Modele odniesienia OSI/ISO i TCP/IP

1. Moduł 2
Modele odniesienia OSI/ISO i TCP/IP
1. Po co nam modele odniesienia
2. Model OSI-ISO

2. 2
1. Po co nam modele odniesienia
Osoby, które już gdzieś otarły się o ten temat, pewnie zadają sobie to pytanie. Za
chwile spróbuję przekonać, że tak skomplikowane działanie, jak transmisja danych wy-
maga zamodelowania. Do czasu pojawienia się wspólnych wytycznych, firmy działające
w branży transmisji danych bardzo indywidualnie podchodziły do swoich rozwiązań.
Zakup sieci od firmy Y powodował, że byliśmy zdani na jej produkty, bo nic innego nie
chciało współpracować z tymi komponentami. Sytuacja stawała się męcząca, szczególnie
gdy dwie firmy chciały nawiązać współpracę, a okazywało się że kupiły sieć u innych
dostawców. Potrzeba ujednolicenia sieci była wyraźna. Rynek był jednak bombardowa-
ny nowymi produktami i żadna z firm nie chciała słyszeć, że ma rezygnować ze swoich
rozwiązań. Wyjściem z sytuacji było stworzenie modelu, który z jednej strony kodyfiko-
wał pewne czynności związane z transmisją danych, a z drugiej nie narzucał jak ma to
być zrealizowane. Zadania podjęła się międzynarodowa organizacja standaryzująca ISO
i tak w roku 1984 powstał model nazwany Open Systems Interconnection Reference Mo-
del w skrócie OSI RM
2. Model OSI-ISO
Jak wyglądał stworzony model i jak opisywał rolę poszczególnych elementów?
Zbudowany model miał strukturę warstwową i składał się z siedmiu warstw.
Rys. 2.1 Model OSI-ISO
Źródło: materiały własne
Każda warstwa odpowiadała za odpowiednie działanie na drodze informacji od
użytkownika do sieci i odwrotnie. Dane, które docierają od użytkownika do aplikacji,
w kolejnych warstwach mają zostać poddane odpowiedniej obróbce, aby mogły zostać
przesłane przez odpowiednie medium. Jak skomplikowanym procesem jest transmisja
danych w sieciach pokazuje materiał video z dołączoną krótką symulacją działania sieci
(„modelowanie sieci”). Poznajmy teraz znaczenie poszczególnych warstw.

