Schichtenprinzip (OSI-Idee)

Einführung

In der vorherigen Lektion haben Sie gelernt, wie Daten in mehreren Schichten verpackt werden. In dieser Lektion lernen Sie, warum Netzwerke in Schichten gedacht werden - und wie das OSI-Modell diese Struktur beschreibt.

Wichtig: Sie müssen das OSI-Modell nicht auswendig lernen. Es geht um das Prinzip und Verständnis.

Warum Netzwerke in Schichten gedacht werden

Das Problem ohne Schichten

Stellen Sie sich vor, jede Anwendung müsste alles selbst machen:

Browser müsste:

1. HTML rendern
2. TCP-Verbindung aufbauen
3. IP-Pakete routen
4. Ethernet-Frames erstellen
5. Elektrische Signale erzeugen
6. Fehler erkennen und korrigieren
7. Verschlüsselung implementieren
8. ...

E-Mail-Programm müsste:

1. E-Mails formatieren
2. TCP-Verbindung aufbauen
3. IP-Pakete routen
4. Ethernet-Frames erstellen
5. Elektrische Signale erzeugen
6. Fehler erkennen und korrigieren
7. ...

Problem:

• ❌ Viel Duplikation - jede Anwendung macht dasselbe
• ❌ Komplexität - jeder muss alles können
• ❌ Fehleranfällig - viele verschiedene Implementierungen
• ❌ Inflexibel - Änderungen betreffen alles

Die Lösung: Schichtenmodell

Idee: Teile komplexe Aufgaben in spezialisierte Schichten

Anwendung (Browser):     "Ich brauche eine Webseite"
    ↓
Transport (TCP):         "Ich stelle zuverlässige Verbindung her"
    ↓
Vermittlung (IP):        "Ich finde den Weg zum Zielgerät"
    ↓
Sicherung (Ethernet):    "Ich übertrage zum nächsten Gerät"
    ↓
Bitübertragung (Kabel):  "Ich sende elektrische Signale"

Vorteil:

• ✅ Keine Duplikation - jede Schicht einmal implementiert
• ✅ Spezialisierung - jede Schicht macht eine Sache gut
• ✅ Wiederverwendung - alle Anwendungen nutzen dieselbe Infrastruktur
• ✅ Flexibilität - Schichten können unabhängig geändert werden

Das OSI-Modell (Überblick)

Was ist das OSI-Modell?

OSI = Open Systems Interconnection

• Entwickelt von ISO (International Organization for Standardization)
• Referenzmodell für Netzwerkkommunikation
• 7 Schichten mit klaren Aufgaben
• Nicht die einzige Möglichkeit, aber sehr verbreitet

Wichtig: OSI ist ein Konzept, kein konkretes Protokoll!

Die 7 Schichten im Überblick

7. Anwendung         (Application)      → Benutzer-Anwendungen
6. Darstellung       (Presentation)     → Datenformatierung
5. Sitzung           (Session)          → Verbindungsverwaltung
4. Transport         (Transport)        → Zuverlässige Übertragung
3. Vermittlung       (Network)          → Routing zwischen Netzen
2. Sicherung         (Data Link)        → Lokale Übertragung
1. Bitübertragung    (Physical)         → Physische Signale

Merkhilfe (von unten nach oben): "Please Do Not Throw Sausage Pizza Away"

Oder auf Deutsch (von oben nach unten): "Alle Deutschen Studenten Trinken Verschiedene Sorten Bier"

Aufgabe jeder Schicht (Überblick)

Schicht 1: Bitübertragung (Physical Layer)

Aufgabe: Übertragung von Bits als physische Signale

Was passiert hier:

• Umwandlung von Bits in elektrische/optische/Funk-Signale
• Definition von Kabeln, Steckern, Spannungen
• Übertragungsrate (z.B. 1 Gbit/s)

Beispiele:

• Ethernet-Kabel (Kupfer)
• Glasfaser (Licht)
• WLAN (Funkwellen)
• USB

Gerät: Repeater, Hub (verstärken nur Signale)

Analogie: Die Straße, auf der LKWs fahren

Schicht 2: Sicherung (Data Link Layer)

Aufgabe: Fehlerfreie Übertragung zwischen direkt verbundenen Geräten

Was passiert hier:

• Bildung von Frames (Rahmen)
• MAC-Adressierung (wer ist lokal wo?)
• Fehlererkennung (CRC-Prüfsumme)
• Zugriffskontrolle (wer darf wann senden?)

