Schichtenmodelle
IT 12.4 – Netzwerke · Einheit 6 von Teil A „Grundlagen“
Lernziele
Abschnitt betitelt „Lernziele“- Du kannst begründen, warum man die Kommunikation in Schichten aufteilt, und die Begriffe Dienst und Protokoll erklären.
- Du kannst die sieben Schichten des OSI-Modells mit ihren Aufgaben beschreiben und dem TCP/IP-Modell gegenüberstellen.
- Du kannst Begriffe, Geräte und Protokolle aus den bisherigen Einheiten den Schichten zuordnen.
- Du kannst die Kapselung beschreiben und berechnen, wie viele Zusatzdaten eine Nachricht bekommt.
- Du kannst TCP und UDP vergleichen. Ergänzend: Du kannst den Verbindungsaufbau und die Nummerierung bei TCP beschreiben.
Gold gefunden!
Abschnitt betitelt „Gold gefunden!“Die acht Wüstenorte aus Einheit 3 sind inzwischen vernetzt. In New Town hat jemand Gold gefunden, und die Nachricht „Gold gefunden“ soll nach Silver Lake.
Eine direkte Leitung zwischen den beiden Orten gibt es nicht. Die Nachricht muss über mehrere Orte weitergereicht werden. Manchmal wird ein Zeichen unterwegs verfälscht. Und längere Nachrichten werden in mehreren Teilen verschickt, die nicht immer in der richtigen Reihenfolge ankommen.
Reicht es, einfach „Gold gefunden“ in die Leitung zu tippen?
Erkunden: Was braucht ein Datenpaket?
Abschnitt betitelt „Erkunden: Was braucht ein Datenpaket?“Bevor du weiterliest: Überlegt zu zweit, was alles nötig ist, damit die Nachricht sicher ankommt. Die Erklärungen weiter unten helfen euch erst danach, eure Ergebnisse einzuordnen.
Erkundung: Mehr als „Gold gefunden“ mittel
a) Sammelt alle Angaben, die der Nachricht hinzugefügt werden müssen, und alle Absprachen, die die Orte vorher treffen müssen. Denkt auch an die Einheiten 1 bis 5.
b) Ordnet eure Sammlung in Gruppen und bringt die Gruppen in eine Reihenfolge: von „betrifft nur die Leitung“ bis „betrifft nur die Nachricht selbst“. Stellt das Ergebnis als Stapel dar, das Unterste unten.
c) Die Leitung zwischen zwei Orten wird durch eine Funkverbindung ersetzt. Untersucht, welche Gruppen aus Teil b) sich dadurch ändern und welche gleich bleiben.
Tipp 1
Zu a): Denkt an einen Brief, der über mehrere Postämter läuft. Was steht auf dem Umschlag? Und was müssen Absender und Empfänger vereinbart haben, damit sie den Inhalt verstehen?
Tipp 2
Zu b): Fragt bei jeder Angabe: Wer braucht sie? Jeder Ort, durch den die Nachricht läuft? Nur der nächste Nachbarort? Oder nur New Town und Silver Lake?
Lösung (mögliche Sammlung)
Warum Schichten?
Abschnitt betitelt „Warum Schichten?“Eure Stapel aus der Erkundung zeigen schon die Idee: Die große Aufgabe „Kommunikation“ wird in Teilaufgaben zerlegt, die übereinander liegen. Jede Teilaufgabe bildet eine Schicht.
- Jede Schicht bietet der Schicht darüber einen Dienst an. Beispiel: Die unterste Schicht bietet den Dienst „ein Bit zum Nachbargerät bringen“. Die Schicht darüber nutzt diesen Dienst, ohne zu wissen, ob die Bits als Strom, Licht oder Funk übertragen werden.
- Ein Protokoll ist eine genaue Festlegung von Regeln und Datenformaten, an die sich die gleiche Schicht auf beiden Seiten hält. In Einheit 1 habt ihr mit der Gegenstelle zum Beispiel vereinbart, wie eine Nachricht beginnt und welcher Code gilt. Das war ein Protokoll.
Vorteile von Schichten:
- Eine Schicht kann ausgetauscht werden, ohne dass sich die anderen ändern müssen.
