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netzwerk:schichtenmodell

Das Schichtenmodell

In other words, we solve the problem by introducing yet another indirection.
— Bjarne Stroustrup : Sixteen Ways to Stack a Cat

Ein Protokoll regelt die Kommunikation zwischen zwei Endstellen. Es sagt nichts darüber, wie die einzelnen Nachrichten vom Sender zum Empfänger kommen. Die darunter liegenden Vorgänge bleiben unsichtbar (transparent).

Die einzelne Nachricht vom Programm aus dem Rechner hinauszubringen ist ein komplexer Vorgang, der mehrere Stadien, Schichten genannt, durchläuft. Um diese Vorgänge zu veranschaulichen, eignet sich eine Metapher, die der Cisco-Netzwerk-Ingenieur Keith Barker in zwei etwa je zehn Minuten langen YouTube-Videos benutzt (Keith6783 on YouTube: The OSI Model Demystified Part 1, Part 2). Das Fremdsprachverständnis ist vielleicht nicht so ausgeprägt, wie es zu wünschen wäre. Daher ist eine Darstellung in unserer Muttersprache hilfreich (es ist keine wortgetreue Übersetzung):

König A » Botschaft an » König B
7 Anwendung Schreiber Schreiber
6 Darstellung Dolmetscher Dolmetscher
5 Sitzung Kanzler Kanzer
4 Transport Verwalter Verwalter
3 Vermittlung Poststelle Poststelle
2 Sicherung Briefumschlag Briefumschlag
1 Bitübertragung Postsack » Postkutsche » Postsack

Merkspruch: Alle Deutschen Studenten Trinken Verschiedene Sorten Bier.

[7] Anwendungsschicht

Ein König, nennen wir ihn König A, möchte einen andern, König B, zum Essen einladen. Also ruft er seinen Schreiber. Dieser fragt: "Was kann ich für Euch tun?" "Ich muss eine Botschaft verschicken", sagt der König. "Kein Problem, was ist es?" "König A möchte König B zum Essen einladen. Wir haben uns lange nicht gesehen. Wie wäre es nächsten Monat?" Der Schreiber notiert alles wortgetreu und überlegt sich beim Hinausgehen: "Ich kann mich unmöglich aufs Pferd setzen und mit der Nachricht ins Königreich B reiten. Schließlich werde ich hier als Schreiber gebraucht." Zum Glück gibt es dafür Regeln: Jede Nachricht vom König muss der Schreiber zum Dolmetscher gleich nebenan bringen.

[6] Darstellungsschicht

Der Dolmetscher hat Nachrichten z.B. aus dem Englischen ins Französische zu übersetzen. Auch muss er geheime Nachrichten verschlüsseln oder Geheimcodes wieder entschlüsseln, die sicher übermittelt werden sollen. Diesmal ist es eine einfache Nachricht, nichts Geheimes, der Empfänger spricht sogar dieselbe Sprache. "Hei, das ist eine einfache Arbeit. Auf der Gehaltsliste stehen und nichts tun, das gefällt mir!" denkt sich der Dolmetscher und reicht den Brief an den Kanzler weiter.

[5] Sitzungsschicht

Der Kanzler führt für den König Verhandlungen, die sich auch lange hinziehen können. Eine Einladung zum Essen könnte die ohnehin guten Beziehungen zum Nachbarland weiter verbessern. Der Kanzler hält das für eine gute Idee und gibt sein Einverständnis, die Nachricht an den König B weiterzuleiten.

Schreiber, Dolmetscher und Kanzler bilden die gehobene Exekutive. Leider muss aber auch jemand die wirkliche Arbeit tun. Also übergibt der Kanzler den Brief an den Verwalter mit dem Auftrag, das Schreiben zum König B zu schicken.

[4] Transportschicht

Der Verwalter ist ein geplagter Mensch, der sich dauernd Sorgen darum machen muss, wie er mit dem wenigen Geld alle Aufgaben erledigen kann. Die Staatskasse ist wie immer fast leer, ständig muss gespart werden. Die Nachricht ist ziemlich umfangreich, enthält neben der offiziellen Einladung zum Essen auch persönliche Mitteilungen von König A. "Ich möchte auf den unsicheren Postwegen nicht alles verlieren", meint der Verwalter. Daher zerlegt er das Schreiben in mehrere Teile, kleine Sendungen sind auch preiswerter als große. Er markiert sie als "Teil 1 von 2" und "Teil 2 von 2" und hofft inständig, dass er eine Empfangsbestätigung aus dem Königreich B bekommt, wenn beide oder wenigstens ein Teil der Nachricht angekommen ist. Schließlich wird er dafür verantwortlich gemacht, wenn etwas schiefgeht. Im schlimmsten Fall muss er die verlorenen Teile noch einmal schicken. Bis dahin hat er auch noch eine Kopie des Schreibens da. Mit Stempel versehen gibt er die Teile an die Poststelle weiter, wie dies durch die Verwaltungsregeln vorgesehen ist.

[3] Vermittlungsschicht

Wie es auf der Post zugeht, weiß eigentlich jeder. Der Postbeamte sieht ein solches Teil der Nachricht: "Oh, das muss ins Königreich B. Ich kenne die Anschrift und Postleitzahl von König B. Ich mache gleich die Adressaufkleber fertig." Dann steht noch die Entscheidung über den Postweg an: "Schicken wir es mit DHL oder mit PostModern?"

