OSI (ang. Open System Interconnection) albo Model OSI (pełna nazwa ISO OSI RM, ang. ISO OSI Reference Model – model odniesienia łączenia systemów otwartych) – standard zdefiniowany przez ISO oraz ITU-T opisujący strukturę komunikacji sieciowej.
Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ang. International Organization for Standardization) na początku lat osiemdziesiątych dostrzegła potrzebę stworzenia modelu sieciowego, dzięki któremu producenci mogliby opracowywać współpracujące ze sobą rozwiązania sieciowe. W taki sposób powstała specyfikacja Open Systems Interconnection Reference Model, która do polskich norm była zaadaptowana w 1995 roku.
Model ISO OSI RM jest traktowany jako model odniesienia (wzorzec) dla większości rodzin protokołów komunikacyjnych. Podstawowym założeniem modelu jest podział systemów sieciowych na 7 warstw (ang. layers) współpracujących ze sobą w ściśle określony sposób. Został przyjęty przez ISO w 1984 roku a najbardziej interesującym organem jest wspólny komitet powołany przez ISO/IEC, zwany Joint Technical Committee 1- Information Technology (JTC1). Formalnie dzieli się jeszcze na podkomitety SC.
Dla Internetu sformułowano uproszczony Model TCP/IP, który ma tylko 4 warstwy.
Kapsułkowanie danych
Model OSI opisuje drogę danych od aplikacji w systemie jednej stacji roboczej do aplikacji w systemie drugiej. Przed wysłaniem dane wraz z przekazywaniem do niższych warstw sieci zmieniają swój format, co nosi nazwę procesu kapsułkowania.
Na rysunku da się zauważyć jak wraz z przenoszeniem kombinacji składającej się z danych oraz nagłówka warstwy poprzedniej w dół stacji wysyłającej (lewa strona) ulega ona kapsułkowaniu pod nagłówkiem warstwy kolejnej. W warstwie transportu dane zawierają w sobie właściwe dane oraz nagłówek segmentu, natomiast w warstwie sieciowej dane oprócz właściwych danych oraz nagłówka segmentu dodatkowo wzbogacone są o nagłówek sieciowy, który zawiera adresy logiczne: źródłowy oraz docelowy. Adresy te pozwalają wyznaczyć drogę tych pakietów pomiędzy dwoma stacjami, które pracują w odległych sieciach. W warstwie łącza danych pakiet z poprzedniej warstwy wzbogacony jest dodatkowo o nagłówek ramki, który wyznacza sposób przekazania danych przez interfejs sieciowy do sieci fizycznej. Ostatnia warstwa – fizyczna – pakiet z poprzedniej warstwy przekształca do postaci pozwalającej przesłać informację przewodem sieciowym albo za pomocą innego nośnika. Dane wędrują do stacji docelowej oraz tam są ponownie przekształcane, najpierw z bitów na nagłówek ramki oraz pozostałe dane. Gdy dane wędrują do wyższych warstw, to właśnie nagłówki są wykorzystywane do określenia w jaki sposób dane posiadają zostać przekazane wyższym warstwom. Z uwagi na z tym, po dotarciu danych do wyższej warstwy nagłówek warstwy poprzedniej jest zdejmowany.
Organizacja warstwowa
Model OSI definiuje jakie zadania oraz rodzaje danych bywają przesyłane pomiędzy warstwami w całkowitym oderwaniu od ich fizycznej oraz algorytmicznej realizacji, czyli zakłada istnienie warstw abstrakcji w medium transmisyjnym, sprzęcie oraz oprogramowaniu oraz wokół tych warstw orientuje specyficzne dla nich protokoły, realizowane przez te protokoły usługi świadczone wyższym warstwom oraz posiadane interfejsy, umożliwiające dostęp do warstwy przez procesy z innych warstw. Mimo, iż każda z warstw sama nie jest funkcjonalna, to możliwe jest projektowanie warstwy w całkowitym oderwaniu od pozostałych. Jest to realne, jeżeli wcześniej zdefiniuje się protokoły wymiany danych pomiędzy poszczególnymi warstwami.