- Jede Schicht ist für sich überschaubar. Fehler lassen sich einer Schicht zuordnen.
- Für jede Schicht gibt es Normen. Geräte verschiedener Hersteller arbeiten deshalb zusammen.
Nachteile: Jede Schicht fügt eigene Zusatzdaten hinzu und braucht Rechenzeit (siehe Kapselung).
Das OSI-Modell
Abschnitt betitelt „Das OSI-Modell“Das OSI-Modell (Open Systems Interconnection, „Verbindung offener Systeme“) wurde ab 1977 von der Normungsorganisation ISO entwickelt. Es teilt die Kommunikation in sieben Schichten ein. Es ist ein Referenzmodell: Man benutzt es, um Geräte, Protokolle und Fehler einzuordnen.
| Nr. | Schicht | Aufgabe in einfachen Worten | Dateneinheit | Leitfrage |
|---|---|---|---|---|
| 7 | Anwendung | stellt Programmen Netzdienste zur Verfügung | Daten | Was will das Programm? |
| 6 | Darstellung | bringt die Daten in eine einheitliche Form, damit verschiedene Systeme sie gleich verstehen | Daten | Wie sind die Daten dargestellt? |
| 5 | Sitzung (auch Kommunikationssteuerung) | baut Sitzungen auf und ab und setzt sie nach Unterbrechungen wieder fort | Daten | Wer spricht gerade mit wem? |
| 4 | Transport | zerlegt Nachrichten in Segmente, nummeriert sie, sorgt für Vollständigkeit und Reihenfolge | Segment | Kommt alles vollständig und geordnet an? |
| 3 | Vermittlung | adressiert das Zielgerät über Netzgrenzen hinweg und wählt den Weg durch mehrere Netze | Paket | Über welchen Weg geht es zum Ziel? |
| 2 | Sicherung | überträgt Rahmen zwischen zwei direkt verbundenen Geräten und erkennt Übertragungsfehler | Rahmen | Kommt der Rahmen beim nächsten Gerät fehlerfrei an? |
| 1 | Bitübertragung | überträgt einzelne Bits als Signale über das Medium | Bit | Wie kommt ein Bit über die Leitung? |
Merkhilfe für die Reihenfolge von unten nach oben (Bitübertragung, Sicherung, Vermittlung, Transport, Sitzung, Darstellung, Anwendung): „Bei Sturm verlieren Tiere selten den Anschluss.“
Die Schichten 1 bis 3 arbeiten auf jeder Teilstrecke, also auch in Geräten unterwegs. Die Schichten 4 bis 7 arbeiten Ende-zu-Ende: Nur Sender und Empfänger haben mit ihnen zu tun.
Übung: Was gehört wohin? mittel
Viele Begriffe aus den Einheiten 1 bis 5 lassen sich einer Schicht zuordnen. Wähle zu jedem Begriff die passende OSI-Schicht aus und prüfe dein Ergebnis. Nutze dabei die Leitfragen aus der Tabelle.
Selbstkontrolle – keine Bewertung. Es wird nichts gespeichert.
Schicht 3 (Vermittlung): Ein Router verbindet verschiedene Netze und wählt anhand der IP-Adresse den Weg. Das ist die Aufgabe der Vermittlungsschicht.
Schicht 1 (Bitübertragung): Hier geht es darum, wie ein Bit als physikalisches Signal auf die Leitung kommt. Das regelt die Bitübertragungsschicht.
Schicht 7 (Anwendung): HTTP ist ein Protokoll, das ein Programm (der Browser) direkt benutzt. Solche Protokolle gehören zur Anwendungsschicht.
Schicht 2 (Sicherung): Mit der MAC-Adresse werden Rahmen innerhalb eines Netzes zugestellt. Sie gehört zur Sicherungsschicht.
Schicht 1 (Bitübertragung): Der Takt legt fest, wann ein Bit auf der Leitung gilt. Das gehört zur Übertragung einzelner Bits.
Schicht 4 (Transport): Die Transportschicht zerlegt lange Nachrichten, nummeriert die Teile und setzt sie beim Empfänger in der richtigen Reihenfolge wieder zusammen.
Schicht 1 (Bitübertragung): Die Glasfaser ist ein Übertragungsmedium. Medien, Kabel und Stecker gehören zur untersten Schicht.
