مدل OSI برای معماری شبکه، بررسی و شناخته لایه ها و عملکردها مدل OSI– آموزش شبکه درس 10

مدل OSI

مدل OSI برگرفته از سرنام عبارت Open System Interconnection است. مدل OSI یک مدل مرجع است که در آن نحوه حرکت یک اپلیکیشن نرم‌افزار در میانه لایه‌های مختلف فیزیکی و رسیدن به یک کامپیوتر دیگر توضیح داده شده است.

مدل OSI متشکل از هفت لایه است و هر کدام از لایه‌ها یک عملکرد ویژه را در شبکه انجام می‌دهند.

مدل OSI به وسیله سازمان بین المللی استاندارد (ISO) در سال 1984 توسعه داده شده است و اکنون به عنوان یک معماری مدل برای ارتباطات میان رایانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مدل OSI هر وظیفه در شبکه را به هفت وظیفه کوچکتر قابل مدیریت تقسیم می‌کند. هر کدام از لایه‌های این مدل به یک وظیفه خاص اختصاص دارند.

هر کدام از لایه‌ها به خود کاملا مجزا مدیریت می‌شوند و به همین خاطر عملکرد هر یک از این لایه‌ها مستقل از دیگر لایه‌های تعریف شده در این مدل می‌باشد.

ویژگی‌های مدل OSI

لایه‌هائی که در مدل OSI قرار گرفته‌اند به دو دسته: لایه‌های بالائی (Upper Layers) و لایه‌های پائینی (Lower Layers) تقسیم می‌شوند.

لایه‌های بالائی مدل OSI به صورت کلی با فعالیت‌ها و موضوعات اپلیکیشن‌های نرم‌افزاری در تماس است و آن‌ها تنها برای پیاده‌سازی نرم‌افزارها و اپلیکیشن‌ها به کار می‌روند. لایه اپلیکیشن (Application Layer) نزدیکترین لایه به کاربر به شمار می‌رود. هر دو لایه User و Application با نرم‌افزارها و اپلیکیشن‌های معرفی شده از سوی کاربر در تعامل هستند. لایه بالائی (Upper Layer) ممکن است برای هر لایه‌ای که در بالای لایه دیگر قرار گرفته باشد نیز به کار رود. اما در اینجا منظور ما دسته از چند لایه در قسمت بالائی این مدل است.

لایه پائینی (Lower Layer) مدل OSI با موضوعات انتقال و پردازش داده‌ها درگیر است. لایه لینک داده (Data Link Layer) و لایه فیزیکی (Physical Layer) به صورت ترکیبی از قسمت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری پیاده‌سازی شده‌اند. لایه فیزیکی پائین‌ترین لایه در این مدل است و نزدیک‌ترین لایه به رسانای انتقال دهنده پیام به شما می‌رود. لایه فیزیکی لایه‌ای است که به صورت کلی مسئول قرار دادن و ارسال پیام از طریق رسانا (کابل، شبکه وایرلس و یا هر ارتباط دهنده دیگری) است.

عملکرد لایه‌ها در مدل OSI

در اینجا هفت لایه وجود دارد، هر کدام از این لایه‌ها عملکرد متفاوتی را انجام می‌دهد. فهرست نام لایه‌ها از پائین به بالا به شرح زیر است:

• لایه فیزیکی (Physical Layer)؛
• لایه دیتا لینک (Data-Link Layer)؛
• لایه شبکه (Network Layer)؛
• لایه انتقال (Transport Layer)؛
• لایه نشست (Session layer)؛
• لایه ارائه (Presentation Layer)؛
• لایه نرم‌افزار (Application Layer)؛

لایه فیزیکی

اصلی‌ترین کارکرد لایه فیزیکی تبدیل کردن یک پیام به بیت‌ها و ارسال آن از یک گره شبکه به دیگری است.

لایه فیزیکی پائین‌ترین لایه در مدل OSI به شمار می‌رود.

این لایه موظف است که ارتباطات فیزیکی میان دیوایس خود و شبکه را ایجاد، نگهداری و غیرفعال نماید.

لایه فیزیکی می‌تواند به صورت مکانیکی، الکتریکی، یا با استفاده از تعریف‌های ویژگی رابط کاربری شبکه عمل کند.

