Model OSI i TCP/IP

Na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych zaobserwowano znaczny wzrost liczby oraz rozmiarów sieci komputerowych. Budowano je w oparciu o różne implementacje sprzętowe i programowe. W wyniku tego sieci były ze sobą niezgodne, a komunikacja między nimi bardzo utrudniona. Organizacja ISO zauważyła problem i potrzebę utworzenia modelu sieci, który pomógłby implementować sieci mogące współpracować i komunikować się ze sobą. W efekcie w roku 1984 powstał model odniesienia OSI.

Model odniesienia OSI to podstawowy model komunikacji sieciowej. Najważniejszym zadaniem modelu odniesienia OSI jest przyśpieszenie rozwoju przyszłych produktów sieciowych. Chociaż istnieją także inne modele, większość producentów wiąże swoje produkty z modelem OSI.

Model odniesienia jest uważany za najlepsze dostępne narzędzie służące do nauki wysyłania i odbierania danych w sieci. OSI pozwala obserwować funkcje sieci pełnione przez każdą z warstw. Co ważniejsze, model odniesienia OSI to szkielet, którego można użyć, aby zrozumieć wędrówki informacji w sieci. Ponadto model OSI można wykorzystać do wizualizacji procesu wędrówki informacji lub pakietów danych z aplikacji przez medium sieci do innych aplikacji umieszczonych na innym komputerze w sieci, nawet jeśli nadawca i odbiorca mają różne typy mediów sieciowych.

W modelu odniesienia OSI mamy do czynienia z siedmioma ponumerowanymi warstwami. Każda warstwa ilustruje konkretne funkcje sieciowe. Podział funkcji sieciowych nosi nazwę podziału na warstwy. Dzielenie sieci na siedem warstw daje następujące zalety:

• Dzieli komunikację sieciową na mniejsze, prostsze części, z którymi łatwiej pracować.
• Ułatwia standaryzacje elementów sieciowych, co pozwala na korzystanie i obsługę z poziomu produktów wielu producentów.
• Umożliwia nawiązanie komunikacji między różnymi rodzajami sprzętu i oprogramowania sieciowego.
• Zapobiega wpływom zmian w jednej warstwie na inne warstwy, co przyśpiesza ich dokonywanie.
• Dzieli komunikację sieciową na mniejsze części, dzięki czemu poznawanie ich jest znacznie łatwiejsze.

Siedem warstw modelu odniesienia OSI
Proces przemieszczania się informacji między komputerami jest podzielony na siedem mniejszych, łatwiejszych w zarządzaniu etapów. Każda z siedmiu części reprezentowana jest za pomocą własnej warstwy w modelu. Oto siedem warstw w modelu odniesienia OSI:

• Warstwa 7: Warstwa aplikacji (application layer)
• Warstwa 6: Warstwa prezentacji (presentation layer)
• Warstwa 5: Warstwa sesji (session layer)
• Warstwa 4: Warstwa transportu (transport layer)
• Warstwa 3: Warstwa sieci (network layer)
• Warstwa 2: Warstwa łącza danych (data link layer)
• Warstwa 1: Warstwa fizyczna (physical layer)

Warstwy wyższe
Trzy wyższe warstwy modelu odniesienia OSI nazywane są warstwami aplikacji.

Warstwa 7: warstwa aplikacji (application layer)
Warstwa aplikacji to najbliższa użytkownikowi warstwa modelu OSI. Dostarcza usługi sieciowe, na przykład dostęp do plików lub drukowanie przez aplikację użytkownika. Różni się od innych warstw tym, że nie dostarcza usług pozostałym warstwom modelu OSI, ale tylko aplikacjom poza modelem. Przykładami takich aplikacji są arkusze kalkulacyjne czy edytory tekstu. Warstwa aplikacji zapewnia dostępność do współużytkowanych zasobów sieci. Synchronizuje i ustanawia porozumienie według procedur wykrywania błędów i integralności danych. Aby ułatwić sobie zapamiętanie warstwy 7, w największym skrócie można traktować ją jako przeglądarkę.

Warstwa 6: warstwa prezentacji (presentation layer)
Warstwa prezentacji sprawia, że informacje wysyłane przez warstwę aplikacji jednego systemu są czytelne dla warstwy aplikacji innego systemu. Jeśli to konieczne, warstwa prezentacji dokonuje tłumaczenia wielu formatów danych, wykorzystując wspólny format. Warstwa ta jest również odpowiedzialna za kompresję i szyfrowanie. Słowa, które najkrócej opisują warstwę 6 to wspólny format danych.