Schicht 2 (Sicherung): Ein Switch liest die MAC-Adressen in den Rahmen und leitet innerhalb eines Netzes gezielt weiter. Er arbeitet also bis zur Sicherungsschicht.
Schicht 6 (Darstellung): Wie Zeichen als Bitfolgen dargestellt werden (zum Beispiel nach ASCII oder UTF-8), regelt die Darstellungsschicht. Wie diese Bits danach als Signal auf die Leitung kommen, ist Sache von Schicht 1.
Schicht 1 (Bitübertragung): Beides beschreibt, wie schnell bzw. in welchem Frequenzbereich eine Leitung Bits überträgt. Das gehört zur Bitübertragungsschicht.
Schicht 3 (Vermittlung): Die IP-Adresse kennzeichnet ein Gerät über Netzgrenzen hinweg. Mit ihr arbeitet die Vermittlungsschicht.
Schicht 2 (Sicherung): Ein Zugangspunkt verbindet Funkgeräte mit dem kabelgebundenen Netz und leitet die Rahmen anhand der MAC-Adressen weiter, wie ein Switch. Er arbeitet also bis zur Sicherungsschicht.
Schicht 1 (Bitübertragung): Ein Hub wertet keine Adressen aus. Er gibt nur die Signale an alle Anschlüsse weiter. Er arbeitet deshalb nur auf der Bitübertragungsschicht.
Schicht 4 (Transport): TCP baut vor dem Senden eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger auf. TCP ist ein Protokoll der Transportschicht.
Schicht 1 (Bitübertragung): Der Stecker ist die mechanische Verbindung zwischen Gerät und Kabel. Auch sie ist in der Bitübertragungsschicht festgelegt.
Schicht 2 (Sicherung): Mit der Prüfsumme erkennt die Sicherungsschicht, ob ein Rahmen auf einer Teilstrecke verfälscht wurde.
Schicht 7 (Anwendung): SMTP benutzt das E-Mail-Programm direkt. Es ist ein Protokoll der Anwendungsschicht.
Schicht 1 (Bitübertragung): Vollduplex beschreibt, dass eine Verbindung gleichzeitig in beide Richtungen Bits übertragen kann. Das ist eine Eigenschaft der Bitübertragung.
Das TCP/IP-Modell
Abschnitt betitelt „Das TCP/IP-Modell“Im Internet und in fast allen lokalen Netzen wird nicht das OSI-Modell umgesetzt, sondern das TCP/IP-Modell. Es ist nach seinen beiden wichtigsten Protokollen benannt und fasst einige OSI-Schichten zusammen:
| TCP/IP-Schicht | entspricht OSI | wichtige Protokolle |
|---|---|---|
| Anwendung | 5 bis 7 | HTTP und HTTPS (Webseiten), SMTP (E-Mail versenden), DNS (Namen auflösen, Einheit 10) |
| Transport | 4 | TCP, UDP |
| Internet | 3 | IPv4, IPv6 (Einheiten 7 bis 9) |
| Netzzugang | 1 und 2 | Ethernet (IEEE 802.3), WLAN (IEEE 802.11) |
Das OSI-Modell ist also vor allem ein Modell zum Einordnen, das TCP/IP-Modell beschreibt, was im Internet tatsächlich passiert.
Kapselung
Abschnitt betitelt „Kapselung“Beim Senden reicht jede Schicht die Daten an die Schicht darunter weiter. Jede Schicht setzt dabei ihre eigenen Kopfdaten (englisch Header) davor: die Angaben, die die gleiche Schicht beim Empfänger braucht. Die Sicherungsschicht hängt zusätzlich eine Prüfsumme an. Das nennt man Kapselung, weil die Daten wie in mehrere Umschläge gesteckt werden.
Beim Empfänger läuft alles umgekehrt: Jede Schicht liest ihre Kopfdaten, entfernt sie und gibt den Rest nach oben weiter. Geräte unterwegs packen die Daten nur so weit aus, wie sie es für ihre Aufgabe brauchen.