[2] Sicherungsschicht

Für jedes Postunternehmen und jeden Transportweg gibt es unterschiedliche Umschläge, Luftpostbriefe haben so schöne bunte Ränder. Entsprechend eingetütet und frankiert landet der Brief im Postsack.

[1] Bitübertragungsschicht

Die Briefe werden in die Postkutsche verladen und verlassen mit dieser das Schloss von König A.

Welchen Weg die Postkutsche und mit ihr die Nachricht nimmt, ob sie nochmal umgeladen werden muss (Weitverkehrsnetz), hängt von der Geographie und dem Bestimmungsort ab.

An der Gegenstelle zurück nach oben

Im günstigen Fall landet der Brief an der Tür der Poststelle vom Schloss des Königs B, wo die Briefe in Empfang genommen werden. Unbeschädigte Post mit klar erkennbarem Empfänger wird angenommen und als eingegangen markiert: "Dies ist für uns, geben wir es dem Verwalter." Der Verwalter von König B nimmt das Schreiben in die Hand und sieht: "Oh nein, das ist Teil 1 von 2. Das bedeutet, da muss noch ein Teil sein. Wo ist der zweite? Gnade euch Gott, wenn ihr den versiebt habt! …" Er holt tief Luft, aber Teil 2 kommt Sekunden später an. Nun kann der Verwalter die Teile in der richtigen Reihenfolge zusammenfügen und dem Kanzler übergeben.

"Wir haben gute Beziehungen zu Königreich A, also her mit dem Brief." Wäre dem nicht so, würde der Kanzler den Brief nicht an den König weiterleiten. Das geschieht aber wieder auf dem Dienstweg. Der Dolmetscher freut sich, dass die Nachricht nicht verschlüsselt ist und nicht übersetzt werden muss. Er gibt den Brief an den Schreiber weiter, der mit dem Brief an die Bürotür des Königs klopft. "König A möchte wissen, ob Ihr mit ihm essen möchtet." verkündet er und liest dem König B die Einladung vor.

Was steckt hinter der Metapher?

Übertragen wir diese anschaulichen Vorgänge auf Maschinen. Jede Botschaft von einem Rechner zu einem anderen wird in ähnlicher Weise von ganz oben, der Anwendungsschicht, über definierte Schnittstellen alle darunterliegenden Schichten durchlaufen, um dann auf der untersten Ebene den Rechner zu verlassen. An der Gegenstelle angekommen, wird sie wieder durch alle Zwischenschichten bis zur Anwendungsschicht hinaufgeleitet, ehe sie zur Verarbeitung kommen kann. Warum gibt es das Schichtenmodell überhaupt? Es dient mehreren Zielen:

  • Es gibt klar festgelegte Regeln vor, in denen die einzelnen Schritte für das Versenden und Empfangen von Nachrichten ablaufen.
  • Die einzelnen Regelwerke sind nur so komplex, dass beim Entwurf und beim Abarbeiten der Überblick nicht verloren geht.
  • Die Übergabe von einer Schicht an die nächste ist in Standards klar festgelegt. Lieferanten von Geräten und Dienstleistungen müssen nur auf diese Schnittstellen hin entwickeln, um kompatibel zu sein.
  • Darunterliegende Schichten können ausgetauscht werden. Ob die Nachricht als elektrische Impulse, Lichtblitze, Funkwellen oder per Brieftauben übertragen wird, ist für die Übermittlung der Nachricht ohne Belang, wenn man von der Übertragungsgeschwindigkeit absieht.

Der Datenverkehr durch die darunterliegenden Schichten verläuft im Normalfall so transparent, dass deren Tätigkeit unbemerkt bleibt. Es wird die Illusion geschaffen, als ob die Schichten der gleichen Ebene auf beiden Seiten über ein Protokoll miteinander direkt kommunizieren. Sogar wenn ein beachtlicher Teil der Nachricht als Datenschnipsel verstümmelt oder zerstört wird, garantieren einige Protokolle wie das Transportkontrollprotokoll (TCP auf Schicht 4), dass die Nachricht vollständig übertragen wird. Verlorene oder verfälschte Teile müssen nochmals übertragen werden, der erfolgreiche Empfang wird bestätigt (vom Verwalter B, damit Verwalter A weiß, was angekommen ist).

An dieser Stelle ist die Analogie zum Postverkehr nicht mehr gegeben. Es gibt keine Versicherung für Wertsendungen im Internet-Datenverkehr. Schadhafte Sendungen werden nicht repariert, sondern gnadenlos aussortiert. Im Fehlerfall muss nochmal gesendet werden.

Auch wenn die Abläufe durch diese Beschreibung recht weit von den technischen Spezifikationen abweichen und in einer Netzwerkkarte auch keine Lebewesen als Sachbearbeiter tätig sind, halte ich das Gleichnis mit den Königen und ihren Untergebenen für eine gute einleitende Darstellung, die besser in Erinnerung bleiben wird als andere technische Beschreibungen des Schichtenmodells.

netzwerk/schichtenmodell.txt · Zuletzt geändert: 2018-05-29 06:43 von rrichter