معرفی لایه های شبکه مدل OSI و TCP/IP

در این مقاله قصد داریم به بررسی لایه های شبکه مدل OSI و TCP/IP بپردازیم. 

در علوم کامپیوتر، مفهوم لایه های شبکه به چارچوب یا پلتفرمی گفته می‌شود که که به درک بهتر تعاملات پیچیده شبکه کمک می‌کند. دو مدل لایه شبکه که امروزه به طور گسترده کاربرد دارند مدل OSI و مدل TCP/IP هستند. البته خود لایه‌های این دو مدل با هم متفاوت هستند.

مدل OSI چیست؟

مدل  OSI (اتصال سیستم‌های باز یا Open System Interconnection)، یک مدل مفهومی است که توسط سازمان بین‌المللی استاندارد ایجاد شده است و سیستم‌های ارتباطی مختلف را قادر می‌سازد با استفاده از پروتکل‌های استاندارد با هم ارتباط برقرار کنند. به زبان ساده، OSI استانداردی را برای سیستم‌های کامپیوتری مختلف برای ارتباط با یکدیگر فراهم می‌کند.

 

سازمان بین‌المللی استاندارد ISO به منظور ترویج بهتر تحقیق و توسعه اینترنت، مدل مرجعی را در چارچوب 7 لایه اتصال شبکه‌ای تدوین کرده است که به آن مدل مرجع اتصال سیستم باز یا  OSI/RM(Open) می‌گویند که  به اختصار مدل مرجع اینترنت کار سیستم می‌گویند.

 مدل مرجع OSI یک مدل ارتباط متقابل سیستم باز با ساختار پروتکل 7 لایه است که مجموعه‌ای از مشخصات قابل اجرا جهانی است که توسط سازمان بین‌المللی استاندارد در اوایل دهه 1980 ارتباطات فرموله شده است.

با توجه به حالت عملکرد شبکه، لایه های شبکه مدل OSI به 7 سطح مختلف تقسیم می‌شود و هر سطح با توجه به حالت انتقال شبکه، هنجارها و استانداردهای خود را تعریف می‌کند. از سطح حالت انتقال شبکه خاص تا انتزاعی، این 7 لایه شبکه عبارتند از:

1.     Physical
2.     Data Link
3.     Network
4.     Transport
5.     Session
6.     Presentation
7.     Application

 

مزیت مدل OSI این است که هر تابع را تقسیم بندی می کند که در توسعه توابع شبکه و آموزش بسیار مفید است.

هنگام توسعه محصولات، فقط باید بر روی توسعه با توجه به مشخصات هر سطح تمرکز کنید. هنگام آموزش، ساختار عملیات شبکه را از طریق مدل OSI توضیح دهید. که درک آن برای مبتدیان نیز آسان‌تر است.

اما با این حال، عملکرد برخی از لایه های شبکه در مدل osi مانند لایه Presentation و لایه Session هنوز به راحتی قابل درک نیست. در مقایسه با لایه Network یا لایه Application با این حال مدل OSI کار را برای کارشناسان شبکه آسان کرده است.

معمولاً دیتا در لایه اول مدل OSI شامل یک سری صفرها و یک‌هاست که بین دو دستگاه بر روی بستر یا Media مشترک ردوبدل می‌شود، این دیتا در لایه دوم مدل OSI با نام Frame و در لایه سوم با نام Packet شناخته می‌شود. در لایه‌ چهارم این دیتا با ساختار Segment و در لایه 5 تا 7 با نام Data شناخته می‌شود.

 

لایه 1 یا Physical Layer

لایه فیزیکی یا physical اولین لایه شبکه در مدل OSI است که برای تعریف انتقال داده بیتی بین دستگاه‌های شبکه، یعنی انتقال سیگنال‌های الکترونیکی 0 و 1 سیم‌های فیزیکی دیگر برای تشکیل شبکه استفاده می‌شود. محتوای مشخصات لایه فیزیکی شامل اندازه کابل، سرعت انتقال و مقدار ولتاژ انتقال داده است که برای اطمینان از اینکه سیگنال می‌تواند بر روی انواع رسانه‌های فیزیکی منتقل شود استفاده می‌شود.

 

خطوط شبکه، کارت‌های شبکه و Hubها همگی دستگاه‌های لایه فیزیکی هستند که معمولاً به راحتی قابل دسترسی هستند. خطوط شبکه شامل کابل‌های جفت تابیده RJ-45 UTP که معمولاً در ادارات و اتاق‌های کامپیوتر استفاده می‌شوند، کابل‌های کواکسیال مورد استفاده در تلویزیون کابلی و کابل‌های فیبر نوری مورد استفاده در شبکه‌ها هستند.