Beispiele:

• Ethernet
• WLAN (WiFi)
• PPP (Point-to-Point Protocol)

Gerät: Switch, Bridge

Analogie: Die Hausnummer und Straße für lokale Zustellung

Schicht 3: Vermittlung (Network Layer)

Aufgabe: Routing zwischen verschiedenen Netzwerken

Was passiert hier:

• Bildung von Paketen
• IP-Adressierung (globale Identifikation)
• Routing (Wegewahl)
• Fragmentierung (große Pakete zerlegen)

Beispiele:

• IPv4
• IPv6
• ICMP (Ping)

Gerät: Router

Analogie: Die Postleitzahl und überregionale Route

Schicht 4: Transport (Transport Layer)

Aufgabe: Zuverlässige oder schnelle Ende-zu-Ende-Übertragung

Was passiert hier:

• Bildung von Segmenten
• Port-Adressierung (welche Anwendung?)
• Verbindungsaufbau (TCP)
• Flusskontrolle (nicht zu schnell senden)
• Fehlerkorrektur (verlorene Pakete wiederholen)

Beispiele:

• TCP (zuverlässig, geordnet, langsamer)
• UDP (schnell, unzuverlässig, ohne Garantie)

Analogie: Tracking-Nummer und Zustellbestätigung

Schicht 5: Sitzung (Session Layer)

Aufgabe: Verwaltung von Sitzungen (Verbindungen)

Was passiert hier:

• Sitzungsaufbau und -abbau
• Synchronisation (Checkpoints bei langen Übertragungen)
• Dialog-Steuerung (wer darf wann senden?)

Beispiele:

• NetBIOS
• RPC (Remote Procedure Call)

Hinweis: In der Praxis oft in Schicht 4 oder 7 integriert

Analogie: Die Gesprächsführung bei einem Telefonat

Schicht 6: Darstellung (Presentation Layer)

Aufgabe: Daten-Formatierung und -Konvertierung

Was passiert hier:

• Kodierung (z.B. ASCII, Unicode)
• Kompression (z.B. ZIP)
• Verschlüsselung (z.B. TLS)
• Formatkonvertierung (z.B. JPEG, PNG)

Beispiele:

• TLS/SSL (Verschlüsselung)
• MIME (E-Mail-Anhänge)
• JPEG, PNG (Bildformate)

Hinweis: In der Praxis oft in Schicht 7 integriert

Analogie: Übersetzer zwischen verschiedenen Sprachen

Schicht 7: Anwendung (Application Layer)

Aufgabe: Schnittstelle zu Benutzer-Anwendungen

Was passiert hier:

• Protokolle für spezifische Anwendungen
• Dienste für Benutzer
• Daten-Austausch zwischen Anwendungen

Beispiele:

• HTTP/HTTPS (Webseiten)
• FTP (Dateiübertragung)
• SMTP (E-Mail versenden)
• DNS (Namensauflösung)
• SSH (Remote-Zugriff)

Analogie: Der Postschalter, an dem Sie Ihr Paket aufgeben

Visualisierung: Daten durch die Schichten

Beim Sender (Encapsulation - Verpackung)

7. Anwendung:    HTTP-Anfrage erstellen
                 "GET /index.html"
                 ↓
6. Darstellung:  (optional) Verschlüsseln/Komprimieren
                 ↓
5. Sitzung:      (optional) Sitzung verwalten
                 ↓
4. Transport:    TCP-Header hinzufügen
                 [TCP-Header | HTTP-Anfrage]
                 ↓
3. Vermittlung:  IP-Header hinzufügen
                 [IP-Header | TCP-Header | HTTP-Anfrage]
                 ↓
2. Sicherung:    Ethernet-Header + Trailer hinzufügen
                 [ETH | IP | TCP | Daten | FCS]
                 ↓
1. Bitübertragung: Als Bits übertragen
                 010101001010...

Beim Empfänger (Decapsulation - Auspacken)

1. Bitübertragung: Bits empfangen und interpretieren
                   010101001010...
                   ↓
2. Sicherung:      Ethernet-Header entfernen, Prüfsumme prüfen
                   [IP | TCP | Daten]
                   ↓
3. Vermittlung:    IP-Header entfernen, Routing-Entscheidung
                   [TCP | Daten]
                   ↓
4. Transport:      TCP-Header entfernen, Reihenfolge prüfen
                   [Daten]
                   ↓
5. Sitzung:        (optional) Sitzung verwalten
                   ↓
6. Darstellung:    (optional) Entschlüsseln/Dekomprimieren
                   ↓
7. Anwendung:      HTTP-Anfrage verarbeiten
                   "GET /index.html" → Webseite senden

Warum Schichten Fehlersuche ermöglichen

Problem ohne Schichten

"Das Internet funktioniert nicht!"

