; Auflage: 5th international ed
Russell Bradford (2007)	Russell Bradford: The Art of Computer Networking - Verlag: Prentice Hall; Auflage: 1 (24. Mai 2007)
Gary Heap, Lynn Maynes (2002)	Gary Heap, Lynn Maynes: CCNA practical studies - Verlag: Macmillan Technical Publishing (Januar 2002)
Madhulika Bhatia,madhurima Bhatia (2009)	Madhulika Bhatia,madhurima Bhatia: Introduction to Computer Network - Verlag: University science press
Meeta Gupta (2002)	Meeta Gupta: Storage area network fundamentals - Verlag: Macmillan Technical Publishing; Auflage: illustrated edition (Mai 2002)
Allan Leinwand, Bruce Pinksy (2001)	Allan Leinwand, Bruce Pinksy: Cisco Router-Konfiguration. Der praxisnahe Einstieg in Cisco IOS - Verlag: Mark+Technik
Bruce Hallberg (2009)	Bruce Hallberg: Networking, A Beginner's Guide, Fifth Edition - Verlag: McGraw-Hill books
Joe Casad (2008)	Joe Casad: Sams teach yourself TCP/IP in 24 hours - Verlag: Sams; Auflage: 0004 (15. September 2008)
David B. Makofske, Michael J. Donahoo, and Kenneth L. Calvert (2004)	David B. Makofske, Michael J. Donahoo, and Kenneth L. Calvert: TCP/IP Sockets in C: Practical Guide for Programmers (Morgan Kaufmann Practical Guides) - Verlag: Morgan Kaufmann; Auflage: 2nd ed. (1. Mai 2009)
Richard Deal (2007)	Richard Deal: CCNA Cisco Certified Network Associate Study Guide (Exam 640-802) - Verlag: Mcgraw-Hill Professional; Auflage: 3rd Revised edition (REV). (24. April 2008)
Mark Dye,Rick McDonald, Antoon Rufi (2008)	Mark Dye,Rick McDonald, Antoon Rufi: Netzwerkgrundlagen- CCNA Exploration Companion Guide - Verlag: Macmillan Technical Publishing
Steve Rackley (2007)	Steve Rackley: Wireless networking technology: from principles to successful implementation - Verlag: Butterworth Heinemann (2. Februar 2007)
Buddy Shipley (2003)	Buddy Shipley: Installer's Guide to Local Area Networks - Verlag: Delmar (September 2003)
Shivendra S. Panwar,Shiwen Mao,Jeong-dong Ryoo (2004)	Shivendra S. Panwar,Shiwen Mao,Jeong-dong Ryoo: TCP/IP essentials: a lab-based approach - Verlag: Cambridge University Press
Matthew J. Castelli (2002)	Matthew J. Castelli: Network Consultants Handbook - Verlag: Macmillan Technical Publishing; Auflage: illustrated edition (Januar 2002)
W.E.Proester (2002)	W.E.Proester: Rechnernetze. Technik, Protokolle, Systeme, Anwendungen; 2 Auflage 2002 - Verlag: Oldenbourg
Axel Sikora (2003)	Axel Sikora: Technische Grundlagen der Rechnerkommunikation - Verlag: Hanser Fachbuchverlag; Auflage: 1 (2003)
Klaus Dembowski (2004)	Klaus Dembowski: Netzwerke - Magnum. Kompakt, Komplett, Kompetent - Verlag: Markt und Technik Auflage (Januar 2004)
Dirk Larisch (2005)	Dirk Larisch: Netzwerktechnik- Verlag: Bhv Buch; Auflage: 1 (1. Juli 2005)

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