Hub به دستگاهی گفته می‌شود که به سادگی خطوط را بصورت سری به هم متصل می‌کند و داده‌ها را با Broadcast انتقال می‌دهد. دستگاه‌های Hub کامپوزیت که در بازار دیده می‌شوند، مانند Switching Hub، محصولاتی هستند که توسط تولید کنندگان مطابق با نیاز بازار توسعه یافته‌اند و معمولاً برخی از عملکردهای لایه پیوند داده (دومین لایه از لایه های شبکه مدل OSI) را شامل می‌شوند.

 

لایه 2 یا Data Link Layer

لایه Data Link بین لایه Physical و لایه Network است که عمدتاً یک ارتباط منطقی بین شبکه‌ها برقرار کرده و کنترل جریان و تشخیص خطا را در طول فرآیند انتقال کنترل می‌کند و انتقال و دریافت داده‌ها را پایدارتر می‌کند.

لایه Data Link سیگنال‌های دیجیتال لایه فیزیکی را در گروهی از داده‌های منطقی منتقل می‌کند که به این گروه از سیگنال‌ها چارچوب داده یا اصطلاحاً Frame می‌گویند. فریم حاوی آدرس MAC است. هنگامی که داده‌ها در حال انتقال هستند، این اطلاعات آدرس به میزبان دیگر اجازه می‌دهد تا منبع داده‌ها را شناسایی کند.

آدرس MAC مجموعه‌ای 48 بیتی (6 بایتی) از شماره‌های سریال است. MAC آدرس هر دستگاه شبکه منحصر بفرد است که به دستگاه‌های شبکه اجازه می‌دهد هنگام برقراری ارتباط در شبکه محلی یکدیگر را شناسایی کنند به عنوان مثال کارت‌های شبکه یک مثال بارز هستند.

لایه Data Link خود از دو زیر لایه تشکیل شده است که عبارتند از:

1. Media Access Control (MAC)
2. Logical Link Layer (LLC)

 

 

بسیاری از پروتکل‌های شبکه بر روی لایه Data Link کار می‌کنند. رایج‌ترین پروتکل‌هایی که می‌شنویم حالت انتقال ناهمزمان (ATM) و پروتکل نقطه به نقطه (PPP) هستند. اولی یک پروتکل ارتباطی است که در روزهای اولیه اینترنت ایجاد شد و به دلیل حجم کم انتقال تک، برای انتقال صدا مناسب است، دومی زمانی است که از ADSL استفاده می‌کنیم، برای اتصال از طریق این پروتکل به ISP متصل می‌شویم. (اتصال به اینترنت)

سوئیچ شبکه (Switch) یک دستگاه رایج در این لایه است که عمدتاً در شبکه محلی یا Local کار می‌کند و می‌تواند داده‌های شبکه را با توجه به آدرس MAC به میزبان مقصد منتقل کند. سوئیچ‌ها بطور کلی به دو نوع تقسیم می‌شوند: قابل تنظیم و غیرقابل تنظیم و پیکربندی، اولی را می‌توان با کنترل جریان یا تقسیم‌بندی زیرشبکه یا Segment پیکربندی کرد، در حالیکه دومی فقط داده‌های شبکه را انتقال می‌دهد و عملکردهای پیشرفته دیگری ندارد.

 

لایه 3 یا Network Layer

لایه شبکه یا Network توابع مسیریابی و آدرس‌دهی شبکه را تعریف می‌کند که به داده‌ها اجازه می‌دهد بین شبکه‌ها منتقل شوند. مهمترین پروتکل ارتباطی در این لایه، پروتکل اینترنت (IP) است. هنگامیکه داده‌ها منتقل می‌شوند.

پروتکل آدرس IP را به داده‌های انتقال اضافه می‌کند و داده‌ها را بصورت بسته (Packet) تشکیل می‌دهد. هنگام انتقال از طریق شبکه، آدرس IP موجود در بسته، منبع و مقصد داده‌ها را به دستگاه شبکه اضافه می‌کند. از آنجایی که لایه شبکه عمدتاً بر روی IP کار می‌کند، به آن لایه IP نیز می‌گویند. علاوه بر IP، پروتکل‌های فعال در لایه شبکه شامل IPX و X25 می‌باشد. روترها و سوئیچ‌های لایه 3 از جمله تجهیزاتی هستند که در این لایه کار می‌کنند.

بطور کلی 4 وظیفه اصلی این لایه عبارتند از:

Network Control: وظیفه اصلی این بخش انجام Network Flow Control یا کنترل جریان شبکه، Network Sequencing یا بررسی توالی بسته‌های دریافتی یا ارسالی و Network Error Checking یا بررسی خطاهای پیش آماده در لایه 3 است.

Switching: وظیفه اصلی این بخش راه‌گزینی و رساندن پکت‌ها یا بسته‌ها از مبدأ به مقصد است. بطور کلی سه روش Switching در این بخش مطرح هستند که عبارتند از: Circuit Switching، Message Switching و Packet Switching.

