Netzwerksysteme: OSI- und TCP/IP-Modell sowie Paket- und Leitungsvermittlung

Umfassende Vokabel-Karteikarten zu Netzwerksystemen, dem OSI-7-Schichtenmodell, dem TCP/IP-Referenzmodell, Übertragungs- und Vermittlungstechniken sowie Netzwerkkennzahlen basierend auf den Vorlesungsfolien.

OSI-Referenzmodell

Von der ISO definiertes 7-Schichten-Modell, das als herstellerunabhängige Designgrundlage für Kommunikationsnetzwerke dient. Es beschreibt abstrakt die Aufgaben der Schichten und definiert keine konkrete Implementierung.

Physical Layer (Bitübertragungsschicht, Schicht 1)

Unterste OSI-Schicht, die die mechanische, elektrische und funktionale Übertragung einzelner Bits über das physikalische Medium (z. B. Kabel, Funk) festlegt; typische Geräte sind Hubs und Repeater.

Data Link Layer (Sicherungsschicht, Schicht 2)

OSI-Schicht, die für eine gesicherte Übertragung der Daten im lokalen Netz zuständig ist; unterteilt Daten in Rahmen (Frames), nutzt physische MAC-Adressen und prüft Fehler via Prüfsummen (CRC/FCS). Typische Geräte sind Switches und Bridges.

Network Layer (Vermittlungsschicht, Schicht 3)

Schicht zur logischen Adressierung (z. B. IPv4, IPv6) und Wegwahl (Routing) von Paketen zwischen unterschiedlichen Netzwerkknoten; typische Geräte sind Router und Layer-3-Switches.

Transport Layer (Transportschicht, Schicht 4)

Schicht für den Ende-zu-Ende-Transport zwischen Kommunikationspartnern, Flusskontrolle und Datenunverfälschtheit. Adressiert Endanwendungen über Portnummern mittels TCP oder UDP.

Session Layer (Sitzungsschicht, Schicht 5)

OSI-Schicht, die für den Verbindungsaufbau, den geordneten Ablauf, die Synchronisation sowie den Wiederaufbau abgebrochener Sitzungen zwischen Systemen zuständig ist.

Presentation Layer (Darstellungsschicht, Schicht 6)

Schicht, die die systemunabhängige Darstellung und Codierung von Daten (z. B. ASCII, Unicode, JPEG, MPEG) sowie deren Verschlüsselung und Komprimierung regelt.

Application Layer (Anwendungsschicht, Schicht 7)

Oberste OSI-Schicht, die Anwendungsprogrammen standardisierte Netzwerkdienste und Schnittstellen zur Verfügung stellt (z. B. über HTTP, HTTPS, FTP, SMTP, DNS, DHCP).

Kapselung (Encapsulation)

Vorgang beim Sender, bei dem beim Durchlaufen der Schichten von oben nach unten jede Schicht die Daten der darüberliegenden Schicht als Nutzlast übernimmt und um eigene Steuerinformationen (Header, auf Schicht 2 auch Trailer) ergänzt.

Entkapselung (Decapsulation)

Prozess beim Empfänger, bei dem Schicht für Schicht von unten nach oben der jeweilige Protokollkopf (Header) ausgewertet und entfernt wird, bis nur die reinen Nutzdaten bei der Anwendung ankommen.

PDU (Protocol Data Unit)

Bezeichnung für die Dateneinheit einer bestimmten Schicht: Daten (Schichten 5–7), Segment bzw. Datagramm (Schicht 4), Paket (Schicht 3), Rahmen bzw. Frame (Schicht 2) und Bit/Symbol (Schicht 1).

TCP (Transmission Control Protocol)

Zuverlässiges, verbindungsorientiertes Transportprotokoll auf Schicht 4, das Übertragungsfehler erkennt, verlorene Segmente erneut anfordert und die Senderate an die Verbindung anpasst.

UDP (User Datagram Protocol)

Verbindungsloses, unzuverlässiges Transportprotokoll auf Schicht 4 nach dem Prinzip „Fire & Forget“, das ohne Verbindungsaufbau oder Quittungen minimale Übertragungsverzögerungen bietet.

TCP/IP-Modell

Praxisorientiertes, 4-schichtiges Referenzmodell des Internets bestehend aus Netzzugangsschicht (Network Layer), Internetschicht (Internet Layer), Transportschicht (Transport Layer) und Anwendungsschicht (Application Layer).

Hybrides Referenzmodell

Von Andrew S. Tanenbaum geprägtes 5-Schichten-Modell, das die praxisnahe Aufteilung des TCP/IP-Modells nutzt, die Netzzugangsschicht aber wie im OSI-Modell in Bitübertragungs- und Sicherungsschicht trennt.

Please Do Not Throw Sausage Pizza Away

Bekannte englischsprachige Merkhilfe zum Einprägen der sieben OSI-Schichten von Schicht 1 bis Schicht 7 (Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application).

Internet

Weltweites, hierarchisch strukturiertes „Netzwerk von Netzwerken“, das auf standardisierten Protokollen basiert und verteilte Kommunikationsanwendungen über öffentliche und private Infrastrukturen bereitstellt.

Netzwerkprotokoll

Satz formaler Regeln, der das Format, die Reihenfolge und die Bedeutung der zwischen vernetzten Rechnersystemen ausgetauschten Nachrichten sowie die daraus resultierenden Aktionen exakt festlegt.