عملکرد لایه فیزیکی

• پیکربندی خط ارتباطی: این لایه مشخص می‌کند که چطور دو و یا چند دیوایس مختلف می‌توانند به صورت فیزیکی به همدیگر متصل شوند؛
• انتقال داده داده‌ها: لایه فیزیکی حالت انتقال داده را مشخص می‌کند. این حالت‌ها می‌توانند به صورت Simplex، Half-duplex، یا Full-Duplex باشند. توضیحات درباره هر کدام از این موارد را در بخش مرتبط به آن برایتان خواهیم گفت.
• توپولوژی: با استفاده از لایه‌های فیزیکی در دیوایس‌های مختلف می‌تواند آرایش یا توپولوژی (Topology) شبکه را تعیین کرد.
• سیگنال: لایه فیزیکی نوع سیگنال مورد استفاده (پیام الکتریکی، اشعه نور یا امواج رادیو مغناطیسی) را مشخص می‌کند.

لایه دیتا لینک

لایه دیتا لینک مسئول انتقال داده‌ها به شکل عاری از خطا است.

این لایه، فرمت داده‌هائی که بر روی شبکه قرار دارند را مشخص می‌کند.

لایه دیتا لینک مسئل ایجاد ارتباطی کارآمد و قابل اطمینان میان دو و یا چند دیوایسی است که از مدل OSI استفاده می‌کنند.

مسئولیت اصلی این لایه آن است که بتواند یک شناسه منحصر به فرد را برای هر کدام از دیوایس‌هائی که بر روی شبکه قرار گرفته‌اند را ایجاد کند.

لایه دیتا لینک خود حاوی دو زیر لایه دیگر است:

• لایه کنترل لینک منطقی (Logical Link Control Layer)؛

این لایه مسئول آن است که بسته‌های داده را به لایه شبکه (Network Layer) انتقال داده و یا آنکه بسته‌های مشابه را دریافت کند؛

این لایه آدرس‌هائی‌های که در پروتکل لایه شبکه وجود دارند را از طریق هدر همراه پیام تعیین می‌کند.

آن همچنین می‌تواند به ما امکان کنترل کردن جریان داده را نیز بدهد.

• لایه کنترل دسترسی رسانه (Media Access Control)

یک لایه کنترل دسترسی رسانه لینکی است که میان لایه کنترل منطقی و لایه فیزیکی شبکه وجود دارد.

آن برای انتقال بسته‌ها بر روی شبکه به کار گرفته می‌شود.

عملکرد لایه دیتا لینک

• فریم‌بندی کردن: لایه دیتا لینک، جریان بیت‌های خام فیزیکی را در بسته‌های به نام فریم (Frame) قرار می‌دهد. پس از آن، لایه دیتا لینک به آن‌ها یک سرواره و تهواره اضافه می‌کند. سرواره (Header) حاوی اطلاعاتی درباره مقصد فیزیکی و نیز منبع ارسال کننده پیام است
  

  شکل یک فریم در ارتباطات شبکه

• آدرس دهی فیزیکی: لایه دیتا لینک به هر فریم یک سرواره اضافه می‌کند که حاوی آدرس مقصد است. هر فریم به آدرس مقصد ذکر شده در مقصد انتقال داده می‌شود.
• کنترل جریان: کنترل جریان (Flow Control اصلی‌ترین کاری است که لایه دیتا لینک انجام می‌دهد. این شیوه تکنیکی است که در آن نرخ انتقال جریان داد در دو سمت جریان به یک صورت نگهداشته می‌شود تا داده‌ها دچار مشکل نشوند. این روش ما را مطمئن می‌کند که شرایط انتقال مانند زمانی که داده‌ها از سمت یک سرور با سرعت بالا بیشتر از سرعت دریافت کننده با سرعت پائین است، دچار مشکل و اختلال نشوند.
• کنترل خطا: کنترل خطا به وسیله اضافه کرده و محاسبه مقدار CRC (Cyclic Redundancy Check) انجام می‌شود. این محاسبه نشان می‌دهد که چه مقدارهائی باید به وسیله لایه دیتالینک به تهواره لایه دیتالینک پیش از آن ارسال به لایه فیزیکی اضافه شود. اگر هیچ خطائی در این میان رخ ندهد، پس در آن صورت دریافت کننده یک پیام تائید در زمینه دریافت بدون خطای فریم‌های ارسالی را به ارسال کننده پیام می‌فرستد.
• کنترل دسترسی: هنگامی که دو و یا چند دیوایس از یک کانال ارتباطی استفاده می‌کنند، در آن صورت پروتکل‌های لایه دیتالینک برای مشخص کردن این که کدامیک از دیوایس‌ها می‌توانند در هر زمان کنترل کامل لینک ارتباطی را در دست بگیرند، به کار می‌روند.