Wie viele Zusatzdaten entstehen? Ohne Zusatzangaben sind die Kopfdaten mindestens so groß:
| Kopfdaten | Größe |
|---|---|
| TCP | 20 Byte |
| IPv4 | 20 Byte |
| Ethernet (Kopf 14 Byte und Prüfsumme 4 Byte) | 18 Byte |
| zusammen | 58 Byte |
Beispiel: 1 000 Byte Daten werden zu einem Rahmen von 1 000 Byte + 58 Byte = 1 058 Byte. Der Anteil der Zusatzdaten am Rahmen ist 58 : 1 058 ≈ 0,055, also etwa 5,5 %.
TCP und UDP
Abschnitt betitelt „TCP und UDP“In der Transportschicht gibt es zwei wichtige Protokolle:
| TCP (Transmission Control Protocol) | UDP (User Datagram Protocol) | |
|---|---|---|
| Verbindung | wird vor dem Senden aufgebaut | keine, es wird einfach gesendet |
| Zuverlässigkeit | Empfang wird bestätigt, Verlorenes wird neu gesendet, Reihenfolge wird hergestellt | keine Garantie: Verlorenes bleibt verloren |
| Kopfdaten | mindestens 20 Byte | 8 Byte |
| Geschwindigkeit | etwas langsamer durch Bestätigungen | schneller, weniger Aufwand |
| Beispiel | eine Webseite laden | Videokonferenz |
Bei einer Webseite darf kein Teil fehlen, sonst ist sie kaputt. Bei einer Videokonferenz ist ein fehlendes Bild kaum zu bemerken. Ein Bild, das eine Sekunde zu spät kommt, nützt dagegen nichts mehr.
Ports: Auf einem Rechner laufen viele Programme gleichzeitig. Die Portnummer in den Kopfdaten von TCP und UDP gibt an, für welches Programm die Daten bestimmt sind. Zum Beispiel lauscht ein Webserver auf Port 443 (HTTPS) oder 80 (HTTP).
Aufgaben
Abschnitt betitelt „Aufgaben“Aufgabe 1: Wer ist zuständig? leicht
Ordne jede Situation der OSI-Schicht zu, die dafür zuständig ist. Begründe kurz.
- a) Bei Bauarbeiten wird ein Netzwerkkabel durchtrennt.
- b) Ein Rahmen kommt verfälscht beim nächsten Gerät an. Der Fehler wird bemerkt und der Rahmen verworfen.
- c) Eine Nachricht aus Hamburg wird über mehrere Netze zu einem Server in München geleitet.
- d) Beim Herunterladen einer großen Datei fehlt ein Teil. Der Empfänger fordert genau diesen Teil noch einmal an.
- e) Ein Text wird auf einem anderen Rechner mit falschen Umlauten angezeigt, weil die beiden Rechner Zeichen unterschiedlich codieren.
Lösung
Aufgabe 2: Ein Protokoll für das Funkgerät mittel
Bei einer Veranstaltung verständigen sich Einsatzleitung und Ordnerteams mit Funkgeräten. Immer nur einer kann sprechen: Wer die Sprechtaste drückt, sendet, alle anderen hören zu.
a) Entwickle ein Protokoll für ein Funkgespräch. Lege mindestens fünf Regeln fest, zum Beispiel für den Beginn, den Sprecherwechsel, die Bestätigung, Störungen und das Ende.
b) Begründe, warum Funkgespräche ein strengeres Protokoll brauchen als ein Telefongespräch. Nutze einen Begriff aus Einheit 1.
Tipp 1
Zu a): Überlege, was schiefgehen kann: Zwei sprechen gleichzeitig. Jemand weiß nicht, ob er gemeint ist. Eine Durchsage war gestört. Niemand weiß, ob das Gespräch zu Ende ist.
Tipp 2
Zu b): In Einheit 1 hast du drei Betriebsarten kennengelernt. Welche hat ein Funkgerät mit Sprechtaste, welche ein Telefon?
Lösung
Aufgabe 3: Wie viele Zusatzdaten? mittel
Rechne mit den Mindestgrößen der Kopfdaten aus dem Abschnitt Kapselung (TCP, IPv4, Ethernet).
a) Eine große Datei wird in Segmente mit je 1 460 Byte Daten zerlegt. Berechne die Größe eines Rahmens und den Anteil der Zusatzdaten am Rahmen in Prozent.
b) Eine Chat-App schickt für jeden Tastendruck eine eigene Nachricht mit 10 Byte Daten. Berechne ebenso Rahmengröße und Anteil der Zusatzdaten.
c) Beurteile anhand deiner Ergebnisse, ob es sinnvoll ist, für jeden Tastendruck eine eigene Nachricht zu senden.
