TCP/IP vs. OSI: Was ist der Unterschied?

Ethernet-Switches spielen eine entscheidende Rolle bei der Datenübertragung zwischen Geräten in Computernetzwerken und arbeiten auf verschiedenen Schichten des Open Systems Interconnection (OSI)-Modells, das sich auf die Schicht eines generischen Protokolls bezieht. Das generische Protokollmodell legt gemeinsame Regeln für das Senden und Empfangen von Paketen zwischen verschiedenen Netzwerkschichten fest. Layer-2-Switches leiten Pakete mithilfe von MAC-Adressen innerhalb desselben Netzwerks weiter, während Layer-3-Switches verwenden IP-Adressen, um Daten zwischen verschiedenen Netzwerken zu übertragen. Neben dem OSI-Modell ist das Modell des Transmission Control Protocol (TCP) und Internet Protocol (IP) ein weiteres konzeptionelles Modell zur Beschreibung der Netzwerkkommunikation, das aus vier Schichten besteht. Das OSI hat sieben und TCP/IP hat vier Schichten. Das Verständnis dieser Modelle ist für ein effizientes und sicheres Netzwerkdesign und dessen Implementierung unerlässlich.

Schichten des OSI-Referenzmodells

Das OSI-Modell besteht aus sieben Schichten als konzeptionellem Rahmen, der die Arbeitsteilung und Interaktion zwischen verschiedenen Software- und Hardwarekomponenten standardisiert, die an der Netzwerkkommunikation beteiligt sind.

Schicht 7: Anwendungsschicht

Die Anwendungsschicht des OSI-Modells ist dafür zuständig, Softwareanwendungen bei Bedarf Kommunikationsfunktionen bereitzustellen, und ist damit die Schicht, die den Endbenutzern am nächsten ist. Zu ihren Hauptfunktionen gehört die Bestätigung der Verfügbarkeit von Kommunikationsressourcen und Kommunikationspartnern, um die Datenübertragung zu ermöglichen. Darüber hinaus definiert diese Schicht Protokolle für Endanwendungen, wie DNS, FTP, HTTP, IMAP, POP, SMTP, SNMP und Telnet (das ein Terminal emuliert).

Schicht 6: Darstellungsschicht

Die Kompatibilität von Daten mit Kommunikationsressourcen wird von der Darstellungsschicht geprüft, die sie in ein Format umwandeln kann, das sowohl für die Anwendungsschicht als auch für niedrigere Schichten akzeptabel ist. Sie stellt sicher, dass Daten korrekt übertragen werden, indem sie sie so formatiert, dass die empfangende Anwendung sie verstehen kann. Diese Schicht ist für Datenkomprimierung, Verschlüsselung und Entschlüsselung verantwortlich und übernimmt außerdem die Umwandlung von Daten zwischen verschiedenen Zeichenkodierungsschemata. Das Hauptziel der Darstellungsschicht besteht darin, sicherzustellen, dass die von der Anwendungsschicht empfangenen Daten in einem Format dargestellt werden, das die Anwendung verstehen kann, unabhängig von den zugrunde liegenden Netzwerkprotokollen, die für die Übertragung verwendet werden. Die Darstellungsschicht ist dafür verantwortlich, die Integrität der Datenübertragung zu schützen und Genauigkeit sowie Sicherheit während der Datenübertragung zu gewährleisten.

Schicht 5: Sitzungsschicht

Die Sitzungsschicht verwaltet die Kommunikationsverbindungen zwischen Computern. Ihre Hauptaufgaben bestehen darin, die Verbindungen zwischen lokalen und entfernten Anwendungen herzustellen, zu verwalten, aufrechtzuerhalten und zu beenden. Darüber hinaus übernimmt die Software der Schicht 5 die Authentifizierungs- und Autorisierungsprozesse und stellt die erfolgreiche Übermittlung von Daten sicher.