Warstwy wyższe
Wyróżniamy trzy warstwy górne, czyli warstwę aplikacji, prezentacji oraz sesji. Ich zadaniem jest współpraca z oprogramowaniem realizującym zadania zlecane przez użytkownika systemu komputerowego. Tworzą one pewien interfejs, który dopuszcza na komunikację z warstwami niższymi. Ta sama warstwa realizuje dokładnie odwrotne zadanie w zależności od kierunku przepływu danych. Przyjmijmy, że dane przepływają w dół Modelu OSI, kiedy płyną od użytkownika do urządzeń sieciowych oraz w górę w przeciwnym wypadku.
Warstwa 7: aplikacji
Warstwa aplikacji jest warstwą najwyższą, zajmuje się specyfikacją interfejsu, który wykorzystują aplikacje do przesyłania danych do sieci (poprzez kolejne warstwy modelu ISO/OSI). W przypadku sieci komputerowych aplikacje są zwykle procesami uruchomionymi na odległych hostach. Interfejs udostępniający programistom usługi dostarczane przez warstwę aplikacji ma za podstawę na obiektach nazywanych gniazdami (ang. socket).
Jeżeli użytkownik posługuje się oprogramowaniem działającym w architekturze klient-serwer, zwykle po jego stronie istnieje klient, a serwer działa na maszynie podłączonej do sieci świadczącej usługi równocześnie wielu klientom. Zarówno serwer jak oraz klient leżą w warstwie aplikacji. Komunikacja wcale nie przebiega się bezpośrednio pomiędzy tymi programami. Gdy klient chce przesłać żądanie do serwera, przekazuje komunikat w dół do warstw niższych, które fizycznie przesyłają go do odpowiedniej maszyny, gdzie informacje ponownie wędrują w górę oraz są ostatecznie odbierane przez serwer. Równocześnie zapewnia interfejs pomiędzy aplikacjami, których używamy a siecią (umożliwia komunikację).
Warstwa 6: prezentacji
Podczas ruchu w dół zadaniem warstwy prezentacji jest przetworzenie danych od aplikacji do postaci kanonicznej (ang. canonical representation) zgodnej ze specyfikacją OSI-RM, dzięki czemu niższe warstwy stale otrzymują dane w tym samym formacie. Gdy informacje płyną w górę, warstwa prezentacji tłumaczy format otrzymywanych danych na zgodny z wewnętrzną reprezentacją systemu docelowego. Wynika to ze zróżnicowania systemów komputerowych, które potrafią w różny sposób interpretować te same dane. Dla przykładu bity w bajcie danych w poniektórych procesorach są interpretowane w odwrotnej kolejności niż w innych. Warstwa ta odpowiada za kodowanie oraz konwersję danych oraz za kompresję / dekompresję; szyfrowanie / deszyfrowanie. Warstwa prezentacji obsługuje np. MPEG, JPG, GIF itp.
Warstwa 5: sesji
Warstwa sesji otrzymuje od wielorakich aplikacji dane, które muszą zostać odpowiednio zsynchronizowane. Synchronizacja jest pomiędzy warstwami sesji systemu nadawcy oraz odbiorcy. Warstwa sesji "wie", która aplikacja łączy się z którą, dzięki czemu może zapewnić właściwy kierunek przepływu danych – nadzoruje połączenie. Wznawia je po przerwaniu.
Warstwy niższe
Najniższe warstwy zajmują się odnajdywaniem odpowiedniej drogi do celu, gdzie ma być przekazana konkretna informacja. Dzielą także dane na odpowiednie dla urządzeń sieciowych pakiety określane wielokrotnie skrótem PDU (ang. Protocol Data Unit). Dodatkowo zapewniają weryfikację bezbłędności przesyłanych danych. Ważną cechą warstw dolnych jest całkowite ignorowanie sensu przesyłanych danych. Dla warstw dolnych nie są aplikacje, tylko pakiety / ramki danych. Warstwy dolne to warstwa transportowa, sieciowa, łącza danych oraz fizyczna.