RFC (Request For Comments)

Fortlaufend nummerierte Dokumentenreihe der IETF (Internet Engineering Task Force), in der technische Standards, Protokollspezifikationen und Best Practices des Internets veröffentlicht werden.

Host (Endsystem)

Endgerät am Randbereich des Netzwerks (z. B. Server, PC, Laptop, Smartphone), auf dem Benutzer- oder Serveranwendungen ablaufen.

Router (Netzwerksymbol)

Zylindrisches Netzwerksymbol mit vier Pfeilen, das ein Vermittlungsgerät auf Schicht 3 darstellt, welches Datenpakete anhand logischer IP-Adressen zwischen getrennten Netzen weiterleitet.

Server (Netzwerksymbol)

Quaderförmiges Netzwerksymbol, das ein zentrales Rechnersystem darstellt, welches Dienste oder Ressourcen permanent unter einer festen Adresse für anfragende Clients bereitstellt.

Client-Server-Architektur

Verteiltes Systemkonzept, bei dem ständig aktive Server mit festen IP-Adressen Anfragen verarbeiten und Clients ausschließlich mit Servern, jedoch nicht direkt untereinander kommunizieren.

Peer-to-Peer-Architektur (P2P)

Serverloses Architekturmodell, bei dem gleichberechtigte Endsysteme („Peers“) mit wechselnden IP-Adressen direkt untereinander kommunizieren und Ressourcen bereitstellen (z. B. BitTorrent).

Leitungsvermittlung (Circuit Switching)

Übertragungsverfahren, bei dem vor Datenbeginn eine durchgehende, exklusive Verbindung mit fest reservierten Ressourcen (z. B. Bandbreite) geschaltet wird (z. B. klassisches Telefonnetz).

Frequenzmultiplex (FDM)

Verfahren zur Kanalteilung bei der Leitungsvermittlung, bei dem das verfügbare Frequenzspektrum einer Leitung in schmalere, feste Frequenzbänder für einzelne Übertragungen aufgeteilt wird.

Zeitmultiplex (TDM)

Verfahren zur Kanalteilung, bei dem die gesamte Bandbreite periodisch in feste Zeitschlitze zerlegt wird, die jeweils einem bestimmten Sender exklusiv zugewiesen werden.

Paketvermittlung (Packet Switching)

Übertragungsprinzip des Internets, bei dem Datenströme in eigenständige Pakete zerlegt werden, die sich Leitungen nach Bedarf teilen und jeweils die volle Leitungsbandbreite nutzen.

Store-and-Forward

Verfahren an Paketvermittlungsknoten (z. B. Routern), bei dem ein Paket erst vollständig empfangen, im Puffer gespeichert und auf Fehler geprüft werden muss, bevor es auf die Ausgangsleitung gesendet wird.

Tier-1 ISP

Globaler Backbone-Provider an der Spitze der Internet-Hierarchie, der mit allen anderen Tier-1-Netzen über gebührenfreies Peering direkt zusammengeschaltet ist (z. B. AT&T, Level 3, Verizon).

Tier-2 ISP

Regionaler oder nationaler Internet Service Provider, der als Kunde gegen Bezahlung IP-Transit von Tier-1-Providern bezieht und häufig Peering mit anderen Tier-2-ISPs betreibt.

Tier-3 ISP

Lokaler Internetanbieter, der das Zugangsnetzwerk („Last Hop“) für Endkunden betreibt und seine Anbindung an das weltweite Internet von übergeordneten Tier-1- oder Tier-2-ISPs einkauft.

Verarbeitungsverzögerung (d_Verarbeitung)

Zeit, die ein Netzknoten benötigt, um den Paketkopf auszuwerten, Prüfsummen auf Bitfehler zu kontrollieren und die ausgehende Leitung zu bestimmen; meist wenige Mikrosekunden.

Wartezeit (d_Warten)

Verzögerung, die ein Datenpaket in der Warteschlange (Puffer) eines Routers verbringt, bis die Ausgangsleitung für die Übertragung frei wird; stark lastabhängig.

Übertragungsverzögerung (d_Übertragung)

Zeitspanne, die erforderlich ist, um alle Bits eines Datenpakets auf das Übertragungsmedium auszugeben; berechnet sich formal als $d_{\text{Übertragung}} = \frac{L}{R}$, wobei $L$ die Paketgröße in Bit und $R$ die Bandbreite in Bit/s ist.

Ausbreitungsverzögerung (d_Ausbreitung)

Dauer, die ein physikalisches Signal benötigt, um die Leitungslänge $d$ mit der physikalischen Ausbreitungsgeschwindigkeit $s$ ($\sim 2 \times 10^8\,\text{m/s}$) zu durchlaufen; Formel: $d_{\text{Ausbreitung}} = \frac{d}{s}$.

Paketverlust

Verwerfen von ankommenden Datenpaketen an einem Vermittlungsknoten, das auftritt, wenn der vorgesehene Pufferspeicher einer Ausgangsleitung vollständig gefüllt ist.

Engpass (Bottleneck)

Das Teilstück entlang eines Ende-zu-Ende-Übertragungspfades mit der geringsten Durchsatzrate, welches den maximal erreichbaren Gesamtdurchsatz der Verbindung begrenzt.

DE-CIX

Zentraler deutscher Internet-Knotenpunkt in Frankfurt am Main, der als einer der größten weltweiten Datenaustauschpunkte Spitzenwerte von über $14{,}4\,\text{Tbit/s}$ verzeichnet.