Schicht 4: Transportschicht

Die Transportschicht ist für die Übertragung von Datensequenzen vom Quellhost zum Zielhost verantwortlich. Sie stellt durch Fehlerkorrektur und ähnliche Funktionen sicher, dass die übertragenen Daten eine hohe Qualität und Integrität aufweisen. Eine der Hauptfunktionen der Transportschicht besteht darin, eine explizite Flusskontrolle bereitzustellen, die dabei hilft, die Rate zu steuern, mit der Daten gesendet und empfangen werden, um Netzwerküberlastungen zu verhindern. Obwohl TCP und das User Datagram Protocol (UDP) nicht strikt dem OSI-Modell entsprechen, gelten sie aufgrund ihrer Fähigkeit, die Datenübertragung in unterschiedlichen Szenarien zu handhaben, als wesentliche Protokolle in Schicht 4. Die Transportschicht kann sicherstellen, dass die Datenübertragung effizienter und zuverlässiger ist.

Schicht 3: Netzwerkschicht

Die Netzwerkschicht verwaltet die Paketweiterleitung mithilfe logischer Adressierung und Switching-Funktionen. Ein Netzwerk verbindet mehrere Knoten, und jeder Knoten hat eine Adresse. Wenn eine neue Nachricht von einem Knoten zu einem anderen übertragen wird, stellt sie den Nachrichteninhalt und die Adresse des Zielknotens bereit, und das Netzwerk liefert die Nachricht an den Zielknoten. Das Netzwerk kann eine längere Nachricht in mehrere Segmente aufteilen und diese einzeln übertragen, sie möglicherweise über andere Knoten umleiten und die Fragmente an einem anderen Knoten wieder zusammensetzen.

Layer 2: Sicherungsschicht

Die Sicherungsschicht dient als Mittel zur Übertragung von Daten von Knoten zu Knoten und übernimmt das Verpacken und Entpacken von Informationen in Frames. Darüber hinaus definiert sie Protokolle zum Herstellen und Beenden von Verbindungen zwischen physisch verbundenen Geräten, wie etwa das Point-to-Point Protocol (PPP). Die Sicherungsschicht besteht typischerweise aus zwei Unterschichten: einer sogenannten Media-Access-Control-(MAC)-Schicht und einer Logical-Link-Control-(LLC)-Schicht. Die MAC-Schicht ist dafür verantwortlich, zu verwalten, wie Geräte in einem Netzwerk Zugriff auf Medien erhalten und die Berechtigung zur Datenübertragung bekommen, während die Logical-Link-Control-Schicht Protokolle der Netzwerkschicht identifizieren und kapseln sowie Fehlerprüfung und Frame-Synchronisierung überwachen kann.

Schicht 1: Bitübertragungsschicht

Die physikalische Schicht definiert das Medium, über das Daten übertragen werden, und legt alle elektrischen und physikalischen Spezifikationen aller Datenübertragungsverbindungen fest. Dazu gehören die Spannungspegel, der Strom und die Signalrate des Übertragungsmediums sowie die Eigenschaften des Übertragungsmediums, wie Fasertyp, Bandbreite und Betriebswellenlänge. Darüber hinaus gewährleistet sie die genaue Übertragung und den Empfang von Daten durch Kodierung, Modulation und Fehlererkennung in den Signalen. Letztlich ist die physikalische Schicht dafür verantwortlich, digitale Daten in Signale umzuwandeln, die über das Kommunikationsmedium übertragen werden können.

TCP/IP-Modellschichten

Das TCP/IP-Modell, das auch als Internetprotokollfamilie bezeichnet wird, ist ein geschichtetes Referenzmodell, das aus vier Schichten besteht. Obwohl TCP und IP die grundlegenden Protokolle sind und dem Modell seinen Namen geben, gibt es nicht nur TCP/IP-Protokolle, sondern auch andere Protokolle, die innerhalb dieses Rahmens verwendet werden.

Anwendungsschicht

Im TCP/IP-Modell ermöglicht die Anwendungsschicht Anwendungen den Zugriff auf Dienste anderer Schichten und legt die von Anwendungen verwendeten Protokolle für den Datenaustausch fest. Einige bekannte Protokolle der Anwendungsschicht sind HTTP, FTP, SMTP, Telnet, DNS, SNMP und das Routing Information Protocol (RIP).