Warstwa 4: transportowa
Warstwa transportowa segmentuje dane oraz składa je w tzw. strumień. Warstwa ta zapewnia całościowe połączenie pomiędzy stacjami: źródłową oraz docelową, które zawiera w sobie całą drogę transmisji. Następuje tutaj podział danych na części, które są kolejno numerowane oraz wysyłane do docelowej stacji. Na poziomie tej warstwy do transmisji danych wykorzystuje się dwa protokoły TCP (ang. Transmission Control Protocol) oraz UDP (ang. User Datagram Protocol). W przypadku kiedy do transmisji danych wykorzystany jest protokół TCP stacja docelowa po odebraniu segmentu wysyła potwierdzenie odbioru. W wyniku niedotarcia któregoś z segmentów stacja docelowa ma prawo zlecić ponowną jego wysyłkę (kontrola błędów transportu). W przeciwieństwie do protokołu TCP w protokole UDP nie stosuje się potwierdzeń. Protokół UDP z racji konieczności transmisji mniejszej ilości danych zwykle jest szybszy od protokołu TCP, jednakże nie gwarantuje dostarczenia pakietu. Obydwa protokoły warstwy transportowej stosują kontrolę integralności pakietów, a pakiety zawierające błędy są odrzucane.
Warstwa 3: sieciowa
Warstwa sieciowa jako jedyna dysponuje wiedzą dotyczącą fizycznej topologii sieci. Rozpoznaje, jakie drogi łączą poszczególne komputery (trasowanie) oraz decyduje, ile informacji trzeba przesłać jednym z połączeń, a ile innym. Jeżeli danych do przesłania jest zbyt wiele, to warstwa sieciowa po prostu je ignoruje. Nie musi zapewniać pewności transmisji, więc w razie błędu pomija niepoprawne pakiety danych. Standardowa paczka danych czasami oznaczana jest jako NPDU (ang. Network Protocol Data Unit). Nie leżą w nim żadne użyteczne dla użytkowników aplikacje. Jedyne jego zadanie, to zapewnienie sprawnej łączności pomiędzy bardzo odległymi punktami sieci. Routery są podstawą budowy rozległych sieci informatycznych takich jak Internet, bo umieją odnaleźć najlepszą drogę do przekazania informacji. Warstwa sieciowa podczas ruchu w dół umieszcza dane wewnątrz pakietów zrozumiałych dla warstw niższych (enkapsulacja). Równocześnie warstwa sieci używa czterech procesów (adresowanie, enkapsulacja, routing, dekapsulacja). Protokoły warstwy sieci to: (IPv4, IPv6, ICMP, NOVELL IPX, APPLE TALK, CLNS/DECN et).
Warstwa 2: łącza danych
Warstwa łącza danych jest czasami nazywana warstwą liniową albo kanałową. Ma ona nadzorować jakość przekazywanych informacji. Nadzór ten dotyczy jedynie warstwy niższej. Warstwa łącza danych ma możliwość zmiany parametrów pracy warstwy fizycznej, tak aby obniżyć liczbę pojawiających się podczas przekazu błędów. Zajmuje się pakowaniem danych w ramki oraz wysyłaniem do warstwy fizycznej. Rozpoznaje błędy związane z niedotarciem pakietu oraz uszkodzeniem ramek oraz zajmuje się ich naprawą. Podczas ruchu w dół w warstwie łącza danych zachodzi enkapsulacja pakietów z warstwy sieciowej tak, aby uzyskać ramki zgodne ze standardem. Czasami są one oznaczane jako LPDU (ang. data Link Protocol Data Unit).
Ramka danych przeważnie składa się z:
- ID odbiorcy – najczęściej adres MAC stacji docelowej albo bramy domyślnej,
- ID nadawcy – najczęściej adres MAC stacji źródłowej,
- informacja sterująca – zawiera dane o typie ramki, trasowaniu, segmentacji, itp.,
- CRC (ang. Cyclic Redundancy Check) – kod kontroli cyklicznej – odpowiada za korekcję błędów oraz weryfikację poprawności danych otrzymywanych przez stację docelową.