Tipp 1
Rahmengröße = Daten + alle Kopfdaten. Anteil = Zusatzdaten : Rahmengröße.
Lösung
Aufgabe 4: TCP oder UDP? mittel
Entscheide für jede Anwendung, ob TCP oder UDP besser passt, und begründe.
- a) eine Überweisung beim Online-Banking
- b) ein Software-Update herunterladen
- c) die Positionen der Spielfiguren in einem Online-Spiel, die 30-mal pro Sekunde gesendet werden
- d) ein Sensor, der alle 10 Sekunden die aktuelle Temperatur meldet
Tipp 1
Frage jeweils: Was ist schlimmer, ein fehlender Teil oder ein verspäteter Teil?
Lösung
Aufgabe 5: Durch Switch und Router schwer
Ein Laptop im Schulnetz ruft eine Webseite von einem Server im Internet ab. Die Nachricht läuft so: Laptop → Switch → Router → (Internet) → Server. Vereinfacht nehmen wir an, dass zwischen Router und Server keine weiteren Geräte liegen.
a) Stelle die vier Geräte nebeneinander mit ihren Schichten im TCP/IP-Modell dar. Zeichne den Weg der Nachricht durch die Schichten ein.
b) Erläutere, warum der Switch die Daten nur bis zur Netzzugangsschicht auspackt, der Router aber bis zur Internetschicht.
c) Begründe, welche Kopfdaten der Router neu erstellen muss und welche er unverändert weitergibt.
Tipp 1
Zu a): Laptop und Server sind die Endgeräte. Bei ihnen läuft die Nachricht durch alle Schichten. Bei den Geräten dazwischen nur so weit, wie sie für ihre Aufgabe brauchen.
Tipp 2
Zu b) und c): Welche Adresse braucht der Switch für seine Entscheidung, welche der Router (Einheit 5)? In welchen Kopfdaten steht welche Adresse?
Lösung
Aufgabe 6: Neue App, neues Netz? schwer
Ein junges Unternehmen entwickelt eine Chat-App mit einem eigenen neuen Protokoll in der Anwendungsschicht. Ein Mitarbeiter meint: „Damit unsere App funktioniert, müssen weltweit die Switches und Router angepasst werden.“
Gleichzeitig wird im Schulnetz das Kupferkabel zwischen zwei Gebäuden durch eine Glasfaser ersetzt.
a) Nimm Stellung zur Aussage des Mitarbeiters.
b) Erläutere, welche Schichten sich durch die Glasfaser ändern und welche Programme auf den Rechnern angepasst werden müssen.
c) Erläutere an beiden Beispielen einen Vorteil des Schichtenmodells.
Tipp 1
Bis zu welcher Schicht packen Switches und Router eine Nachricht aus? Sehen sie das Anwendungsprotokoll überhaupt?
Lösung
Aufgabe 7: Nummern bei TCP (ergänzend) schwer
Die TCP-Verbindung ist aufgebaut. Der Sender verschickt drei Segmente mit je 500 Byte Daten. Das erste Datenbyte hat die Nummer 1 000.
a) Bestimme die Sequenznummern der drei Segmente.
b) Alle drei Segmente kommen an. Bestimme die Bestätigungsnummer, die der Empfänger zurückschickt.
c) Das zweite Segment geht verloren, das erste und dritte kommen an. Erläutere, welche Bestätigungsnummer der Empfänger schickt und was der Sender daraufhin tut.
Tipp 1
Die Sequenznummer ist die Nummer des ersten Bytes im Segment. Die Bestätigungsnummer ist die Nummer des nächsten Bytes, das der Empfänger erwartet.
Tipp 2
Zu c): Der Empfänger bestätigt nur, was lückenlos bis zu einer Stelle angekommen ist.