Transportschicht

Die Host-zu-Host-Transportschicht, auch als Transportschicht bezeichnet, stellt der Anwendungsschicht Sitzungs- und Datagramm-Kommunikationsdienste bereit. Zu den primären Protokollen, die von dieser Schicht verwendet werden, gehören TCP und UDP. TCP bietet einen zuverlässigen Kommunikationsdienst, der verbindungsorientiert und eins-zu-eins ist. Es übernimmt die Verantwortung für die Reihenfolge und Bestätigung übertragener Pakete sowie für das Wiederherstellen während der Übertragung verloren gegangener Pakete. UDP hingegen bietet einen verbindungslosen, eins-zu-eins- oder eins-zu-vielen- und unzuverlässigen Kommunikationsdienst. Es wird häufig verwendet, wenn kleine Datenmengen übertragen werden, die in ein einzelnes Paket passen.

Internetschicht

Die Internetschicht trägt die Verantwortung für die Ausführung von Host-Adressierung, Paketierung und Routing-Aufgaben. Zu ihren Hauptprotokollen gehören IP, ARP, ICMP und IGMP. IP, ein routingfähiges Protokoll, übernimmt IP-Adressierung, Routing, Paketfragmentierung und Wiederzusammensetzung. ARP hingegen ermittelt die Adresse der Netzwerkzugriffsschicht, die sich auf eine Hardwareadresse beziehen kann, die mit einem bestimmten Zugriff der Internetschicht verbunden ist. ICMP bietet Diagnosefunktionen und Fehlerberichte, falls die Zustellung von IP-Paketen fehlschlägt. IGMP verwaltet IP-Multicast-Gruppen. Der IP-Header, der die IP-Adresse enthält, wird den Paketen in dieser Schicht hinzugefügt. Derzeit sind sowohl 32-bit-IPv4- als auch 128-bit-IPv6-Adressen in Gebrauch.

Netzwerkzugriffsschicht

Die Netzwerkzugriffsschicht, auch Verbindungsschicht genannt, ist dafür verantwortlich, TCP/IP-Pakete auf das Netzwerkmedium zu übertragen und TCP/IP-Pakete vom Netzwerkmedium abzurufen. TCP/IP ist bewusst so konzipiert, dass es unabhängig von der Netzwerkzugriffsmethode, dem Frame-Format und dem Medium ist, was bedeutet, dass es nicht an eine bestimmte Netzwerktechnologie gebunden ist. Folglich kann TCP/IP die Kommunikation über verschiedene Arten von Netzwerken hinweg ermöglichen.

Was ist der Prozess der Datenübertragung und wie werden Daten dabei verarbeitet?

Eine Protokolldateneinheit (PDU) ist das Format, in dem Daten zwischen verschiedenen Schichten in einem Schichtsystem ausgetauscht werden. Die folgende Tabelle zeigt verschiedene Arten von PDUs, die in solchen Systemen verwendet werden.

Wenn der Benutzer auf seinem Gerät einen Web-Browsing-Vorgang ausführt, leitet die Remote-Serversoftware den Prozess ein, indem sie die angeforderten Daten an die Anwendungsschicht bereitstellt. Von dort werden die Daten nacheinander durch jede Schicht verarbeitet. Die einzelnen Schichten des Netzwerkprotokolls haben unterschiedliche Funktionen, und die Daten fließen durch die physische Schicht des Netzwerks. Während sie durch die Schichten aufsteigen, wird sichergestellt, dass die Daten ihr vorgesehenes Ziel erreichen, sei es ein Zielserver oder ein anderes Gerät. Jede Schicht führt die ihr zugewiesenen Vorgänge aus, bis sie schließlich von der empfangenden Software genutzt werden.

Kapselung ist der Prozess, bei dem jede Schicht während der Übertragung der von der oberen Schicht empfangenen Protocol Data Unit (PDU) entweder einen Header oder einen Footer oder beides hinzufügt. Diese hinzugefügten Informationen leiten und identifizieren das Paket. Der Header (und Footer) und die ursprünglichen Daten aus der PDU für die nächstniedrigere Schicht. Dieser Prozess wird wiederholt, bis die unterste Schicht (physikalische Schicht oder Netzwerkzugriffsschicht) erreicht ist, von der aus die Daten an das empfangende Gerät übertragen werden.

Nach dem Empfang der Daten entkapselt das empfangende Gerät die Daten auf jeder Schicht, indem es die Header- und Footer-Informationen extrahiert, die den Entkapselungsprozess steuern. Schließlich verwendet die Anwendung die extrahierten Daten. Der gesamte Vorgang begleitet den gesamten Prozess der Datenübertragung einschließlich Senden und Empfangen.

