TCPIP vs. OSI: Was ist der Unterschied?

Sprechen wir über Layer-2-Switches und Layer-3-Switches, beziehen wir uns eigentlich auf die Schichten eines allgemeinen Protokollmodells – des Open Source Interconnect (OSI)-Modells. Es wird häufig zur Beschreibung von Netzwerkkommunikation verwendet. Die Datenkommunikation zwischen verschiedenen Netzwerken ist nicht möglich, wenn es keine gemeinsamen Regeln für das Senden und Empfangen der Datenpakete gibt. Diese Regeln werden als Protokolle bezeichnet, unter denen das Transmission Control Protocol (TCP)/Internet Protocol (IP) eines der am häufigsten verwendeten ist. Das TCP/IP-Modell wird häufig in der Netzwerkbeschreibung verwendet und ist älter als das OSI-Modell. Sie beide haben mehrere Schichten (Layer): was ist also der Unterschied zwischen ihnen?

Die Layer des OSI-Referenzmodells

Das OSI-Modell ist ein konzeptionelles Modell, das charakterisiert und standardisiert, wie verschiedene Soft- und Hardwarekomponenten, die an einer Netzwerkkommunikation beteiligt sind, die Arbeit aufteilen und miteinander interagieren sollten. Es besteht aus sieben Schichten (Layer).

Abbildung 1: Die sieben Layer des OSI-Modells.

Layer 7: Anwendungsschicht (Application Layer)

Die Anwendungsschicht (Application Layer) des OSI-Modells interagiert direkt mit Software-Anwendungen, um bei Bedarf Kommunikationsfunktionen bereitzustellen, und sie ist am nächsten am Endbenutzer. Zu den Funktionen der Anwendungsschicht gehört in der Regel die Überprüfung der Verfügbarkeit von Kommunikationspartnern und Ressourcen zur Unterstützung jeglicher Datenübertragung. Diese Schicht definiert auch Protokolle für Endanwendungen, wie z. B. Domain Name System (DNS), File Transfer Protocol (FTP), Hypertext Transfer Protocol (HTTP), Internet Massage Access Protocol (IMAP), Post Office Protocol (POP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), Simple Network Management Protocol (SNMP) und Telnet (eine Terminalemulation).

Layer 6: Darstellungsschicht (Presentation Layer)

Die Darstellungsschicht (Presentation Layer) prüft die Daten, um sicherzustellen, dass sie mit den Kommunikationsressourcen kompatibel sind. Sie übersetzt die Daten in die Form, die von der Anwendungsebene und den unteren Schichten akzeptiert wird. Jede erforderliche Datenformatierung oder Codekonvertierung wird ebenfalls von der sechsten Schicht vorgenommen, wie z. B. die Konvertierung einer in EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) kodierten Textdatei in eine in ASCII (American Standard Code for Information Interchange) kodierte Textdatei. Sie funktioniert auch für die Datenkomprimierung und -verschlüsselung. Zum Beispiel werden Videoanrufe während der Übertragung komprimiert, damit sie schneller übertragen werden können, und die Daten werden auf der Empfängerseite wiederhergestellt. Für Daten mit hohen Sicherheitsanforderungen, wie z. B. eine Textnachricht mit Ihrem Passwort, werden die Daten auf dieser Schicht verschlüsselt.

Layer 5: Sitzungsschicht (Session Layer)

Die Sitzungsschicht (Session Layer) steuert die Arbeitsabläufe (Verbindungen) zwischen Computern. Sie stellt die Verbindungen zwischen einer lokalen und einer entfernten Anwendung her, verwaltet und pflegt sie und beendet sie letztendlich. Die Software der Schicht 5 übernimmt auch die Authentifizierungs- und Autorisierungsfunktionen. Sie verifiziert auch die erfolgreiche Übertragung der Daten. Die Sitzungsschicht wird üblicherweise explizit in Anwendungsumgebungen implementiert, die Remote Procedure Calls verwenden.

Layer 4: Transportschicht (Transport Layer)

Die Transportschicht (Transport Layer) stellt die Funktionen und Mittel für die Übertragung von Datensequenzen von einem Quell- zu einem Ziel-Host über ein oder mehrere Netzwerke zur Verfügung, wobei die Dienstgütefunktionen (QoS) erhalten bleiben und die vollständige Lieferung der Daten sichergestellt wird. Die Integrität der Daten kann durch Fehlerkorrekturen und ähnliche Funktionen gewährleistet werden. Sie kann auch eine explizite Flusskontrollfunktion bieten. Obwohl sie nicht strikt dem OSI-Modell entsprechen, sind die Protokolle TCP und User Datagram Protocol (UDP) wesentliche Protokolle in Schicht 4.

