Protokollschichtung und Referenzmodelle

Die Protokollschichtung organisiert die Netzwerkfunktionalität in einem Stapel von Schichten, wobei jede Schicht der darüberliegenden Schicht über eine Schnittstelle einen definierten Dienst bereitstellt. Die Referenzmodelle OSI und TCP/IP stellen die zwei kanonischen Wege dar, diese Funktionen zu partitionieren.

Definition

Ein Referenzmodell ist ein abstraktes geschichtetes Framework, das Kommunikationsfunktionen in Schichten unterteilt, wobei jede Schicht durch den Dienst, den sie anbietet, die Schnittstelle, die sie der angrenzenden Schicht präsentiert, und das Protokoll, das sie zur Kommunikation mit ihrem Peer auf einem anderen Host verwendet, definiert ist.

Scope

Dieses Thema behandelt, warum und wie Netzwerkprotokolle geschichtet werden: die Begriffe Dienst, Schnittstelle und Protokoll; die Kapselung (Encapsulation), wenn Daten den Stapel hinuntergereicht werden; und die zwei wichtigsten Referenzmodelle. Es vergleicht das siebenschichtige OSI-Modell (Bitübertragungsschicht, Sicherungsschicht, Vermittlungsschicht, Transportschicht, Sitzungsschicht, Darstellungsschicht, Anwendungsschicht) mit dem fünfschichtigen Internet-/TCP-IP-Modell und erklärt, was jede Schicht leistet und warum das Internet-Modell die oberen Schichten des OSI-Modells zusammenfasst. Detaillierte Mechanismen innerhalb einer einzelnen Schicht, die in den entsprechenden Themen behandelt werden, sind ausgeschlossen.

Core questions

• Was sind Dienst, Schnittstelle und Protokoll einer Schicht, und wie unterscheiden sie sich?
• Welche Funktion erfüllt jede Schicht der OSI- und TCP/IP-Modelle?
• Was ist Kapselung (Encapsulation), und wie akkumulieren sich Header beim Abstieg durch den Stapel?
• Warum hat das Internet ein fünfschichtiges Modell anstelle des vollständigen siebenschichtigen OSI-Modells übernommen?
• Was sind die Vor- und Nachteile einer strikten Schichtung?

Key concepts

• Schichtdienst, Schnittstelle und Protokoll
• OSI-Siebenschichtenmodell
• TCP/IP-Fünfschichtenmodell
• Kapselung und Header
• Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht
• Vermittlungsschicht und Transportschicht
• Sitzungsschicht und Darstellungsschicht
• Anwendungsschicht
• Protokolldateneinheiten

Key theories

Dienst, Schnittstelle und Protokoll

Die Schichtung unterscheidet den Dienst, den eine Schicht bereitstellt, die Schnittstelle, über die die darüberliegende Schicht darauf zugreift, und das Protokoll, über das Peer-Entitäten auf derselben Schicht kommunizieren; deren Trennung ermöglicht es, Implementierungen zu ändern, ohne angrenzende Schichten zu beeinträchtigen.

Kapselung (Encapsulation)

Wenn eine Nachricht den Stapel hinuntergereicht wird, umhüllt jede Schicht die empfangenen Daten mit ihrem eigenen Header (und manchmal Trailer), sodass die Einheit auf jeder Schicht die höheren Schichten als Nutzlast trägt; der Empfänger kehrt diesen Vorgang beim Aufstieg um.

Internet-Designphilosophie

Das DARPA-Internet wurde um ein einfaches, robustes Best-Effort-Netzwerk mit Intelligenz an den End-Hosts geschichtet, wobei Überlebensfähigkeit und Interoperabilität Vorrang vor dem umfassenden Funktionsumfang von OSI hatten, was das schlankere TCP/IP-Modell prägte.

Clinical relevance

Referenzmodelle sind das gemeinsame Vokabular, das Ingenieure verwenden, um Funktionalitäten zu lokalisieren und zu diskutieren: Die Aussage, dass ein Problem „auf Schicht 3“ liegt oder dass ein Gerät „ein Schicht-2-Switch“ ist, kommuniziert präzise, wo im Stapel es arbeitet. Die Modelle leiten die Fehlerbehebung, Interoperabilitätsstandards und das modulare Design von Netzwerksoftware und -hardware.

History

Das OSI-Referenzmodell wurde Ende der 1970er Jahre von der ISO entwickelt und 1980 von Zimmermann als herstellerneutrales Framework formalisiert. Parallel dazu entstand die TCP/IP-Suite aus der ARPANET-Forschung, und Clarks Arbeit von 1988 formulierte deren Designphilosophie. Obwohl der OSI-Stack nie vollständig implementiert wurde, hat sich seine Terminologie erhalten, während das TCP/IP-Modell zum operativen Standard des Internets wurde.

Debates

Pädagogischer Wert von OSI versus operationelle Realität von TCP/IP

Die sieben Schichten von OSI trennen Funktionen wie Sitzung und Darstellung sauber, die der Internet-Stack in Anwendungen zusammenfasst, was OSI für Lehrzwecke nützlich macht; Kritiker argumentieren, es sei überentwickelt und habe nie realen Systemen entsprochen, daher präsentieren Lehrbücher beide für unterschiedliche Zwecke.

Key figures

• Hubert Zimmermann
• David D. Clark
• Vinton Cerf
• Robert Kahn

Seminal works

• zimmermann1980
• clark1988
• kurose2021

Frequently asked questions

Wie viele Schichten hat der Internet-Protokollstapel?

Der Internet-Stack wird üblicherweise als fünf Schichten beschrieben: Anwendung, Transport, Netzwerk, Sicherung und Bitübertragung. Das siebenschichtige OSI-Modell fügt eine Sitzungs- und eine Darstellungsschicht zwischen Anwendung und Transport hinzu, Funktionen, die das Internet-Modell den Anwendungen überlässt.

Was ist Kapselung (Encapsulation)?

Kapselung ist der Prozess, bei dem jede Schicht ihre eigenen Kontrollinformationen, typischerweise einen Header, um die von der darüberliegenden Schicht übergebenen Daten herum hinzufügt. Bis die Daten die physikalische Verbindung erreichen, sind sie in mehrere Schichten von Headern eingewickelt, die der empfangende Host Schicht für Schicht entfernt.