Warstwa łącza danych dzieli się na dwie podwarstwy:
- LLC (ang. logical link control) – sterowania łączem danych – kontroluje poprawność transmisji oraz współpracuje przede wszystkim z warstwą sieciową w obsłudze usług połączeniowych oraz bezpołączeniowych.
- MAC (ang. media access control) – sterowania dostępem do nośnika – zapewnia dostęp do nośnika sieci lokalnej oraz współpracuje przede wszystkim z warstwą fizyczną.
Urządzenia działające w tej warstwie to: most oraz przełącznik.
Warstwa 1: fizyczna
Fundamentem, na którym zbudowany jest model referencyjny OSI, jest jego warstwa fizyczna. Definiuje ona wszystkie składniki sieci niezbędne do obsługi elektrycznego, optycznego, radiowego wysyłania oraz odbierania sygnałów. Warstwa fizyczna składa się z czterech obszarów funkcjonalnych:
Wspólnie zawierają w sobie one wszystkie mechanizmy potrzebne do obsługi transmisji danych, takie jak techniki sygnalizacyjne, Napięcie elektryczne powodujące przepływ prądu elektrycznego przenoszącego sygnał, rodzaje nośników oraz odpowiadające im właściwości impedancji, elektroniczne składniki kart sieciowych, a nawet fizyczny kształt złącza używanego do terminacji nośnika. Specyficznymi przykładami mechanizmów, które potrzebne są do obsługi przesyłania danych, lecz które nie należą do zakresu warstwy fizycznej, są:
Warstwa fizyczna przesyła oraz odbiera sygnały zaadresowane dla wszystkich protokołów jej stosu oraz aplikacji, które je wykorzystują. Musi ona więc wykonywać parę istotnych funkcji – w szczególności:
Aby móc nadawać dane, musi ona:
- zamieniać dane znajdujące się w ramkach na strumienie binarne,
- wykonywać taką metodę dostępu do nośnika, jakiej żąda warstwa łącza danych,
- przesyłać ramki danych szeregowo (czyli bit po bicie) w postaci strumieni binarnych.
W kwestii odbierania danych konieczne jest natomiast:
- oczekiwanie na transmisje przychodzące do urządzenia hosta oraz do niego zaadresowane,
- odbiór odpowiednio zaadresowanych strumieni,
- przesyłanie binarnych strumieni do warstwy danych w celu złożenia ich z powrotem w ramki.
Lista ta, jak widać, nie zawiera w sobie żadnych sposobów weryfikowania integralności danych. Warstwa fizyczna nie ma bowiem mechanizmu służącego rozpoznawaniu znaczenia wysyłanych jak też otrzymywanych danych. Służy jedynie przesyłaniu logicznych zer oraz jedynek.
Warstwa fizyczna, w postaci określonej przez Model Referencyjny OSI, składa się ze wszystkich procesów, mechanizmów, elektroniki oraz protokołów, które potrzebne są urządzeniu obliczającemu w celu wysłania oraz odbierania binarnych strumieni danych. W specyfikacji warstwy fizycznej technologii LAN zamieszczone są oczekiwania odnośnie wydajności nośnika łączącego komunikujące się ze sobą urządzenia. Model jednak nie wyznacza samego rodzaju nośnika.
Praktyczne znaczenie Modelu OSI
W praktyce Model OSI stał się częściowo zmodyfikowany. Najczęstszą zmianą było połączenie warstwy fizycznej oraz łącza danych w jedną. Wynikało to z praktycznych cech tych warstw, które powodowały, że nie dało się odseparować ich pracy od siebie. Nie trzeba mylić Modelu OSI-RM z TCP/IP. Mimo pewnego podobieństwa, oba te modele nie są w pełni zgodne.
Pakiety przechodząc przez zróżnicowane urządzenia sieciowe dochodzą do wielorakich warstw modelu OSI. Zasięg pakietu w urządzeniu przedstawia rysunek:
Zasięg pakietu w urządzeniu
Porównanie warstw modelu OSI oraz modelu TCP/IP
Bibliografia
Linki zewnętrzne
