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Schichtenmodelle

IT 12.4 – Netzwerke · Einheit 6 von Teil A „Grundlagen“

  • 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.

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?

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)

Das Passwort bekommst du von deiner Lehrkraft. Es gilt für alle Lösungen auf dieser Seite.

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 (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.

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.

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.

SenderEmpfängerAnwendungOSI 5–7 · DatenAnwendungOSI 5–7 · DatenDatenTransportOSI 4 · SegmentTransportOSI 4 · SegmentTCPDatenInternetOSI 3 · PaketInternetOSI 3 · PaketIPTCPDatenNetzzugangOSI 1–2 · RahmenNetzzugangOSI 1–2 · RahmenEthIPTCPDatenPrüf.Leitung: Bits als Signale
Kapselung: Beim Senden fügt jede Schicht ihre Kopfdaten hinzu, beim Empfangen nimmt jede Schicht ihre Kopfdaten wieder ab.

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 %.

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).

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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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  • 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.

Geh die Fragen ehrlich durch. Wenn du bei einer unsicher bist, lies den verlinkten Abschnitt noch einmal oder bearbeite die passende Aufgabe.

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)
  • 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.