Layer 3: Vermittlungsschicht (Network Layer)

Die Vermittlungsschicht (Network Layer) übernimmt die Paketweiterleitung über logische Adressierung und Switching-Funktionen. Ein Netzwerk ist ein Medium, an das viele Knoten angeschlossen werden können. Jeder Knoten hat eine Adresse. Wenn ein Knoten eine Nachricht an andere Knoten weiterleiten muss, kann er lediglich den Inhalt der Nachricht und die Adresse des Zielknotens zur Verfügung stellen, dann findet das Netzwerk einen Weg, um die Nachricht an den Zielknoten zu übermitteln, möglicherweise über andere Knoten. Wenn die Nachricht zu lang ist, kann das Netzwerk sie an einem Knoten in mehrere Segmente aufteilen, diese getrennt versenden und die Fragmente an einem anderen Knoten wieder zusammensetzen.

Layer 2: Sicherungsschicht (Data Link Layer)

Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) bietet Knoten-zu-Knoten-Übertragung: also eine Verbindung zwischen zwei direkt verbundenen Knoten. Sie übernimmt das Paketieren und Entpacken der Daten in Frames. Sie definiert das Protokoll zum Auf- und Abbau einer Verbindung zwischen zwei physisch verbundenen Geräten, z. B. das Point-to-Point-Protokoll (PPP). Die Sicherungsschicht ist im Allgemeinen in zwei Teilschichten unterteilt: die MAC-Schicht (Media Access Control) und die LLC-Schicht (Logical Link Control). Die MAC-Schicht ist für die Steuerung der Art und Weise verantwortlich, wie Geräte in einem Netzwerk Zugriff auf ein Medium und die Erlaubnis zur Datenübertragung erhalten. Die LLC-Schicht ist für die Identifizierung und Einkapselung von Protokollen der Netzwerkschicht verantwortlich und steuert die Fehlerprüfung und Frame-Synchronisation.

Layer 1: Bitübertragungsschicht (Physical Layer)

Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) definiert die elektrischen und physikalischen Spezifikationen der Datenverbindung. Zum Beispiel die Anordnung der Pins des Steckverbinders, die Betriebsspannungen eines elektrischen Kabels, die Spezifikationen für Glasfaserkabel und die Frequenz für drahtlose Geräte. Sie ist für die Übertragung und den Empfang von unstrukturierten Rohdaten auf einem physikalischen Medium verantwortlich. Die Bitratenkontrolle erfolgt auf der Bitübertragungsschicht. Sie ist die Schicht der Low-Level-Netzwerkausrüstung und befasst sich nie mit Protokollen oder anderen Elementen der höheren Schicht.

Schichten des TCP/IP-Modells

Das TCP/IP-Modell ist ebenfalls ein geschichtetes Referenzmodell, aber es ist ein vierschichtiges Modell. Ein anderer Name dafür ist Internet Protocol Suite. Es ist allgemein als TCP/IP bekannt, weil die grundlegenden Protokolle TCP und IP sind. Jedoch werden in diesem Modell nicht nur diese beiden Protokolle verwendet.

Anwendungsschicht (Application Layer)

Die Anwendungsschicht (Application Layer) des TCP/IP-Modells bietet Anwendungen die Möglichkeit, auf Dienste der anderen Ebenen zuzugreifen, und definiert die Protokolle, die Anwendungen zum Datenaustausch verwenden. Die bekanntesten Protokolle der Anwendungsschicht sind HTTP, FTP, SMTP, Telnet, DNS, SNMP und Routing Information Protocol (RIP).

Transportschicht (Transport Layer)

Die Transportschicht (Transport Layer) ist verantwortlich für die Bereitstellung von Session- und Datagramm-Kommunikationsdiensten für die Anwendungsschicht. Die Kernprotokolle dieser Schicht sind TCP und UDP. TCP bietet einen One-to-One-, verbindungsorientierten und zuverlässigen Kommunikationsdienst. Es ist verantwortlich für die Sequenzierung und Bestätigung der gesendeten Pakete und die Wiederherstellung von Paketen, die bei der Übertragung verloren gegangen sind. UDP bietet One-to-One- oder One-to-Many-, verbindungslose und unberechenbare Kommunikationsdienste. UDP wird typischerweise verwendet, wenn die zu übertragende Datenmenge eher klein ist (z. B. wenn die Daten in ein einziges Paket passen würden).