لایه شبکه

لایه شبکه سومین لایه‌ای است که به مدیریت آدرس‌های دیوایس‌های مختلف می‌پردازد و می‌توانند مکان دیوایس‌های موجود بر روی شبکه را ردیابی کند.

این لایه مشخص می‌کند که کدامیک از مسیرها با توجه به شرایط شبکه برای حرکت کردن داده‌ها از مقصد به سمت منبع مناسب است. در اینجا از اولویت‌های ارسال و فاکتورهای مهم دیگر استفاده می‌شود.

لایه دیتا لینک که در قسمت قبل به آن اشاره شد وسیله مسیریابی و هدایت رو به جلو بسته‌های اطلاعاتی است.

روترها (Router) دیوایس‌هائی هستند که در لایه سوم شبکه قرار می‌گیرند، آن‌ها در این لایه قرار گرفته و برای سرویس‌های مسیریابی در درون یک شبکه به کار می‌روند.

پروتکل‌های استفاده شده برای مسیریابی ترافیک شبکه به عنوان پروتکل‌های لایه شبکه (Network Layer Protocol) شناخته می‌شوند.

عملکرد لایه شبکه

• ایجاد ارتباطات داخلی اصلی‌ترین وظیفه‌ای است که لایه شبکه باید انجام دهد.
• آدرس دهی: لایه شبکه آدرس‌های منبع و مقصد را به سرواره فریم اضافه می‌کند. آدرس دهی (Addressing) برای شناسائی دیوایس‌ها در اینترنت به کار گرفته می‌شود.
• مسیریابی (Routing): مسیریابی اصلی‌ترین بخش از لایه شبکه است و آن تعیین کننده بهینه‌ترین مسیر در میان چند مسیر از منبع به مقصد است.
• بسته‌سازی (Packeting): یک لایه شبکه بسته‌ها را از لایه بالائی دریافت کرده و آن‌ها را تبدیل به بسته‌ها (Pakets) می‌کند. این فرایند به عنوان «بسته‌سازی (Packeting)» شناخته می‌شود. این روش به وسیله پروتکل اینترنت (Internet Protocol (IP)) قابل دستابی است.

لایه انتقال

لایه انتقال چهارمین لایه است، وظیفه آن اطمینان از ارسال درست پیام‌ها در ترتیب ارسالی از سوی فرستند و بدون هیچگونه تغییری است.

اصلی‌ترین وظیفه لایه انتقال آن است که داده‌ها را به صورت کامل انتقال دهد.

آن داده‌ها را از لایه بالائی دریافت می‌کند و سپس آن‌هارا تبدیل به بخش‌های کوچکتر که به عنوان «سگمنت Segment)» می‌شوند می‌کند.

لایه انتقال می‌تواند به عنوان یک لایه سر به سر (End to End) شناخته شود که می‌تواند ارتباطات نقطه به نقطه (Point to Point) میان مقصد و مبدأ پیام را برای دریافت مطمئن ایجاد کند.

دو پروتکل در این لایه مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• پروتکل کنترل انتقال (Transmission Control Protocl):

این پروتکل یک پروتکل استاندارد است، که به سیستم‌ها اجازه می‌دهد بر روی بستر اینترنت با یکدیگر در تماس قرار بگیرند.

آن ارتباطات میان‌هاست را ایجاد کرده و از آن‌ها مراقب می‌کند.

هنگامی که داده‌ای بر روی ارتباط TCP ارسال می‌شود، پروتکل TCP داده‌ها را به قسمت‌های کوچکتری که به عنوان «سگمنت» شناخته می‌شوند تقسیم می‌کند. هر کدام از سگمنت‌ها با استفاده از مسیرهای چندگانه بر روی اینترنت پیمایش می‌کنند و در ترتیب‌های متفاوتی از آنچه که ارسال کننده داشته است، به مقصد می‌رسد. پروتکل کنترل انتقال، باردیگر بسته‌های اطلاعاتی را مرتب می‌کند و آن‌ها را به ترتیب درست در کنار همدیگر قرار می‌دهد.

