مدل مرجع هفت لایه OSI شبکه چیست و چگونه کار می‌کند؟

مدل شبکه OSI (سرنام Open Systems Interconnection) یک چارچوب شبکه‌ای برای پیاده‌سازی پروتکل‌ها در لایه‌بندی‌های مختلف و انتقال کنترل از یک لایه به لایه دیگر است.

امروزه، مدل OSI یک مرجع آموزش کامل است؛ چون به خوبی می‌تواند مفاهیم معماری شبکه‌های کامپیوتری را در یک پیشرفت منطقی ۷ لایه‌ای تقسیم کند. لایه‌های پایین با سیگنال‌های الکتریکی، بسته‌های داده باینری و مسیریابی این داده‌ها در تجهیزات شبکه سروکار دارند اما در سطوح بالاتر، درخواست‌ها و پاسخ‌های شبکه، نمایش داده‌ها و پروتکل‌های شبکه را تحت پوشش قرار می‌دهد. این دیدی است که یک کاربر از شبکه پیدا می‌کند.

مدل OSI در ابتدا، معماری استاندارد شبکه‌های کامپیوتری را شکل می‌داد و امروزه در بسیاری از فناوری‌های شبکه محبوب، می‌تواند ردپایی از آن را مشاهده کرد ولی اینترنت براساس مدل ۴ لایه TCP/IP پیاده‌سازی شده است.

مدل TCP/IP همان کارکرد و مفاهیم مدل OSI را اما با لایه‌های کمتر و ساده‌تر دنبال می‌کند. در دوره آموزشی +Network و همین‌طور دوره‌های آموزشی شبکه دیگر فرادرس، هر دو مدل مرجع معماری شبکه به طور کامل تشریح و تفاوت‌های آن‌ها ذکر شده است.

بسیاری از دانشجویان شبکه و حتی تکنسین‌ها، کارشناسان و مهندسان شبکه، در حالی‌که با مدل OSI آشنایی دارند ولی به درک عمیقی از نحوه عملکرد هر لایه و نقش و وظایف آن نرسیدند و از آن‌جایی که در بسیاری از مباحث پیشرفته شبکه‌های کامپیوتری نیاز داریم دقیقا بدانیم یک پروتکل یا دستگاه در کدام لایه است؛ امروز می‌خواهیم در این مطلب، به زبانی ساده هر لایه را شبیه‌سازی کنیم و از زاویه جدیدی به سراغ مدل OSI برویم:

تاریخچه و معرفی مدل شبکه OSI

ابتدا اجازه دهید درباره دلیل نام‌گذاری این مدل مرجع شبکه به نام OSI صحبت کنیم. چون این مدل شبکه یک ارتباط باز و آسان را میان لایه‌های مختلف شبکه ایجاد می‌کند؛ به Open System Interconnection یا OSI نام‌گذاری شد.

در این مدل، هر لایه از شبکه، فارغ از اینکه در بخش بالایی یا پایینی شبکه است و شامل چه پروتکل‌ها یا تجهیزات و شکل ارسال و دریافت داده‌ها می‌شود؛ می‌تواند بدون محدودیت یا در نظر گرفتن معماری شبکه، با لایه بالاتر و پایین‌تر از خود ارتباط برقرار کند.

در سال‌های ابتدایی پیدایش شبکه‌های کامپیوتری و سلطه شرکت‌هایی مانند Unisys و IBM و DEC و غیره بر آن، هریک مدل و مفهومی از شبکه را برای خود ترسیم و دنبال می‌کرد. در سال ۱۹۸۴، سازمان ایزو (ISO) برای دستیابی به یک مدل مرجع و استاندارد از شبکه، مدل هفت لایه OSI را پیشنهاد داد. تصویب این مدل کمک کرد تا همه شرکت‌های سازنده تجهیزات شبکه از یک مدل مفهومی ساده برای تولید محصولات و ارائه خدمات شبکه خود استفاده کنند و در سراسر جهان نرم‌افزار و سخت‌افزار شبکه بتواند با یکدیگر ارتباط برقرار کند.

موفقیت و پذیرش این مدل در سال‌های ابتدایی باعث شد که به تدریج پروتکل‌های شبکه نیز براساس آن شکل بگیرند و نام‌گذاری شوند. در دهه هشتاد، سازمان ملی علوم در امریکا عنوان کرد که در آینده فقط از این استاندارد حمایت خواهد کرد ولی در عمل طراحان شبکه به این مدل وفادار نماندند و شرکتی مانند ناول مدل پنج لایه خودش را به کار گرفت و در اینترنت مدل TCP/IP فراگیر شد.