Warstwa 5: warstwa sesji (session layer)
Jak wskazuje nazwa, warstwa sesji ustanawia, zarządza i zamyka sesje między dwoma komunikującymi się hostami. Warstwa sesji dostarcza swoje usługi warstwie prezentacji. Synchronizuje komunikację między warstwami prezentacji dwóch hostów i zarządza ich wymianą danych. Poza regulacją sesji, warstwa ta oferuje zasoby dla efektywnego transferu danych, klasę usług oraz zgłaszanie wyjątków problemów w warstwach sesji, prezentacji i aplikacji. Aby móc szybko zapamiętać warstwę sesji, można skojarzyć ją z dialogami i konwersacjami.

Warstwy niższe
Cztery niższe warstwy modelu OSI definiują sposób przesyłania danych fizycznym kablem przez urządzenia sieci rozległych do stacji końcowych i ostatecznie do aplikacji.

Warstwa 4: warstwa transportu (transport layer)
Warstwa transportu dzieli na segmenty dane pochodzące z systemu wysyłającego i składa je w strumień danych w systemie odbierającym. Granice między warstwą transportu a warstwą sesji można porównać do granic między protokołami aplikacji a protokołami przepływu danych. Podczas gdy warstwy aplikacji, prezentacji i sesji skoncentrowane są na zagadnieniach związanych z aplikacjami, niższe warstwy zajmują się aspektami transportu danych.

Warstwa transportu próbuje dostarczyć usługę transportu danych przez co chroni wyższe warstwy przed zajmowaniem się szczegółami związanymi z realizacją transportu. Warstwa transportu przede wszystkim ocenia, w jakim stopniu niezawodny jest transport między dwoma hostami. Dostarczając usługę komunikacyjną, warstwa transportu ustanawia, utrzymuje i prawidłowo zamyka obwody oparte na połączeniach. Dzięki mechanizmowi niezawodności możliwe są wykrywanie i naprawa błędów transportowych oraz kontrola przepływu danych. Aby łatwo zapamiętać warstwę transportu, można skojarzyć ją z kontrolą przepływu i niezawodnością.

Warstwa 3: warstwa sieci (network layer)
Warstwa sieci to złożona warstwa odpowiedzialna za łączność oraz wybór ścieżek między dwoma systemami hostów, które mogą rezydować w geograficznie oddzielnych sieciach. Aby zapamiętać warstwę sieci, kojarzymy ja z wyborem ścieżek, routingiem oraz logicznym adresowaniem

Warstwa 2: warstwa łącza danych (data link layer)
Warstwa łącza danych odpowiedzialna jest za transport danych fizycznym łączem. Zajmuje się fizycznym (przeciwieństwem logicznego) adresowaniem, topologią sieci, dostępem do mediów sieciowych oraz wykrywaniem błędów. Aby zapamiętać warstwę łącza danych, można ją skojarzyć z ramkami i kontrolą dostępu.

Warstwa 1: warstwa fizyczna
Warstwa fizyczna definiuje mechaniczne, elektryczne, proceduralne i funkcjonalne specyfikacje aktywowania, utrzymywania i wyłączania fizycznego łącza między końcowymi systemami. Specyfikacje warstwy fizycznej definiują takie właściwości, jak poziomy napięcia, okresy zmian napięcia, współczynnik fizyczny danych, maksymalne odległości transmisyjne, fizyczne łączniki oraz inne, podobne atrybuty. Aby zapamiętać warstwę fizyczną, można skojarzyć ją z sygnałami i mediami.

Enkapsulacja
Cała komunikacja w sieci zaczyna się w źródle, a kończy w miejscu przeznaczenia. Informacje wysyłane w sieci nazywane są danymi lub pakietami danych. Jeśli jednak komputer (host A) chce wysłać dane do innego komputera (host B), dane najpierw muszą być przygotowane w procesie nazywanym enkapsulacją. Enkapsulacja przed wysłaniem do sieci otacza dane koniecznymi informacjami na temat protokołu. Dlatego, w miarę przemieszczania się danych między kolejnymi warstwami modelu OSI, zbiera on nagłówki, stopki i inne informacje.