Routing: وظیفه اصلی این بخش Route Discovery و Route Selection بین دو نقطه A و B است.

Logical Addressing: در واقع این بخش کمک می‌کند تا ارتباطات و آدرس‌دهی منطقی در شبکه بین کلاینت‌ها و سرورها، تجهیزات شبکه‌ای و… صورت بگیرد. بطور کلی سه نوع آدرس‌دهی در شبکه وجود دارد که عبارتند از: Physical Addressها، Logical Addressها و Service Addressها.

 

لایه 4 یا Transport Layer

مورد بعدی از لایه های شبکه مدل OSI لایه Transport است. این لایه به طور عمده مسئول انتقال کلی داده و کنترل کامپیوتر است و نقش کلیدی در مدل OSI دارد. 

این لایه می‌تواند داده‌های بزرگتر را به چندین داده مناسب برای انتقال برش دهد. مهمترین پروتکل‌های این لایه پروتکل TCP و UDP هستند.

پروتکل TCP از یک دست نشانی سه مرحله‌ای یا اصطلاحاً Three-Way Handshaking برای انتقال اطلاعات بین دو نقطه استفاده می‌کند و براساس بسته‌هایی به نام Syn، Syn/Ack و Ack کار می‌کند و چنانچه در انتقال یک پکت به مقصد مشکلی وجود داشته باشد، پروتکل TCP مجدداً اقدام به ارسال آن پکت می‌کند و هیچ دیتایی از دست نمی‌رود.

 پروتکل UDP برای انتقال Voice و Video استفاده می‌شود و مکانیزم Three-Way Handshaking را برخلاف TCP ندارد. بنابراین اگر در هنگام انتقال صدا و تصویر توسط UDP در شبکه پکتی به هر دلیلی از دست برود، UDP آن را تضمین نکرده و بسته را مجدداً برای مقصد ارسال نمی‌کند.

 

لایه 5 یا Session Layer

این لایه از لایه های شبکه مدل OSI وظیفه برقراری ارتباط شبکه، انتظار تا پایان انتقال داده و سپس قطع اتصال را برعهده دارد. فرآیند عملیات کمی شبیه به تماس با یک جلسه چند نفره (ایجاد اتصال) و سپس تبادل نظر با یکدیگر است. پروتکل‌های VPN از جمله: PPTP، L2TP، SSTP و… همگی از جمله پروتکل‌های مطرح در این لایه به حساب می‌آیند.

 

لایه 6 یا Presentation Layer

پس از دریافت داده‌ها توسط لایه Session، عبارت را می‌توان از طریق لایه Presentation تبدیل کرد، مانند تبدیل رمزگذاری ASCII به داده‌هایی که می‌تواند توسط لایه Application استفاده شود، یا پردازش تصاویر و سایر فایل‌های چند رسانه‌ای، مانند فایل‌های تصویری JPGE یا MIDI. فایل‌های صوتی و… .

علاوه بر تبدیل فایل، گاهی اوقات زمانیکه داده‌ها از طریق شبکه منتقل می‌شوند، محتوا نیاز به رمزگذاری یا رمزگشایی دارد و این کار در لایه ارائه انجام می‌شود.

در واقع وظیفه اصلی لایه Presentation را می‌تواند Encode و Decode کردن و همچنین Encryption و Decryption کردن داده‌ها دانست. مهمترین پروتکل‌های این لایه عبارتند از: TLS، SSL و HTTPS (توجه داشته باشید که پروتکل HTTP پروتکل لایه 7 است نه لایه 6).

 

لایه 7 یا Application Layer‌

وظیفه اصلی لایه Application پردازش برنامه‌ها و سپس ارائه خدمات برنامه‌های کاربردی شبکه به کاربران است. پروتکل زیادی در این سطح وجود دارند. پروتکل‌های ارتباطی رایج برای کاربران عبارتند از:‌DHCP ، ‌FTP (پروتکل انتقال فایل)، HTTP، POP3 و… .

نرم‌افزارهای کاربردی متعلق به لایه هفتم عبارتند از: مرورگرهای وب، ایمیل، بازی‌های آنلاین، نرم‌افزارهای پیام‌ فوری یا MSNها از جمله: ‌MSN Messenger،  ICQو غیره.

مدل لایه‌ای TCP/IP چیست؟

لایه های شبکه مدل TCP/IP به 5 لایه تقسیم می‌شود، این لایه‌ها عبارتند از:

1.     Physical Layer
2.     Data Link Layer
3.     Network Layer
4.     Transport Layer
5.     Application Layer

در ادامه به توضیح مختصری از لایه‌ های شبکه مدل TCP/IP خواهیم پرداخت:

لایه 1 یا Application Layer

لایه Application بخشی است که ما اغلب از آن استفاده می‌کنیم، مانند پروتکل متداول HTTP، SNMP، FTP، DNS، SMTP، Telnet و… . این بخش عمدتاً برای تعاملات کاربر محور است. در واقع این لایه از مدل TCP/IP همانند لایه‌های 5، 6 و 7 از مدل OSI عمل می‌کند.

