OSI Referenzmodell

Motivation und Entstehung

Die Entwicklung des Computers war im Beginn geprägt durch den Entwurf von autonomen, abgeschlossenen Systemen zur Bewältigung einer oder einiger weniger Aufgaben, wie z.B. der Steuerung eines Fertigungsroboters. Die Automatisierung ganzer Produktionsabläufe verlangte, im Vergleich zur Automatisierung einzelner Maschinen, sehr bald nach einer Möglichkeit zur Kommunikation zwischen den einzelnen Systemen. Aber nicht nur die Industrie sondern auch das Militär entwickelten daher bereits Ende der 60er Jahre ein Interesse am Datenaustausch zwischen mehreren voneinander entfernten Rechnern. Als Folge dessen kam es in den 70er Jahren zur Entstehung mehrerer voneinander unabhängig entwickelter, inkompatibler Firmenstandards zur Datenkommunikation.

Der Vorteil des Datenaustausches und die damit verbundene Nutzung gemeinsamer Resourcen verhalf der Netzwerktechnologie zu einer ähnlich rasanten Verbreitung und Entwicklung wie dem Computer selbst. Die von ARPA (Advanced Research Projects Agency) des US Verteidigungsministeriums entwickelte Technologie des ARPANETS wurde von US Universitäten und Institution übernommen. Der Zusammenschluß mehrerer dieser Netze führte zum ARPA Internet, welches seit seiner exponentiellen Verbreitung ab 1992 allgemein als Internet bekannt ist.

Unter der Zielsetzung einen Standard zu schaffen, der das Problem herstellerspezifischer, inkompatibler Kommunikationssysteme überwinden sollte, entwickelte die ISO (International Organisation for Standardization) - ab 1977 - das OSI-Referenzmodell (Open System Interconnection). Dabei sollte das OSI-Referenzmodell keine Implementierungssspezifikation darstellen, sondern lediglich einen standardisierten Formalismus zur Beschreibung bereits vorhandener Architekturen, sowie einen konzeptuellen Rahmen zur Entwicklung zukünftiger Protokolle.

Aufbau

Das OSI-Referenzmodell wurde als Schichtmodell entworfen. Hierbei wurde versucht, den folgenden Entwurfskriterien Rechnung zu tragen:

Eine neue Schicht sollte zugleich einen neuen, höheren Abstraktionsgrad markieren.
Jeder Schicht sollte genau eine definierte Funktion zukommen.
Bei der Funktionswahl sollten bereits existierende Implementierungen berücksichtigt werden.
Der Informationsfluss zwischen den Schichten sollte so gering wie möglich sein.
Die Anzahl der Schichten sollte unter Berücksichtigung der übrigen Gesichtspunkte möglichst gering sein.

Bedeutung des OSI-Modells

Die Implementierung neuer Protokolle läßt sich meistens nicht direkt am OSI-Modell ausrichten. Einige Schichten, insbesondere die Sicherungsschicht, wären sonst mit einer Vielzahl von Diensten überlastet. Letzteres wäre jedoch gerade nicht im Sinne des OSI-Modells. Aktuelle Protokolle wie z.B. ATM lassen sich daher nur schwer den Schichten des OSI-Modell zuordnen.

Auch wenn die Aufgabenverteilung in den sieben Schichten des OSI-Modells aus heutiger Sicht nicht unumstritten ist, so sind die grundlegenden Überlegungen, die zu diesem Modell geführt haben auch heute noch unverändert gültig. Desweiteren hat es gerade zum Verständnis der Abläufe innerhalb eines Netzwerkes und zur Abgrenzungen von festen Begriffen, wie z.B. Router und Gateway oder Repeater und Bridge, einen hohen didaktischen Stellenwert. Die nachfolgenden Kapiteln versuchen daher immer eine Einordnung der vorgestellten Protokolle gemäß dem OSI-Modell zu geben.

Funktionsweise

Die Funktionsweise des OSI-Modells ist objektorientiert. Jede Schicht stellt der jeweils nächsthöheren über eine definierte Schnittstelle, den Service Access Point (SAP), eine Gruppe von Methoden, die Dienste, zur Verfügung. Ein Zugriff auf die Datenstrukturen ist somit allein über die spezifizierten Dienste möglich.

Jeder Dienst gliedert sich in seine Dienstelemente, deren Implementierung das Protokoll darstellt. Die aktiven Elemente des Protokolls werden Instanzen genannt. Sie können je nach Schicht innerhalb des OSI-Modells als Software-Instanz (z.B. ein Prozeß oder Thread) oder Hardware-Instanz (z.B. der Controller einer Ethernet Karte) realisiert sein.

Ein Dienstelement im OSI-Modell gliedert sich in

die Bezeichnung des übergeordneten Dienstes, z.B. CONNECT, und
den Diensttyp (Dienstelementart).
Ein bestätigter Dienst beinhaltet vier Dienstelemente.

Abbildung: Dienstelemente des CONNECT Dienstes

Request: Eine Instanz der Schicht n auf Station A fordert einen Dienst der Schicht n-1 an.

Indication: Die Schicht n-1 der Zielstation B meldet der lokalen Schicht n die vorliegende Anforderung.

Response: Die Schicht n der Station B liefert das Ergebnis an die Schicht n-1 zurück.

Confirm: Die Schicht n-1 der Quellstation A liefert das Resultat der Anforderung an die Schicht n aus.

Die Kapselung der Dienste in den einzelnen Schichten ermöglicht eine virtuelle (horizontale) Kommunikation zwischen Instanzen der Schicht n und ihren Partnerinstanzen eines anderen Rechners. Der reale Datenfluss über alle darunterliegenden Schichten des OSI-Modells und das Übertragungsmedium ist für sie nicht sichtbar.

Das der Schicht n von der nächsthöheren Schicht n+1 übergebene Objekt ist die Interface Data Unit (IDU). Wie jedes Objekt gliedert es sich in eine Methode und die eigentliche Datenstruktur, hier die

Interface Control Information (ICI) und die

Protocol Data Unit (PDU).

Abbildung: Kommunikation zwischen den Schichten

Nach der Übernahme der IDU durch die Schicht n, wird die ICI abgetrennt und ausgewertet. Die PDU der Schicht n+1 wird zur Service Data Unit (SDU) der Schicht n. Die SDU kann, wenn notwendig, in kleinere Dateneinheiten zerlegt (fragmentiert) werden. Die Fragmentierung muß durch die Partnerinstanz der Schicht n des Zielsystems rückgängig gemacht werden. Zusammen mit dem zum Transport notwendigen Header der Schicht n, der Protocol Control Information (PCI), wird die SDU, bzw. jedes SDU-Fragment, zu einer neuen PDU zusammengefaßt. Ergänzt um den von der Schicht n-1 geforderten Dienst (ICI) ergibt sich damit eine neues der Schicht n-1 zu übergebenes Objekt, die IDU der Schicht n.