Po wysłaniu ze źródła dane wędrują przez warstwę aplikacji do niższych warstw. Jak widać, pakowanie i przepływ wymienianych danych zmienia się w następstwie usług wykonywanych przez warstwy.

Dane w postaci elektronicznych sygnałów muszą wędrować kablem do właściwego komputera docelowego, a następnie są konwertowane do swojej początkowej postaci, aby były czytelne dla odbiorcy. Łatwo sobie wyobrazić, że proces ten składa się z kilku etapów. Z tego powodu twórcy sprzętu, oprogramowania i protokołów, zauważyli, że najbardziej efektywnym sposobem implementacji komunikacji sieciowej jest proces warstwowy.

Jak widać, sieci muszą przeprowadzić pięć etapów konwersji, aby dokonać enkapsulacji danych.

1. Budowa danych. Kiedy użytkownik wysyła komunikat pocztą elektroniczną, jego alfanumeryczne znaki konwertowane są do formatu danych, który może wędrować w sieci.
2. Pakowanie danych dla transportu między dwoma punktami łącza. Dane są pakowane w celu transportu w sieci rozległej. Dzięki użyciu segmentów funkcje transportu zapewniają, że hosty na obu końcach systemu poczty elektronicznej mogą nawiązać niezawodną komunikację.
3. Dodanie adresu sieci do nagłówka. Dane są umieszczane w pakiecie, czyli datagramie zawierającym nagłówek sieci z logicznymi adresami IP źródła i celu. Adresy te pomagają urządzeniom sieciowym wysyłać pakiety w sieci dynamicznie wybieraną ścieżką.
4. Dodawanie lokalnego adresu (MAC) do nagłówka łącza danych. Każde urządzenie sieciowe musi umieścić pakiet w ramce. Ramka obejmuje nagłówek z fizycznym adresem następnego, bezpośrednio połączonego urządzenia na ścieżce.
5. Konwersja danych dla potrzeb transmisji. Ramka musi być przekształcona na ciąg jedynek i zer (bity) dla transmisji za pomocą medium (zazwyczaj kabel). Funkcja taktowania pozwala urządzeniom odróżnić te bity w miarę ich wędrówki. Medium w fizycznej sieci rozległej może być różne na kolejnych etapach wybranej ścieżki. Na przykład, komunikat poczty elektronicznej może pochodzić z sieci LAN, przechodzić przez sieć szkieletową kampusu, a następnie dojść do łącza WAN, aż osiągnie miejsce przeznaczenia w innej, oddalonej sieci LAN.

De-enkapsulacja
W chwili, gdy oddalone urządzenie odbiera sekwencję bitów, przekazuje je warstwie łącza danych, która manipuluje ramkami. Po odebraniu ramki przez warstwę łącza danych wykonuje one następujące czynności:

• Odczytuje fizyczny adres i inne informacje kontrolne dostarczone przez bezpośrednio połączoną równorzędną warstwę łącza danych.
• Przeprowadza rozbiór informacji kontrolnych ramki, tym samym tworząc datagram.
• Przekazuje datagram w górę, do następnej warstwy, postępując zgodnie z instrukcjami znajdującymi się w kontrolnej części ramki.

Proces ten nazywany jest de-enkapsulacją. Każda kolejna warstwa przeprowadza podobny proces.

Model odniesienia TCP/IP
Chociaż model odniesienia OSI jest uniwersalny, historycznym i technicznie otwartym standardem internetowym jest protokół TCP/IP. Model odniesienia TCP/IP, jak również rodzina protokołów TCP/IP, umożliwiają komunikację między dwoma komputerami znajdującymi się w dowolnym miejscu świata. Model TCP/IP jest ważny ze względów historycznych, tak jak standardy, które umożliwiły rozwój telefonu i energii elektrycznej.

Warstwy modelu odniesienia TCP/IP
Ministerstwo Obrony Stanów Zjednoczonych opracowało model TCP/IP, ponieważ potrzebowało sieci, które przetrwają we wszystkich warunkach, nawet w przypadku wojny nuklearnej. Ministerstwo Obrony chciało, aby ich pakiety mogły przemieszczać się zawsze, w każdych okolicznościach. Było to wielkie wyzwanie projektowe, dzięki któremu powstał model odniesienia TCP/IP, standard, na którym wyrósł Internet.