لایه 2 یا Transport Layer

نقش Transport Layer انتقال داده‌ها از لایه برنامه است. به عنوان مثال، پروتکل TCP (پروتکل کنترل انتقال قابل اعتماد)، UDP (پروتکل دیتاگرام کاربر) که وظیفه‌ای انتقال داده‌ها را دارند.

TCP (پروتکل کنترل انتقال) اتصال‌گرا یا اصطلاحاً Connection Oriented بوده (اتصال باید ابتدا از طرف مقابل تأیید شود و اتصال باید در پایان انتقال قطع شود، مشابه برقراری تماس تلفنی)، پیچیده و قابل اعتماد است و دارای یک مکانیسم خوب برای ارسال مجدد و بررسی خطاها هنگام انتقال است.

در حالیکه UDP یک پروتکل Connectionless در ارتباطات محسوب می‌شود. در واقع این لایه از مدل TCP/IP همانند لایه 4 از مدل مرجع OSI عمل می‌کند.

لایه 3 یا Network Layer

لایه Network Layer با لایه شبکه مدل مرجع OSI مطابقت دارد و عمدتاً مشکل ارتباط میزبان به میزبان را حل می‌کند. پروتکل‌هایی که حاوی آن است، انتقال منطقی بسته‌های داده در سراسر شبکه را طراحی می‌کنند. تمرکز آن بر تخصیص مجدد یک آدرس IP به میزبان برای تکمیل آدرس‌دهی میزبان است و همچنین مسئولیت مسیریابی بسته‌های داده در شبکه‌های مختلف را برعهده دارد. سه پروتکل اصلی در این لایه وجود دارد:

1.     پروتکل اینترنت (IP)
2. پروتکل مدیریت گروه اینترنت (IGMP)
3. پروتکل پیام کنترل اینترنت (ICMP)

لایه 4 یا Data Link

لایه Data Link بطور کلی برای مقابله با بخش اتصال سخت‌افزار، از جمله کارت شبکه، درایورهای دستگاه مرتبط با سخت‌افزار و غیره استفاده می‌شود.

 

لایه 5 یا Physical Layer

لایه فیزیکی بطور کلی سخت‌افزاری است که مسئول انتقال داده‌ها است، مانند کابل‌های جفت تابیده، سخت‌افزاری‌های که بیسیم انتقال داده انجام می‌دهند و فیبرهای نوری. در این بخش جریان بیت جریان فوتوالکتریک و سیگنال‌های دیگر داده‌ها را ارسال و دریافت می‌کنند. جریان داده‌ها در این لایه همانند لایه 1 از مدل مرجع OSI شامل یک سری 0 و 1 است که بر روی یک بستر فیزیکی منتقل می‌شوند.

 

مدل‌های متفاوت TCP/IP

مدل اولیه لایه‌بندی TCP/IP از چهار بخش تشکیل شده بود. لایه های شبکه در مدل اولیه TCP/IP شامل موارد زیر بودند:

1. Link Layer
2. Internet Layer
3. Transport Layer
4. Application Layer

 

با گسترش شبکه برای توسعه بهتر زیرساخت‌ها یک لایه به این لایه های شبکه اضافه شده و مدل 5 لایه TCP/IP عرضه شد. این مدل شامل 5 لایه است که پیش‌تر و به اختصار به بررسی آن پرداختیم.

جمع‌بندی

یکی از مدل‌های لایه‌بندی شبکه، استاندارد TCP/IP است که در سال 1970 اختراع شد که مفهوم لایه‌بندی در شبکه را نشان می‌دهد. دیگری OSI است، با نام کامل Open System Interconnection Communication Reference Model است که یک استاندارد بین‌المللی است که برای یکسان‌سازی پروتکل‌های مختلف شبکه استفاده می‌شود که در اواخر دهه 1970 طراحی شد.

لایه های شبکه مدل OSI به 7 لایه تقسیم می‌شود و مدل قدیمی TCP/IP به 4 لایه و مدل جدید TCP/IP به 5 لایه تقسیم می‌شوند. رابطه این دو مانند سیستم‌عامل iOS و اندروید است که هر کدام استانداردهایی را توسعه داده‌اند.

استانداردهای بین‌المللی به دلیل گفتمان قوی آنها را هسته اصلی خود می‌دانند و برخی استانداردهای دیگر را مشخص می‌کنند، در میان آنها TCP/IP پیشرو در مدل لایه‌بندی شبکه است. OSI یک نماد و یک استاندارد بین‌المللی است.