• پروتکل دیتاگرام کاربر (User Datagram Protocol):

پروتکل دیتاگرام کاربر یک پروتکل از لایه انتقال است.

آن یک پروتکل انتقالی غیرقابل اعتماد است، زیرا در این پروتکل هیچ پیام تصدیق دریافت پیامی در زمان دریافت بسته‌ها داده ارسال نمی‌شود و ارسال کنند هیچگونه تاییدی در زمینه دریافت درست پیام در اختیار ندارد. به همین خاطر این پروتکل به عنوان یک پروتکل غیرقابل اعتماد شناخته می‌شود.

عملکرد لایه انتقال

• آدرس دهی نقطه سرویس (Service point addressing): رایانه‌هائی به دلایل مختلفی چندین برنامه را در یک زمان به اجرا در می‌آورند، انتقال داده از یک مبدا به مقصد تنها کاری نیست که در اینجا انجام می‌شود، اما یکی از مهمترین فرایندهائی است که در سرورها و رایانه‌های شبکه باید انجام شود. لایه انتقال یک سرواره را که به عنوان «آدرس نقطه سرویس» یا «آدرس پورت (Port Address)» شناخته می‌شود را به فریم‌های اطلاعاتی اضافه می‌کند. لایه شبکه در اینجا مسئول آن است که داده‌ها را از یک کامپیوتر به دیگری انتقال دهد و لایه انتقال پس از آن وظیفه دارد که این پیام‌های انتقال داده شده را به صورت درست پردازش نماید.
• سگمنت‌سازی و مونتاژ مجدد (Reassembly): هنگامی که لایه انتقال پیام‌هائی را از لایه بالائی خود دریافت می‌کند، آن را به سگمنت‌های کوچکتری خرد می‌کند و هر کدام از سگمنت‌ها با یک شماره متوالی منحصر به فرد شماره گذاری می‌شوند تا از دیگر سگمنت‌ها قابل شناسائی باشند. هنگامی که پیام‌ها در مقصد دریافت شدند، لایه انتقال بار دیگر فعال شده و پیام‌ها را بر اساس شماره‌های متوالی منحصر به فردشان مرتب می‌کند.
• کنترل ارتباط: لایه انتقال دو سرویس ارتباطی به صورت سرویس ارتباط گرا (Connection-Oriented) و سرویس بدون ارتباط (Connectionless) را فراهم می‌آورد. یک سرویس بدون ارتباطا هر کدام از سگمنت‌ها را به صورت یک بسته مجزا در نظر می‌گرد و ان‌ها را از طریق مسیرهای مختلفی به سمت مقصد ارسال می‌کند. یک سرویس ارتباط گرا یک ارتباط پیش از ارسال بسته، با کمک لایه انتقال یک ارتباط مشخص را با ماشین مقصد ایجاد می‌کند، و پس از آن اقدام به ارسال بسته‌ها می‌کنند. در سرویس ارتباط گرا تمام بسته‌ها در یک مسیر مشخص ارسال می‌شوند.
• کنترل جریان (Flow Control): لایه انتقال همچنین مسئولیت کنترل جریان را دارد، اما به جای آنکه آن را در طول یک لینک منفرد انجام دهد، آن را به صورت سر به سر (End to End) انجام می‌دهد.
• کنترل خطا (Error Control): لایه انتقال مسئولیت کنترل خطاها را نیز بر عهده دارد. کنترل خطا به جای آنکه بر روی یک لینک منفرد انجام شود، به صورت سر به سر انجام می‌شود. لایه انتقال مطمئن می‌شود که پیام در مقصد بدون هیچ خطائی دریافت می‌شود.

لایه نشست

لایه نشست سومین لایه از بالا در مدل OSI است.

لایه نشست برای ایجاد، حفظ و همزمان‌سازی ارتباط میان دیوایس‌ها به کار می‌رود.

عملکرد لایه نشست

• کنترل دیالوگ: لایه نشست به عنوان یک «کنترل کننده دیالوگ (Dialog Controller)» عمل میکند که می‌تواند دیالوگی را میان پردازنده‌ها ایجاد کند. در واقع ما می‌توانیم بگوئیم که آن این امکان را ایجاد می‌کند که پردازنده‌ها بتوانند صورت Half Duplex یا Full Duplex با هم در ارتباط باشند.
• همزمان‌سازی: لایه نشست می‌تواند نقطه‌های بررسی (Checkpoints) را در زمان انتقال به صورت متوالی به صف انتقال داده اضافه کند. اگر خطائی در میانه انتقال رخ دهد، در آن صورت انتقال داده‌ها می‌تواند دوباره از طریق نقطه بررسی مشخصی تکرار شود. این فرایند به عنوان «همزمان‌سازی (Synchronization)» یا «بازیابی (Recovery)» شناخته می‌شود.