3. 3
Warstwa 7 - aplikacji - odpowiada za odbieranie informacji od aplikacji i przygotowy-
waniu ich do transmisji przez sieć. W warstwie tej działają protokoły związane z rodza-
jem świadczonych usług takie jak: HTTP, FTP, SMTP.
Warstwa 6 - prezentacji - zajmuje się obsługą reprezentacji danych. Informacje jakie na-
pływają z aplikacji są w formie charakterystycznej dla danego systemu i aplikacji. Naj-
częściej nie wiemy z jakim systemem mamy do czynienia na drugim końcu sieci, dlatego
dane, które wymieniamy muszą mieć ogólnie przyjęta formę. Tu pojawia się np. stan-
dardowe kodowanie znaków narodowych, konwersja grafiki do ogólnie przyjętych stan-
dardów. Dodatkowo 6 warstwa prezentacji zajmuje się kompresją i szyfrowaniem da-
nych.
Warstwa 5 - sesji - odpowiada za prawidłową komunikację aplikacji na 2 końcach sieci.
Podczas wymiany danych między użytkownikami zestawiona jest sesja, która jest pil-
nowana przez tą właśnie warstwę. Chwilowa utrata łączności lub dłuższy czas nieak-
tywności może doprowadzić do zerwania sesji.
Warstwa 4 - transportu - jako pierwsza dokonuje segmentacji danych. To, co do tej pory
było strumieniem danych zostanie podzielone na fragmenty i dodatkowo każdy z nich
dostanie swoją etykietę. Dołożony do każdej porcji danych nagłówek będzie odpowiadał
za prawidłowe rozpoznawanie naszych danych przez aplikacje. Dodatkowo, w przypad-
ku niektórych protokołów zostanie zapewniona kontrola poprawności przesyłanych
danych. Każda nadana porcja danych musi być potwierdzona przez odbiorcę.
warstwa 3 - sieci - to miejsce gdzie dane zostaną oznaczone dodatkowym nagłówkiem
wskazującym na adres logiczny nadawcy i odbiorcy. Adres ten jednoznacznie wskaże na
miejsce przyłączenia do sieci naszego hosta, klienta lub dostawcę usług.
Warstwa 2 - łącza danych - to także adresacja, ale tym razem fizyczna. Kolejny nagłówek
z informacjami do komunikacji w sieci lokalnej, m.in. MAC adresy. Taki rodzaj adresacji
przy opuszczaniu naszej sieci lokalnej kończy się na naszym routerze. Warstwa ta reagu-
je również na zachowanie warstwy fizycznej. Jeżeli z jakiegoś powodu medium transmi-
syjne zmieni parametry, warstwa 2 może zlecić zmianę sposobu transmisji.
Warstwa 1 - fizyczna - odpowiada ze przekazanie danych przez odpowiednie medium
transmisyjne. Na tym etapie dane zamieniane są na ciąg bitów. Medium fizyczne narzuca
w jaki sposób bity te zostaną przesłane na drugi koniec sieci. Jeżeli korzystamy
z transmisji po kablach miedzianych będzie to odpowiedni ciąg impulsów elektrycznych.
W przypadku transmisji światłowodowej przesyłana informacja zawarta jest w impul-
sach świetlnych. Sieci bezprzewodowe radiowe transportują informację jako fale elek-
tromagnetyczne na odpowiednich częstotliwościach
Tak zostały zdefiniowane etapy, jakie musi pokonać informacja od użytkownika
do medium transmisyjnego. Na drugim końcu sieci proces ten zostanie powtórzony
w przeciwnym kierunku. Odtworzony w ten sposób strumień danych trafi do odpo-
wiedniej aplikacji.
a. Przejście informacji między warstwami
Podczas przygotowywania danych do transmisji, przechodzą one przez skompli-
kowane procesy opisane w powyższych warstwach. Spójrzmy, jaką drogę przebywają
dane od aplikacji na jednym końcu sieci do aplikacji na drugim jej końcu.

4. 4
Rys. 2.2 Przejście danych przez warstwy modelu OSI-ISO
Źródło: materiały własne
Przygotowany strumień danych, zapisany zgodnie z jednym z protokołów war-
stwy aplikacji, trafia do najwyższej warstwy siódmej. W kolejnym kroku dane zostają
przekazane do warstwy prezentacji, gdzie zostaną poddane obróbce celem prawidłowe-
go uniwersalnego zakodowania. Nadal pozostając jako strumień danych przechodzą do
warstwy sesji, a następnie do warstwy transportowej, gdzie po raz pierwszy zostaną
podzielone na fragmenty. Każda porcja danych zostanie opatrzona stosowną etykietą
(nagłówkiem), w którym zostaną zawarte niezbędne informacje sterujące. Tak przygo-
towana „paczka” dane + nagłówek trafiają do kolejnej warstwy w celu nadania kolejnej
etykiety. Zwróć uwagę, że wcześniejszy nagłówek przez warstwę trzecią jest traktowany
jak dane. Po dołączeniu informacji związanych z adresacją logiczną, rozszerzona porcja
danych trafia do warstwy drugiej. Tu do informacji o adresie logicznym dołączone zosta-
ją dane o adresie fizycznym. W ten sposób docieramy do warstwy pierwszej, gdzie po-
fragmentowane dane zostają zamienione na ciąg bitów. Przyjrzyjmy się jeszcze raz do-
kładnie jak przebiega przekazywanie informacji w dolnych warstwach.