Niektóre warstwy modelu TCP/IP mają takie same nazwy, jak warstwy modelu OSI. Nie należy mylić warstw należących do różnych modeli – warstwa aplikacji ma różne funkcje w każdym z nich.

Warstwa aplikacji
Projektanci TCP/IP wiedzieli, że protokoły wyższego poziomu powinny obejmować funkcje warstwy sesji i prezentacji. Utworzyli warstwę aplikacji, która obsługuje protokoły wyższego poziomu, aspekty reprezentacji, kodowanie oraz kontrolę komunikacji. TCP/IP łączy wszystkie aspekty związane z aplikacją w jednej warstwie oraz zapewnia, że dane te są prawidłowo przygotowane dla następnej warstwy. Warstwa ta jest nazywana także warstwą przetwarzania.

Warstwa transportu
Warstwa transportu zajmuje się zazwyczaj aspektami związanymi z niezawodnością, kontrolą przepływu i retransmisją. Jeden z jej protokołów, protokół TCP, dostarcza wspaniałe, elastyczne metody tworzenia niezawodnej komunikacji sieciowej cechującej się niezawodnym przepływem informacji. TCP to protokół połączeniowy. Obsługuje komunikację między źródłem a miejscem przeznaczenia, pakując jednocześnie informacje warstwy aplikacji w jednostki zwane segmentami. Termin protokół połączeniowy oznacza, że między komunikującymi się komputerami istnieje fizyczny obwód. Oznacza to, że segmenty warstwy 4 muszą wędrować w tę i z powrotem między dwoma hostami, aby zachować logiczne połączenie przed wysłaniem danych. Warstwa ta nazywana jest czasami warstwą host-do-hosta.

Warstwa internetowa
Zadaniem warstwy internetowej jest wysyłanie pakietów źródłowych z dowolnej sieci w sieci rozległej i dostarczenie ich do miejsca przeznaczenia, niezależnie od ścieżek i sieci napotkanych po drodze. Protokołem zarządzającym tą warstwą jest protokół IP. Wyznaczenie najlepszej ścieżki i komutacja pakietów następuje w tej warstwie. Można to porównać do systemu pocztowego. Po wysłaniu listu nie wiem, w jaki sposób dotrze on do celu (istnieje wiele możliwych tras), ale zależy nam na tym, żeby dotarł.

Warstwa dostępu do sieci
Nazwa tej warstwy ma szerokie znaczenie i może być myląca. Nazywana jest także warstwą host-do-sieci. Czasami przedstawiana jest jako dwie warstwy, tak jak w modelu OSI. Warstwa dostępu do sieci zajmuje się aspektami wymaganymi przez pakiet protokołu IP do przejścia fizycznym łączem z jednego urządzenia do drugiego bezpośrednio połączonego. Obejmuje szczegóły związane z technologiami LAN i WAN, a także wszystkie zadania warstw fizycznej i łącza danych w modelu OSI.

Model OSI a model TCP/IP
Porównując modele OSI i TCP/IP, można zauważyć, że łączą je podobieństwa, lecz także dzielą różnice.

Model TCP/IP

Model OSI

Podobieństwa:

• Oba modele podzielone są na warstwy.
• Oba mają warstwy aplikacji, choć obejmują one różne usługi.
• Oba mają porównywalne warstwy transportu i sieci.
• Zakładana jest technologia komunikacji pakietów, a nie komunikacji obwodów.
• Profesjonaliści z dziedziny sieci muszą znać oba modele.

Różnice

• TCP/IP łączy funkcje warstw prezentacji i sesji w warstwie aplikacji.
• TCP/IP łączy warstwy łącza danych i fizyczną modelu OSI w jednej warstwie.
• TCP/IP wydaje się prostszy, ponieważ ma mniej warstw. Model odniesienia OSI jest mniej skomplikowany; ma więcej warstw, a to pozwala na szybszą współpracę i rozwiązywanie problemów.
• Protokół TCP/IP to standardy, na których oparty jest Internet, dlatego jest on bardziej wiarygodny. Sieci zazwyczaj nie są budowane w oparciu o protokoły modelu OSI, choć wykorzystuje się go jako przewodnika.

Autor: Adrian Rogaski, www.rogaski.org