Μοντέλο αναφοράς OSI


    Το μοντέλο OSI βασίζεται σε μια πρόταση, που ανέπτυξε ο Οργανισμός Διεθνών Προτύπων ISO, ως ένα πρώτο βήμα προς την κατεύθυνση της διεθνούς προτυποποίησης των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται στα διάφορα στρώματα. Το μοντέλο αποκαλείται μοντέλο αναφοράς OSI (Open Systems Interconnection) του ISO, επειδή αφορά ανοικτά συστήματα, δηλαδή συστήματα ανοικτά στην επικοινωνία με άλλα συστήματα.

    Το μοντέλο αυτό έχει επτά στρώματα καθένα από τα οποία εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες και επικοινωνεί με τα επίπεδα που είναι ακριβώς από πάνω και από κάτω του. Τα ανώτερα επίπεδα ασχολούνται κυρίως με τις υπηρεσίες, εφαρμογές και δραστηριότητες χρηστών και τα κατώτερα στρώματα ασχολούνται κυρίως με την καθεαυτού μετάδοση δεδομένων.

    Το μοντέλο αναφοράς Ανοικτής Διασύνδεσης Συστημάτων, ή μοντέλο αναφοράς OSI (αγγλ. OSI reference model) είναι μια διαστρωματωμένη, αφηρημένη περιγραφή για τη σχεδίαση τηλεπικοινωνιακών και δικτυακών πρωτοκόλλων η οποία καθορίστηκε από την πρωτοβουλία Ανοικτή Διασύνδεση Συστημάτων – OSI. Είναι γνωστό και ως μοντέλο των επτά επιπέδων.

    Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, ο Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης (International Organization for Standardization, ISO) διατύπωσε μια σειρά από οδηγίες για την αρχιτεκτονική δικτύου. Αυτές οι οδηγίες συνέθεσαν το μοντέλο αναφοράς για τη Διασύνδεση Ανοικτών Συστημάτων (Open Systems Interconnection, OSI), το οποίο συνοπτικά θα αναφέρεται ως μοντέλο αναφοράς OSI.

    Αξίζει να παρατηρήσουμε ότι το μοντέλο αναφοράς OSI δεν αποτελεί μια αρχιτεκτονική δικτύου, καθώς δεν καθορίζει τα αναγκαία πρωτόκολλα και τα σημεία επαφής τους. Ο οργανισμός ISO, σε συνδυασμό με τη Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών(International Telecommunication Union, ITU), καθόρισε μια σειρά από πρωτόκολλα βασισμένα στο μοντέλο αναφοράς OSI, τα οποία συχνά καλούνται ως η σειρά πρωτοκόλλων «X.» (π.χ. X.25, X.400, X.500 κ.ά.). Τα πρωτόκολλα ISO δεν έτυχαν όμως ευρείας αποδοχής και χαρακτηρίστηκαν έτσι από την εμπορική αποτυχία τους.

    

                                                                                                Το μοντέλο αναφοράς OSI
    Το μοντέλο αναφοράς OSI οργανώνεται σε επτά επίπεδα. Οι λειτουργίες των τριών χαμηλότερων επιπέδων (Φυσικό, Σύνδεσης Δεδομένων και Δικτύου) διενεργούν τον έλεγχο της μετάδοσης μηνυμάτων μέσα στο δίκτυο, ενώ οι λειτουργίες των υπόλοιπων ανώτερων επιπέδων (Μεταφοράς, Συνόδου, Παρουσίασης και Εφαρμογής) παρέχουν την αξιόπιστη μεταβίβαση της πληροφορίας από άκρο σε άκρο.


    Το μοντέλο αναφοράς OSI επηρέασε όχι τόσο τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζουμε, αλλά πολύ περισσότερο τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τα δίκτυα υπολογιστών. Το μοντέλο αναφοράς OSI έχει επτά επίπεδα (βλέπε Σχήμα). Τα τρία χαμηλότερα επίπεδα ασχολούνται με τον έλεγχο της μετάδοσης των μηνυμάτων μέσα στο δίκτυο, ενώ τα τέσσερα ανώτερα επίπεδα παρέχουν την αξιόπιστη μεταβίβαση των δεδομένων μεταξύ των τελικών χρηστών. Έτσι, και τα επτά επίπεδα υλοποιούνται μόνο στους υπολογιστές που λειτουργούν ως τερματικοί σταθμοί.

  •     Φυσικό Επίπεδο
    Στο Φυσικό Επίπεδο καθορίζονται οι ηλεκτρικές, μηχανικές και λειτουργικές προδιαγραφές για τη μετάδοση των δεδομένων πάνω από ένα φυσικό μέσο, όπως, π.χ. η οπτική ίνα, το ομοαξονικό καλώδιο, η μικροκυματική ζεύξη κ.ά.
    Για παράδειγμα, οι ερωτήσεις που θα πρέπει να απαντηθούν από τις προδιαγραφές του Φυσικού Επιπέδου είναι της μορφής:
        ― Ποια στάθμη τάσης αντιστοιχεί στο bit 1 και ποια στο bit 0;
        ― Ποια είναι η χρονική διάρκεια του παλμού ενός bit;
        ― Ποια είναι η διαδικασία εγκαθίδρυσης της σύνδεσης με το δίκτυο πριν από τη μετάδοση των δεδομένων και ποια η διαδικασία τερματισμού αυτής;
        ― Πώς καθορίζεται ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων;
        ― Σε τι σήμα αντιστοιχεί ο κάθε ακροδέκτης του συνδετήρα του δικτύου;
    Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να τονίσουμε ότι στο Φυσικό Επίπεδο τα δεδομένα γίνονται αντιληπτά ως μια «ακατέργαστη» ακολουθία bits και μόνο.