Lösung
Zusammenfassung
Abschnitt betitelt „Zusammenfassung“- Kommunikation wird in Schichten aufgeteilt. Jede Schicht bietet der darüber einen Dienst an. Ein Protokoll legt die Regeln fest, an die sich die gleiche Schicht auf beiden Seiten hält.
- Das OSI-Modell hat sieben Schichten: Bitübertragung, Sicherung, Vermittlung, Transport, Sitzung, Darstellung, Anwendung. Die Schichten 1 bis 3 arbeiten auf jeder Teilstrecke, 4 bis 7 Ende-zu-Ende.
- Das TCP/IP-Modell hat vier Schichten: Netzzugang, Internet, Transport, Anwendung. Es wird im Internet tatsächlich verwendet.
- Bei der Kapselung setzt jede Schicht ihre Kopfdaten davor. Kleine Nachrichten bestehen dadurch zum großen Teil aus Zusatzdaten.
- TCP ist zuverlässig (Verbindung, Bestätigung, Wiederholung), UDP ist schnell, aber ohne Garantie.
Selbstcheck
Abschnitt betitelt „Selbstcheck“Geh die Fragen ehrlich durch. Wenn du bei einer unsicher bist, lies den verlinkten Abschnitt noch einmal oder bearbeite die passende Aufgabe.
- Kannst du begründen, warum man Schichten bildet, und Dienst und Protokoll erklären? → Warum Schichten?, Erkundung, Aufgabe 2, Aufgabe 6
- Kannst du das OSI-Modell beschreiben und dem TCP/IP-Modell gegenüberstellen? → Das OSI-Modell, Das TCP/IP-Modell, Aufgabe 1
- Kannst du Begriffe, Geräte und Protokolle den Schichten zuordnen? → Übung, Aufgabe 5
- Kannst du die Kapselung beschreiben und Zusatzdaten berechnen? → Kapselung, Aufgabe 3
- Kannst du TCP und UDP vergleichen? → TCP und UDP, Aufgabe 4, ergänzend Aufgabe 7
Wortspeicher
Abschnitt betitelt „Wortspeicher“| Begriff | Bedeutung in einfachen Worten |
|---|---|
| Schichtenmodell | Aufteilung der Kommunikation in übereinanderliegende Teilaufgaben |
| Dienst | was eine Schicht der Schicht darüber anbietet |
| Protokoll | Regeln und Datenformate, an die sich die gleiche Schicht auf beiden Seiten hält |
| OSI-Modell | Referenzmodell mit sieben Schichten zum Einordnen |
| TCP/IP-Modell | Modell mit vier Schichten, nach dem das Internet arbeitet |
| Ende-zu-Ende | betrifft nur Sender und Empfänger, nicht die Geräte unterwegs |
| Kopfdaten (Header) | Angaben, die eine Schicht vor die Daten setzt |
| Kapselung | jede Schicht packt die Daten in ihre eigenen Kopfdaten ein |
| Rahmen, Paket, Segment | Dateneinheiten der Schichten 2, 3 und 4 |
| TCP | zuverlässiges Transportprotokoll mit Verbindung und Bestätigung |
| UDP | schnelles Transportprotokoll ohne Garantie |
| Port | Nummer, die angibt, für welches Programm die Daten bestimmt sind |
| Drei-Wege-Handschlag | Verbindungsaufbau bei TCP mit SYN, SYN-ACK, ACK (ergänzend) |
| Sequenznummer | Nummer des ersten Bytes in einem TCP-Segment (ergänzend) |
Quellen
Abschnitt betitelt „Quellen“- Hessisches Kultusministerium: Kerncurriculum Fachoberschule, Fachrichtung Technik, Schwerpunkt Informationstechnik, Themenfeld 12.4 Netzwerke (Stand November 2022).
- OSI-Modell nach ISO/IEC 7498-1. TCP nach RFC 9293, UDP nach RFC 768, IPv4 nach RFC 791, Ethernet nach IEEE 802.3 (Größen der Kopfdaten ohne Zusatzangaben).
- Die Frage, welche Angaben ein Datenpaket braucht, stammt aus Unterrichtsmaterial von Daniel Garmann (2010). Einzelne Ideen nach einem Vortrag zum OSI-Schichtenmodell von Martin Fechtner. Texte, Aufgaben, Abbildung und Übung sind neu erstellt.