در مدل OSI شاهد ۷ لایه یا Layer هستیم که در هریک، تعدادی پروتکل شبکه جای گرفته است و عملکرد مشخصی دارند. هر لایه، بسته اطلاعات را از لایه زیرین خود دریافت کرده و هدر (Header) مخصوص خود را به آن اضافه می‌کند و به لایه بعدی می‌دهد.

فهم و درک مدل OSI برای بسیاری از کاربردها و کار با نرم‌افزارهای شبکه یک الزام منطقی است. مثلا، اگر بخواهید سراغ آموزش کریو کنترل بروید؛ ابتدا باید با مدل OSI آشنایی داشته باشید و بدانید در لایه شبکه ابزارهای UTM و فایروال چه کارکردی دارند.

یک مثال ساده مدل OSI

پیش از اینکه بخواهیم سراغ تشریح ۷ لایه مدل مرجع OSI برویم؛ با یک مثال بسیار ساده می‌خواهیم روند کلی این مدل و طرز کار آن را درک کنیم.

تصور کنید پشت کامپیوتر خود نشسته‌اید و می‌خواهید یک ایمیل برای همکارتان بفرستید. برنامه ایمیل خود (جی‌میل، اوت لوک یا هر اپلیکیشن ایمیل دیگر) را باز کرده و یک ایمیل جدید می‌سازید و برای آن نام و آدرس مقصد و متن بدنه و چیزهای دیگر قرار می‌دهید. الان شما در لایه هفت یا لایه اپلیکیشن مدل OSI هستید. وقتی ایمیل را ارسال می‌کنید؛ این لایه، کل داده‌های ایمیل شما را به بسته‌های کوچک‌تر تقسیم کرده و تحویل لایه زیرین یا نمایش می‌دهد.

در این لایه داده‌ها به زبانی قابل فهم برای لایه‌های زیرین شبکه تبدیل می‌شوند و اگر ایمیل شما رمزنگاری شده است؛ برای دستگاه‌های شبکه رمزگشایی می‌شود. همین‌طور، ایمیل شما در بسته‌های داده کوچک‌تری تقسیم و از یک لایه به سوی لایه زیرین شبکه می‌رود تا به دست لایه فیزیکی می‌رسد و انتقال آن به سوی مقصد در اینترنت انجام می‌شود. برای اینکه در مقصد هیچ‌گونه مشکلی وجود نداشته باشد؛ در هر لایه، اطلاعاتی به بسته‌های داده ایمیل شما افزوده شده است.

وقتی ایمیل شما به مقصد رسید؛ در هر لایه، پس از اینکه بررسی‌های لازم صورت گرفت و اطمینان حاصل شد که مشکل ارتباطی وجود ندارد یا بسته‌ای در میان راه گم نشده است؛ اطلاعات اضافی افزوده شده به آن برداشته می‌شوند و همین‌طور لایه فیزیکی در زیرین‌ترین بخش مدل OSI سعی می‌کند بسته‌ها را به لایه‌های بالاتر بدهد تا به لایه هفتم یا اپلیکیشن برسد و همکار شما در اینباکس برنامه ایمیل خود، پیام شما را ببیند.

در این مثال، به طور بسیار ساده‌ای نحوه کار مدل شبکه OSI را ذکر کردیم تا یک چشم‌انداز و دید کلی نسبت به آن و لایه‌ها پیدا کرده باشید.

لایه فیزیکی (Physical Layer)

لایه ۱ مدل OSI به لایه فیزیکی یا Physical layer مشهور است و وظیفه انتقال نهایی داده‌های دیجیتالی از لایه فیزیکی دستگاه ارسال کننده یا منبع را به دستگاه دریافت‌کننده یا مقصد دارد.  لایه فیزیکی از طریق رسانه‌های ارتباطی شبکه اقدام به انتقال داده‌ها خواهد کرد.

نمونه‌هایی از فناوری‌های لایه ۱ شامل کابل‌ها و هاب‌های اترنت می‌شوند. روترها، سوئیچ‌ها، مودم‌ها، تقویت‌کننده‌ها و کامپیوترها نیز در این لایه قرار می‌گیرند.

در لایه فیزیکی، داده‌های به صورت سیگنال‌های الکتریکی از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌شوند و داده‌های باینری یا قابل خوانا برای اپلیکیشن و سیستم‌عامل نیستند. محیط‌های فیزیکی و انتقال اطلاعات باید از این سیگنال‌های الکتریکی پشتیبانی کنند و داده‌ها به صورت ولتاژهای الکتریکی، فرکانس‌های رادیویی و پالس‌های نوری مادن قرمز یا معمولی ارسال می‌شوند.