5. 5
Rys. 2.3 Przekazywanie danych w dolnych warstwach modelu OSI-ISO
Źródło: materiały własne
Proces dokładania informacji sterujących został nazwany enkapsulacją. Prze-
transportowane dane przez sieć zostaną poddane działaniom odwrotnym, tzn. przecho-
dząc przez kolejne warstwy w górę, nagłówki po odczytaniu będą odrzucane. Takie dzia-
łanie nazwano dekapsulacją. Czy w związku z tym warstwa transportowa w nagłówku
przekazuje dane do warstwy transportowej po przeciwnej stronie? Dokładnie tak. In-
formacje sterujące dokładane w procesie enkapsulacji przez daną warstwę są skierowa-
ne do tej samej warstwy w urządzeniu odbiorczym. Przykładowo, jeżeli w nagłówku
warstwy trzeciej dodaliśmy informacje o adresie logicznym nadawcy i odbiorcy, to takie
dane są potrzebne do prawidłowego odczytania danych po drugiej stronie sieci. Zwróć
jeszcze raz uwagę na rysunek 2.2. Tam symbolicznie zaznaczyłem poziomymi strzałka-
mi, że poszczególne warstwy mogą komunikować się tylko między sobą. Czy to jedyny
możliwy opis tego skomplikowanego procesu jakim jest transmisja danych? Okazuje się,
że już długo przed pojawieniem się modelu OSI-ISO, Agencja Zaawansowanych Projek-
tów Badawczych Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych stworzyła własny model
teoretyczny. Miał on pomóc w tworzeniu odpornych na ataki sieci komputerowe. Po la-
tach stał się podstawą struktury Internetu. Tak powstał model TCP/IP.
b. Model TCP/IP
W jaki sposób różniło się podejście z wczesnych lat siedemdziesiątych od modelu
organizacji ISO? Pierwsza widoczna różnica to ilość warstw. W odróżnieniu od rozbu-
dowanej siedmiowarstwowej struktury, uproszczony wzorzec składa się tylko z czte-
rech warstw.
Rys. 2.4 Model TCP/IP
Źródło: materiały własne
Czy to wystarczy do opisu tego, co dzieje się w sieci? Okazuje się, że przyjmując
ten model, jako obowiązujący dla Internetu, dostał on jednoznaczną rekomendację
o swojej przydatności. Przyjrzyjmy się krótko warstwom.
Warstwa 4 - aplikacji - podobnie jak w poprzednim modelu, odpowiada za komunikację
z aplikacją, od której odbiera strumień danych. Przygotowane informacje już w ustanda-
ryzowanej formie trafią za chwilę do pierwszego „porcjowania”, czyli warstwy 3. Zau-
ważmy, że zadania warstwy 4 są szerzej potraktowane, niż w modelu OSI.

6. 6
Warstwa 3 - transportu - podobnie jak w przypadku OSI-ISO, zadaniem tej warstwy jest
podział strumienia danych na segmenty. Z powodu odniesienia się w tym modelu do
konkretnej sieci, warstwa trzecia jest zdominowana przez dwa protokoły TCP i UDP. Ma-
ją one za zadanie pomóc w kierowaniu danych do odpowiednich aplikacji oraz w przy-
padku TCP dbać o spójność przekazywanych informacji. Protokół TCP, od którego po-
wstała część nazwy tego modelu, odpowiada ze numerację segmentów oraz kontrolę ich
prawidłowego transportowania. Każda porcja informacji po przejściu przez sieć musi
zostać potwierdzona. W przypadku uszkodzenia lub utraty fragmentu danych, protokół
TCP może wystąpić o ich ponowne przesłanie.
Warstwa 2 - internetowa - odpowiada za adresację logiczną. W tym modelu dominują-
cym protokołem tej warstwy jest protokół IP. To zgodnie z zasadami IPv4 adresowane
są dzisiaj pakiety krążące po sieci Internet. Część z nich uzyskało już nowy nagłówek
pochodzący z kolejnej wersji IPv6.
Warstwa 1 - dostępu do sieci - której zadaniem jest ostateczne przygotowanie danych do
transmisji przez medium fizyczne. Opatrzone adresem fizycznym zostają zakodowane
odpowiednim protokołem liniowym i wysłane do sieci.
W taki uproszczony sposób transmisję danych przez sieć ujęto w modelu TCP/IP.
Czy ograniczenie do czterech warstw nie determinuje pewnych rozwiązań? Pewnie tak,
ale ten model w odróżnieniu od OSI-ISO nastawiony jest na opisanie pewnej konkretnej
sieci, jaką jest Internet. Wszystkie inne rozwiązania oparte np. o protokoły IPX/SPX czy
AplleTalk będą opisywane na modelu uniwersalnym OSI.
c. Porównanie modeli
Podsumowując wiadomości o dwóch modelach sieci spójrzmy jeszcze raz na ofe-
rowany podział warstwowy.