Fehlerbehebung anhand der TCP/IP- und OSI-Modelle

Mit einem Verständnis der Netzwerkschichten wird es möglich, die Ursache eines Verbindungsfehlers zu diagnostizieren. Es ist im Allgemeinen ratsam, die Fehlerbehebung auf der untersten Netzwerkschicht zu beginnen und sich nach oben vorzuarbeiten, anstatt auf der höchsten Schicht zu starten. Das liegt daran, dass jede Schicht darauf ausgelegt ist, der darüberliegenden Schicht zu dienen, wodurch es einfacher wird, Probleme zu behandeln, die auf der nächsten Schicht auftreten.

Im Falle eines Netzwerkproblems sollte der erste Schritt darin bestehen, die physische Schicht zu überprüfen. Dazu gehört sicherzustellen, dass das Netzwerkkabel ordnungsgemäß angeschlossen ist, und zu prüfen, ob der Wireless Access Point (WAP) mit dem Switch, und überprüfen, ob die RJ45-Pins in gutem Zustand sind.

TCP/IP-Modell vs. OSI-Modell

Es gibt viele Unterschiede zwischen dem TCP/IP-Modell und dem OSI-Modell, wie bereits zuvor dargestellt. Das folgende Beispiel zeigt die entsprechende Beziehung zwischen ihnen.

Beim Vergleich der Schichten des TCP/IP-Modells mit denen des OSI-Modells lässt sich feststellen, dass die Anwendungsschicht des TCP/IP-Modells den Schichten 5, 6 und 7 des OSI-Modells entspricht. Das TCP/IP-Modell verfügt jedoch nicht über separate Schichten zur Darstellung der Darstellungs- und Sitzungsschicht. Die Transportschicht in TCP/IP übernimmt die Funktionen der OSI-Transportschicht sowie einige Aspekte der OSI-Sitzungsschicht. Die Netzwerkzugriffsschicht in TCP/IP umfasst hingegen die Bitübertragungs- und Sicherungsschicht im OSI-Modell. Andererseits werden die Sequenzierungs- und Bestätigungsdienste, die auf der Sicherungsschicht des OSI-Modells verfügbar sind, von der Internetschicht des TCP/IP-Modells nicht verwendet.

Das OSI-Modell und das TCP/IP-Modell sind zwei Netzwerkmodelle, die definieren, wie die Kommunikation zwischen Geräten in einem Netzwerk strukturiert sein sollte. Beide Modelle haben ähnliche Schichten, die ähnliche Funktionen ausführen, aber das OSI-Modell ist eher theoretisch und bietet einen standardisierten Rahmen für die Vernetzung, während das TCP/IP-Modell in der Praxis für die Vernetzung im Internet verwendet wird. Die Entwicklung des OSI-Modells zielte darauf ab, einen universellen Rahmen zu schaffen, der es verschiedenen Geräten erleichtert, miteinander zu kommunizieren. Im Gegensatz dazu wurde das TCP/IP-Modell speziell für das ARPANET, den Vorläufer des heutigen Internets, entwickelt, um eine zuverlässige Kommunikation über ein Netzwerk miteinander verbundener Computer bereitzustellen. Trotz ihrer Unterschiede werden beide Modelle auch heute noch verwendet, und ihre Konzepte und Prinzipien sind in moderne Netzwerkprotokolle und -standards integriert.

Fazit

In diesem Artikel haben wir einen umfassenden Überblick sowohl über das TCP/IP-Modell als auch über das OSI-Modell gegeben, abstrakte Frameworks, die dazu dienen, alle Formen der Netzwerkkommunikation zu erklären. Insbesondere TCP/IP spielt eine bedeutende Rolle bei der Ermöglichung des Internetbetriebs. Wenn wir über die Netzwerkausrüstungsebenen 2, 3 und 7 sprechen, beziehen wir uns typischerweise auf das OSI-Modell. Das TCP/IP-Modell dient unterdessen als Modell für die moderne Internetinfrastruktur und legt einen standardisierten Satz von Regeln fest, die alle Netzwerkübertragungen regeln.