لایه پیوند داده‌ها (Data Link Layer)

لایه ۲ به نام لایه پیوند داده‌ها شناخته می‌شود و داده‌ها را به لایه فیزیکی داده یا از این لایه تحویل می‌گیرد. وقتی داده‌ها از لایه فیزیکی تحویل گرفته می‌شوند؛ خطاهای انتقال را بررسی می‌کند و بیت به بیت و فریم به فریم اقدام به اعتبارسنجی داده‌ها خواهد کرد. بسته‌ها در این لایه «فریم» نامیده می‌شوند. از رایج‌ترین پروتکل‌ها در این لایه می‌توان به پروتکل PPP اشاره کرد.

مدیریت آدرس‌های فیزیکی در شبکه مانند آدرس‌های MAC دستگاه‌ها نیز در این لایه انجام می‌شود. دسترسی به دستگاه‌های شبکه در محیط فیزیکی از دیگر وظایف این لایه است. لایه پیوند داده‌ها را معمولا پیچیده‌ترین لایه در مدل OSI می‌نامند و در کلاس‌های آموزش شبکه‌های کامپیوتری، اغلب به دو زیر لایه Media Access Control و Logical Link Control تقسیم می‌شود.

لایه شبکه (Network Layer)

در لایه سوم یا لایه شبکه، مفهوم مسیریابی بسته‌ها به لایه پیوند داده افزوده می‌شود. هنگامی که داده‌ها به لایه شبکه می‌رسند؛ آدرس مبدا و مقصد موجود در هر فریم مورد بررسی قرار می‌گیرند تا مشخص شود آیا داده‌ها به صورت درستی به آدرس مقصد رسیده‌اند یا خیر. اگر داده‌ها به آدرس مقصد نهای رسیده باشند؛ در این لایه، داده‌ها از فریم به بسته‌های داده تبدیل شده تا به لایه انتقال بروند.

اگر داده‌ها به مقصد نرسیده باشند؛ لایه شبکه سعی می‌کند آدرس مقصد را به‌روز کند و دوباره فریم‌ها را به لایه‌های پایین‌تر ارجاع دهد. در لایه شبکه، برای پشتیبانی از مسیریابی در شبکه و رسانه‌های انتقال، از آدرس‌های منطقی مانند آدرس IP برای دستگاه‌های موجود در شبکه پشتیبانی کرده و آدرس‌های IP آن‌ها را حفظ می‌کند. مدیریت نگاشت میان آدرس‌های منطقی و آدرس‌های فیزیکی نیز در این لایه انجام می‌شود. پروتکل‌های IPv4 و IPv6 و پروتکل ARP و NDP نیز در این لایه هستند.

افرادی که سراغ آموزش‌های سیسکو می‌روند؛ برای راه‌اندازی و پیکربندی روترها و سوئیچ‌های شبکه با این لایه زیاد سروکار خواهند داشت و لذا باید درک بسیار عمیق و کاملی از روندهای لایه شبکه پیدا کنند.

لایه انتقال (Transport Layer)

در لایه چهارم از مدل شبکه مرجعه OSI، عملیات تحویل داده‌ها در سراسر شبکه انجام می‌شود. در این لایه به طور مشخص پروتکل‌های TCP و UDP وظیفه ایجاد ارتباطی End-to-End بین مبدا و مقصد را برعهده دارند. یک تونل مجازی بین دو دستگاه ایجاد می‌شود تا بسته‌های داده منتقل شوند.  کنترل جریان و کنترل خطا نیز در این لایه انجام می‌شود.

در این لایه، مسایل مسیریابی مطرح نیست ولی برای برقراری یک ارتباط باید آدرس IP و پورت‌های دستگاه مبدا و مقصد وجود داشته باشند. مسیریابی براساس آدرس IP در لایه پایین‌تر صورت می‌گیرد و آدرس پورت‌ها هم برای اپلیکیشن‌ها در لایه‌های بالاتر است تا مشخص شود داده‌ها مربوط به کدام برنامه یا خدمات هستند. بسته‌ها در این لایه datagram نامیده می‌شوند.

لایه نشست (Session Layer)

مدیریت توالی و جریان ارتباط میان دستگاه مبدا و مقصد یا ارسال‌کننده و دریافت‌کننده داده‌ها در لایه پنجم یا لایه نشست (جلسه) صورت می‌گیرد. این لایه وظیفه دارد این ارتباط را حفظ کند و اگر قطع شد؛ دوباره اقدام به برقراری و اتصال آن کند. برقراری امنیت و عملیات‌هایی مانند احرازهویت این ارتباط در مبدا و مقصد نیز برعهده این لایه است.