Internetschicht (Internet Layer)

Die Internetschicht (Internet Layer) ist für die Host-Adressierung, Paketierung und Routing-Funktionen verantwortlich. Die Kernprotokolle der Internet-Protokollschicht sind IP, Address Resolution Protocol (ARP), Internet Control Message Protocol (ICMP) und Internet Group Management Protocol (IGMP). IP ist ein routingfähiges Protokoll, das für die IP-Adressierung, das Routing und die Fragmentierung und Wiederzusammenfügung von Paketen verantwortlich ist. Das ARP ist verantwortlich für die Ermittlung der Adresse der Netzzugangsschicht, wie z. B. einer Hardware-Adresse, die mit einem bestimmten Internet-Schichtzugang verbunden ist. Das ICMP ist für die Bereitstellung von Diagnosefunktionen und die Meldung von Fehlern aufgrund der erfolglosen Zustellung von IP-Paketen verantwortlich. Die IGMP ist für das Management von IP-Multicast-Gruppen verantwortlich. In dieser Schicht fügt die IP den Paketen einen Header hinzu, der als IP-Adresse bezeichnet wird. Nun gibt es sowohl eine IPv4 (32-Bit)-Adresse als auch eine IPv6 (128-Bit)-Adresse.

Abbildung 2: Beispiele für IPv4-Adresse und IPv6-Adresse.

Netzwerkzugriffsschicht (Network Access Layer)

Die Netzwerkzugriffsschicht oder Verbindungsschicht (Network Access Layer) ist dafür verantwortlich, die TCP/IP-Pakete auf dem Netzwerkmedium zu platzieren und entsprechende Pakete vom Netzwerkmedium zu empfangen. TCP/IP ist so konzipiert, dass es unabhängig von der Netzwerkzugriffsmethode, dem Frame-Format und dem Medium arbeiten kann. Mit anderen Worten: es ist unabhängig von einer bestimmten Netzwerktechnologie. Auf diese Weise kann TCP/IP verwendet werden, um verschiedene Netzwerktypen wie Ethernet, Token Ring und Asynchronous Transfer Mode (ATM) zu verbinden.

Wie werden die Daten während der Übertragung verarbeitet?

In einem Schichtsystem tauschen Geräte einer Schicht Daten in einem unterschiedlichen Format aus, das als Protokolldateneinheit (PDU) bezeichnet wird. Die nachstehende Tabelle zeigt die PDUs in verschiedenen Schichten.

Tabelle: Protokolldateneinheit (PDU), die in verschiedenen Schichten verarbeitet wird.

Wenn ein Benutzer beispielsweise eine Website auf dem Computer durchsuchen möchte, übergibt die Remote-Server-Software zunächst die angeforderten Daten an die Anwendungsschicht (Application Layer), wo sie von Layer zu Layer verarbeitet wird, wobei jede Ebene ihre zugewiesenen Funktionen ausführt. Die Daten werden dann über die physikalische Schicht des Netzwerks übertragen, bis der Zielserver oder eine andere Vorrichtung sie empfängt. An dieser Stelle werden die Daten wieder durch die Schichten geleitet, wobei jede Schicht ihre zugewiesenen Operationen durchführt, bis die Daten von der Empfangssoftware verwendet werden.

Abbildung 3: Datenströme von den oberen Schichten zu den unteren Schichten, jede Schicht fügt der PDU Header/Footer hinzu.

Während der Übertragung fügt jede Schicht der von der oberen Ebene kommenden PDU einen Header oder Footer oder beides hinzu, der das Paket steuert und identifiziert. Dieser Prozess wird als Verkapselung bezeichnet. Der Header (und Footer) und die Daten bilden zusammen die PDU für den nächsten Layer. Der Prozess wird bis zur untersten Schicht (Physical Layer oder Network Access Layer) fortgesetzt, von wo aus die Daten an die Empfangsvorrichtung übertragen werden. Die Empfangsvorrichtung kehrt den Prozess um und entpackt die Daten auf jeder Schicht mit den Header- und Footer-Informationen, die die Vorgänge steuern. Dann verwendet die Anwendung schließlich die Daten. Der Prozess wird fortgesetzt, bis alle Daten gesendet und empfangen wurden.