7. 7
Rys. 2.5 Porównanie modeli OSI-ISO i TCP/IP
Źródło: materiały własne
Uproszczony model TCP/IP pozostawia nienaruszone środkowe dwie warstwy.
Działania na warstwie transportu i sieci są na tyle kluczowe dla całego procesu transmi-
sji danych, że twórcy obu modeli dostrzegają ich wagę. Bez warstwy transportowej nie
ma mowy o spójności danych. To na tym krytycznym etapie przygotowywania danych
pojawiają się informacje niezbędne do skompletowania strumienia danych na przeciw-
nym końcu sieci. Warstwa adresacji logicznej to również kluczowy element w organiza-
cji sieci rozległych. Bez możliwości jednoznacznego adresowania danych w skompliko-
wanej sieci połączeń nie byłoby Internetu. Podejście do pozostałych warstw modelu
TCP/IP wykazuje tendencję do upraszczania. Wynika to ze stosowania konkretnych
rozwiązań i protokołów, których działanie ściśle wpisuje się w ten model. Czy to jedyne
możliwe dwa modele do opisywania tego skomplikowanego zjawiska, jakim jest
transmisja danych przez sieci? Nie. Każdy może stworzyć własny model. Opisane powy-
żej są najbardziej rozpowszechnione i chętnie wykorzystywane, co oznacza że mało lu-
dzi jest na tyle odważnych, żeby tworzyć i promować swój model sieci. Jeżeli jednak
z jakiegoś powodu stwierdzisz potrzebę stworzenia własnego modelu, nic nie stoi na
przeszkodzie. Opisywanie różnych skomplikowanych zjawisk poprzez modelowanie
pozwala dużo prościej porozumieć się w kwestii roli poszczególnych etapów w całym
procesie. Zauważ, że w modelu często skupiamy się na wejściu i wyjściu danej warstwy
nie narzucając rozwiązań wewnątrz. Definiujemy, że dana warstwa X dostaje na wejściu
dane od warstwy Y w określonej formie. Po przetworzeniu pojawiają nam się dane wyj-
ściowe dla warstwy Z. Dla lepszego zrozumienia modelowania zachęcam do wykonania
ćwiczeń i zadań przewidzianych do tego rozdziału.
Bibliografia:
1. B. Halska, P. Bensel (2013) Kwalifikacja E.13. Projektowanie lokalnych sieci kom-
puterowych i administrowanie sieciami. Podręcznik do nauki zawodu technik in-
formatyk. Część 1. Gliwice:Helion.
2. Mark A. Dye, Rick McDonald, Antoon „Tony” W. Ruf (2011) Akademia sieci Cisco.
CCNA Exploration. Semestr 1 Podstawy sieci. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe
PWN.
Netografia:
1. Dipol Sp.J. Poradnik Instalatora WLAN
http://www.dipol.com.pl/poradnik_instalatora_wlan_bib86.htm