در این لایه، از انواع اتصالاتی که به صورت پویا بر بستر شبکه ایجاد می‌شوند؛ پشتیبانی به عمل خواهد آمد. برقراری مدیریت یک جلسه، شناسایی طرفین، مشخص نمودن اعتبار پیام‌ها، اتمام جلسه و حسابداری مشتری‌ها عمده وظایف این لایه است.

لایه نمایش (Presentation Layer)

ساده‌ترین لایه در میان هفت لایه OSI همین لایه نمایش است. در لایه ۶، تبدیل داده‌های باینری به زبان قابل فهم برای لایه‌های بالاتر یا پایین‌تر و پردازش نحوی پیام‌ها مانند تبدیل فرمت‌ها و رمزنگاری/رمزگشایی مورد نیاز برای لایه اپلیکیشن انجام می‌شود.

در این لایه، معمولا کارهایی صورت می‌گیرد که اگرچه بنیادی و اساسی نیستند ولی برای نیازهای عمومی کاربران مفید خواهند بود. مثلا، فشرده‌سازی فایل‌ها و اطلاعات، تبدیل کدها به یکدیگر وقتی دو دستگاه یا ماشین از استانداردهای مختلف متنی استفاده می‌کنند (مانند تبدیل متون EBCDIC به ASCII و برعکس) و همین‌طور رمزنگاری و رمزگشایی داده‌های محرمانه انجام می‌شود. در آموزش امنیت شبکه، لایه ششم مدل OSI حسابی سروکار خواهید داشت و کار با انواع نرم‌افزارهای پیاده‌سازی شده در این لایه را یاد خواهید گرفت!

لایه کاربرد (Application Layer)

در لایه هفتم، داده‌ها و خدمات شبکه که شش لایه زیر روی آن‌ها کار کردند؛ از طریق برنامه‌ها به کاربر تحویل داده می‌شوند. کاربرها عموما با این لایه مدل OSI کار می‌کنند و از لایه‌های زیرین خبر ندارند. مثلا، پروتکل‌های HTTP و FTP در این لایه اجرا شده و وظیفه دریافت درخواست‌ها از کاربر و ارسال آن‌ها به لایه‌های زیرین یا دریافت داده‌ها از لایه‌های زیرین و تحویل آن‌ها به برنامه‌ها را برعهده دارند.

در حقیقت، در این لایه استاندارد مبادله پیام میان نرم‌افزارهایی که در اختیار کاربر بوده و به نحوی با شبکه در ارتباط بودند، تعریف می‌شود.

مزایای مدل شبکه OSI

برای افرادی که تازه می‌خواهند با مفاهیم شبکه آشنایی پیدا کنند یا کاربردهای پروتکل‌های شبکه در هر لایه را یاد بگیرند؛ مدل شبکه OSI بهترین الگو و مرجع است.

وقتی یک معماری پیچیده را به چندین لایه مجزا تقسیم می‌کنید؛ افزودن پروتکل‌های جدید و سایر خدمات شبکه به آن ساده‌تر می‌شود.

این مدل به طور ساده‌ای و با لایه‌بندی شبکه، پیچیده‌ترین مفاهیم و روندهای رخ داده در بخش‌های زیرین شبکه هنگام ارسال یک پیام یا داده از یک دستگاه به دستگاه دیگر را تشریح می‌کند. آموزش مدل‌های شبکه کامپیوتری یک ضرورت و نیاز پایه‌ای برای دانشجویان و کارآموزان صنعت شبکه و مرکزداده است.

مدل شبکه هفت لایه OSI فقط برای افراد مبتدی یا کارشناسان شبکه نیست و سازندگان تجهیزات شبکه یا ارائه‌دهنده‌گان خدمات شبکه نیز براساس این مرجع استاندارد محصولات خود را پیاده‌سازی می‌کنند و بعد اطمینان می‌یابند که با محصولات و خدمات دیگر فروشندگان در لایه‌های بالاتر یا پایین‌تر کار خواهد کرد.

می‌توانید آموزش‌های ویدئویی بیشتری درباره مدل هفت لایه OSI شبکه در فرادرس ببینید و همین‌طور با مدل مرجع اینترنت TCP/IP و تفاوت‌های آن با مدل مرجع OSI بیشتر آشنا شوید!