→ Wo ist das Problem?
→ Alles überprüfen?
→ Keine systematische Vorgehensweise

Mit Schichten: Systematische Fehlersuche

Beispiel: Webseite lädt nicht

Schritt 1: Bitübertragung prüfen

Ist das Kabel angeschlossen?
Leuchten die Link-LEDs?
→ Ja → Schicht 1 OK
→ Nein → Kabel/Port-Problem

Schritt 2: Sicherung prüfen

Empfängt die Netzwerkkarte Frames?
Sind MAC-Adressen richtig?
→ Ja → Schicht 2 OK
→ Nein → Switch/VLAN-Problem

Schritt 3: Vermittlung prüfen

Kann ich den Router pingen?
Ist die IP-Konfiguration korrekt?
→ Ja → Schicht 3 OK
→ Nein → Routing/IP-Problem

Schritt 4: Transport prüfen

Ist der Port offen?
Funktioniert TCP-Verbindung?
→ Ja → Schicht 4 OK
→ Nein → Firewall/Port-Problem

Schritt 5: Anwendung prüfen

Ist der Webserver erreichbar?
Antwortet er auf HTTP?
→ Ja → Schicht 7 OK
→ Nein → Server/DNS-Problem

Vorteil: Eingrenzen des Problems

Ohne Schichten:

"Irgendwas funktioniert nicht"
→ Alles überprüfen (ineffizient)

Mit Schichten:

Schicht 1-3 OK, Schicht 4 Problem
→ Firewall/Portproblem (gezielt beheben)

Praxis: TCP/IP-Modell (vereinfacht)

OSI vs. TCP/IP

In der Praxis wird oft das TCP/IP-Modell verwendet (4 Schichten):

TCP/IP-Schicht	OSI-Schichten	Beispiele
Anwendung	7, 6, 5	HTTP, FTP, DNS
Transport	4	TCP, UDP
Internet	3	IP, ICMP
Netzzugang	2, 1	Ethernet, WLAN

Warum vereinfacht?

• Schichten 5-7 werden oft zusammengefasst
• Praktischer und einfacher zu verstehen
• Entspricht tatsächlicher Implementierung

Praktische Zuordnung

Wenn Sie mit Netzwerken arbeiten, denken Sie an:

7. Anwendung:     HTTP, DNS, SSH
4. Transport:     TCP (zuverlässig), UDP (schnell)
3. Internet:      IP (IPv4/IPv6)
2. Sicherung:     Ethernet, WLAN
1. Physisch:      Kabel, Funk

Schichten 5-6 sind oft in Anwendungen integriert (z.B. TLS in HTTPS).

Zusammenfassung

Kernkonzepte

1. Warum Schichten?

• Komplexität wird aufgeteilt
• Spezialisierung ermöglicht
• Wiederverwendung von Funktionen
• Unabhängige Entwicklung

2. OSI-Modell (7 Schichten)

• Referenzmodell für Netzwerke
• Klare Aufgabenteilung
• Von Physisch (1) bis Anwendung (7)

3. Aufgaben der Schichten

• 1-2: Lokale Übertragung (Bits, Frames, MAC)
• 3: Routing zwischen Netzen (IP)
• 4: Zuverlässige Übertragung (TCP/UDP, Ports)
• 5-7: Anwendungen (HTTP, DNS, etc.)

4. Fehlersuche mit Schichten

• Systematisch von unten nach oben
• Eingrenzen des Problems
• Gezieltes Beheben

Warum das wichtig ist

Ohne Schichten:

• ❌ Keine Struktur
• ❌ Ineffiziente Fehlersuche
• ❌ Duplikation von Funktionen

Mit Schichten:

• ✅ Klare Struktur
• ✅ Systematische Fehlersuche
• ✅ Wiederverwendbare Komponenten
• ✅ Flexibilität bei Änderungen

Ausblick

In der nächsten Lektion lernen Sie:

• Dateneinheiten im Detail: Frame, Paket, Segment
• Wer verwendet was und warum
• Praktische Unterschiede

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Merksatz: Netzwerke sind wie ein Hochhaus - jede Etage hat ihre Aufgabe, aber alle arbeiten zusammen!