Die Bedeutung von TCP/IP und OSI für die Fehlerbehebung

Mit dem Wissen um die Aufteilung der Schichten können wir diagnostizieren, wo ein bestimmtes Problem liegt, wenn eine Verbindung ausfällt. Das Prinzip besteht darin, von der untersten Schicht aus zu prüfen, und nicht von der höchsten Schicht aus. Denn jede Schicht dient der darüber liegenden Schicht und es ist einfacher, Problemen der unteren Schicht zu beheben. Wenn Ihr Computer beispielsweise keine Verbindung zum Internet herstellen kann, sollten Sie als erstes prüfen, ob das Netzwerkkabel an Ihren Computer angeschlossen ist, ob der Wireless Access Point (WAP) mit dem Switch verbunden ist oder ob die Pins der RJ45-Stecker in gutem Zustand sind.

TCP/IP-Model vs. OSI-Model

Das TCP/IP-Modell ist älter als das OSI-Modell. Die folgende Abbildung zeigt die Beziehungen ihrer entsprechenden Layer.

Abbildung 4: OSI-Modell vs. TCP/IP-Modell und TCP/IP-Protokollsuite

Vergleicht man die Schichten des TCP/IP-Modells und des OSI-Modells, so ähnelt die Anwendungsschicht (Application Layer) des TCP/IP-Modells den kombinierten OSI-Schichten 5, 6, 7, aber das TCP/IP-Modell hat keine separate Präsentations- oder Sitzungsschicht (Presentation layer or Session layer). Die Transportschicht (Transport Layer) von TCP/IP umfasst die Verantwortlichkeiten der OSI-Transportschicht und einige der Verantwortlichkeiten der OSI-Sitzungsschicht (Session Layer). Die Netzwerkzugriffsschicht (Network Access Layer) des TCP/IP-Modells umfasst die Datenverbindung und die physikalischen Schichten des OSI-Modells. Beachten Sie, dass die Internetschicht (Internet Layer) von TCP/IP die Vorteile von Sequenzierungs- und Bestätigungsdiensten, die in der Sicherungsschicht (Data Link Layer) des OSI-Modells vorhanden sein könnten, nicht nutzt. Im TCP/IP-Modell liegt die Verantwortung bei der Transportschicht.

Betrachtet man die Bedeutung der beiden Referenzmodelle, so ist das OSI-Modell nur ein konzeptionelles Modell. Es wird hauptsächlich zur Beschreibung, Diskussion und zum Verständnis einzelner Netzwerkfunktionen verwendet. TCP/IP ist jedoch vor allem dazu gedacht, eine bestimmte Reihe von Problemen zu lösen, anstatt als Generierungsbeschreibung für die gesamte Netzwerkkommunikation als OSI-Modell zu fungieren. Das OSI-Modell ist generisch, protokollunabhängig, aber die meisten Protokolle und Systeme halten sich daran, während das TCP/IP-Modell auf Standardprotokollen basiert, die das Internet entwickelt hat. Eine weitere Besonderheit im OSI-Modell ist, dass nicht alle Schichten in einfacheren Anwendungen verwendet werden. Während die Schichten 1, 2, 3 für jede Datenkommunikation obligatorisch sind, kann die Anwendung anstelle der üblichen oberen Schichten im Modell auch eine bestimmte Schnittstellenschicht für die Anwendung verwenden.

Zusammenfassung

Das TCP/IP-Modell und das OSI-Modell sind beide konzeptionelle Modelle zur Beschreibung der gesamten Netzwerkkommunikation, während TCP/IP selbst aber auch ein wichtiges Protokoll für alle Internetoperationen darstellt. Im Allgemeinen sprechen wir, wenn wir über Schicht 2, Schicht 3 oder Schicht 7 sprechen, in der ein Netzwerkgerät arbeitet, vom OSI-Modell. Das TCP/IP-Modell wird sowohl für die Modellierung der aktuellen Internetarchitektur als auch für die Bereitstellung eines Regelwerks verwendet, dem alle Formen der Übertragung über das Netzwerk folgen.

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