لایه ارائه

لایه ارائه اساساً با استفاده از سینتکس (Syntax) و معنادهی (Sematics) اطلاعات تبادل شده میان دو سیستم شناخته می‌شود.

آن به عنوان یک «مترجم (Translator)» برای یک شبکه کار می‌کند.

این لایه بخشی از سیستم‌های عامل شناخته می‌شود که می‌تواند داده‌ها را از یک فرمت ارائه به دیگری تبدیل کند.

لایه ارائه به عنوان «لایه سینتکس (Syntax Layer)» نیز شناخته می‌شود.

عملکرد لایه ارائه

• ترجمه (Translation): این لایه موظف است که به پردازش اطلاعات تبادل شده میان دو سیستم بپردازد و اطلاعاتی نظیر رشته‌های حروف و عدد را دریافت و پردازش کند. کامپیوترهای مختلف ممکن است از روش‌های کدگذاری متفاوتی استفاده کنند، لایه ارائه مسئول کنترل فعالیت‌های میان روش‌های مختلف کدگذاری است. آن‌ها داده‌ها را از فرمت آشنا برای فرستنده (Sender-Dependent)، به یک فرمت معمول (Common Format) تبدیل کرده و سپس از این فرمت به فرمت آشنا برای دریافت کننده (Receiver-dependent) ترجمه می‌کنند.
• رمزنگاری (Encryption): رمزنگاری یکی از الزامات حفظ حریم خصوصی است. رمزنگاری فرایندی است که در آن اطلاعات ارسالی از سوی فرستنده به فرمتی ترجمه می‌شوند که تنها دریافت کننده می‌تواند مفهوم آن را دریافت و ترجمه کند.
• فشرده‌سازی (Compression): فشرده‌سازی داده‌ها فرایندی است که در آن داده‌ها به صورت فشرده در می‌آیند. فشرده‌سازی به معنای کاهش تعداد بیت‌هائی است که باید در جریان انتقال ارسال شوند. فشرده‌سازی داده‌ها نقش بسیار مهمی را در پیام‌های چندرسانه‌ای مانند نوشته، فایل‌های صوتی و ویدئویی دارد.

لایه اپلیکیشن

یک لایه اپلیکیشن به عنوان پنجره‌ای برای کاربر و اپلیکیشن‌های کاربردی عمل می‌کند و می‌توانند امکان ارتباط آن‌ها با شبکه را میسر کند.

این لایه برای انجام کارهائی مانند شفافیت شبکه (Network Transparency)، اختصاص منابع و موارد دیگر به کار گرفته می‌شود.

لایه اپلیکیشن خود یک نرم‌افزار نیست، اما به صورت یک لایه کاربردی سرویس‌های لازم برای اجرای اپلیکیشن‌ها و نرم‌افزارها را ارائه می‌کند.

این لایه سرویس‌های شبکه را برای کاربران نهائی ایجاد می‌کند.

عملکردهای لایه اپلیکیشن

• انتقال فایل، ایجاد دسترسی، و مدیریت (File Transfer, Access and Management (FTAM)): یک لایه اپلیکیشن به کاربر اجازه می‌دهد که بتواند به فایل‌ها در رایانه‌ای که در دوردست قرار دارد دسترسی پیدا کند، همچنین می‌تواند فایل‌ها را از یک کامپیوتر دریافت کند و در نتیجه می‌توان با کمک آن به مدیریت یک رایانه و یا سرور در فاصله دور اقدام کرد.
• سرویس‌های ایمیل (Mail Services): یک لایه اپلیکیشن می‌تواند تسهیلاتی را برای ارسال و ذخیره کردن پیام‌ها ایجاد کند.
• سرویس‌های دایرکتوری (Directory Services): لایه اپلیکیشن می‌تواند منابع دیتابیس توزیع شده را ایجاد کند و برای ایجاد اطلاعات کلی درباره اشیاء مختلف به کار گرفته می‌شود.