  • Το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων
    Το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων μας παρέχει την αξιόπιστη μεταφορά των δεδομένων πάνω από τα φυσικά μέσα. Έτσι, στο Επίπεδο Δικτύου το φυσικό μέσο μετάδοσης εμφανίζεται ως ένας σύνδεσμος απαλλαγμένος από σφάλματα μεταφοράς,
κάτι που στην πραγματικότητα δεν ισχύει. 
    Τα δεδομένα που εισέρχονται στο Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων από το υψηλότερο Επίπεδο Δικτύου οργανώνονται σε πλαίσια (frames). Στα πλαίσια ενσωματώνονται οι πληροφορίες ελέγχου αυτού του επιπέδου, με τη μορφή επικεφαλίδας και «ουράς». Εκτός από τον έλεγχο σφαλμάτων, οι πληροφορίες που περιέχονται στις επικεφαλίδες και στις «ουρές» των πλαισίων συνήθως χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο ροής (flow control) και για τον προσδιορισμό της διεύθυνσης του φυσικού μέσου. 
    Στον παραλήπτη, όταν διαπιστωθεί σφάλμα μεταφοράς κατά τον έλεγχο ενός πλαισίου, τότε, συνήθως, είτε ζητείται η επανεκπομπή του λανθασμένου πλαισίου είτε απλώς ενημερώνεται το αμέσως ανώτερο επίπεδο με την αποστολή ενός σχετικού μηνύματος ειδοποίησης. 
    Ένα άλλο θέμα με το οποίο ασχολείται το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων είναι ο έλεγχος της ροής δεδομένων μεταξύ δύο κόμβων, έτσι ώστε να μη στέλνονται περισσότερα δεδομένα από αυτά που μπορεί να δεχτεί ο κόμβος προορισμού.
    Εδώ αξίζει να παρατηρήσουμε ότι, με βάση τους διαφορετικούς τρόπους χειρισμού των σφαλμάτων μεταφοράς και της ροής δεδομένων, το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων μπορεί να προσφέρει περισσότερες από μία υπηρεσίες στο Επίπεδο Δικτύου, η
καθεμία με διαφορετική ποιότητα και τιμή.
    Τέλος, εάν το φυσικό μέσο μετάδοσης υποστηρίζει κάποιο σχήμα διευθυνσιοδότησης, τότε αυτό υλοποιείται στο Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων. Έτσι, στην επικεφαλίδα του πλαισίου δεδομένων θα πρέπει να καθορίζεται η «φυσική» διεύθυνση του κόμβου προορισμού του. Με τον όρο «φυσική» διεύθυνση ενός κόμβου εννοούμε τη διεύθυνση της αντίστοιχης μονάδας προσπέλασης του φυσικού μέσου μετάδοσης πάνω από το οποίο υλοποιείται το δίκτυο. Η φυσική διεύθυνση είναι αποτυπωμένη στο υλικό μέρος αυτής της συσκευής προσπέλασης («hardwired») και είναι μοναδική για κάθε συσκευή προσπέλασης του φυσικού μέσου που κατασκευάζεται.

  • Το Επίπεδο Δικτύου
    Οι μονάδες δεδομένων που ανταλλάσσουν οι ομότιμες διεργασίες στο Επίπεδο Δικτύου καλούνται πακέτα. Στο Επίπεδο Δικτύου καθορίζεται ο τρόπος δρομολόγησης των πακέτων από τον αποστολέα στον παραλήπτη και ο έλεγχος συμφόρησης του
δικτύου. Ως συμφόρηση ορίζεται εκείνη η κατάσταση του δικτύου όπου η εισερχόμενη κυκλοφορία είναι μεγαλύτερη από αυτή που μπορεί να εξυπηρετήσει απρόσκοπτα το δίκτυο.
    Ο αλγόριθμος δρομολόγησης των πακέτων μπορεί να είναι είτε στατικός είτε δυναμικός. Στη δεύτερη περίπτωση, κατά την επιλογή της διαδρομής διοχέτευσης της κυκλοφορίας μιας κλήσης λαμβάνεται υπόψη και ο φόρτος του δικτύου.
    Οι σημερινοί δυναμικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης έχουν ως κύριο στόχο τη γρήγορη εξάλειψη των περιστατικών συμφόρησης στο δίκτυο. Στα μελλοντικά δίκτυα υψηλής απόδοσης, όπου θα προσφέρονται υπηρεσίες πραγματικού χρόνου που θα απαιτούν εγγυημένη ποιότητα εξυπηρέτησης από το δίκτυο, οι αλγόριθμοι δρομολόγησης θα επιδιώκουν την αποφυγή των περιστατικών συμφόρησης.
    Τέλος, σε αυτό το επίπεδο υλοποιείται το σχήμα διευθυνσιοδότησης του δικτύου. Κάθε κόμβος που ανήκει σε ένα δίκτυο χαρακτηρίζεται μοναδικά από τη διεύθυνση δικτύου. Η διεύθυνση δικτύου είναι μια παράμετρος του κόμβου, ορίζεται στο λογισμικό
μέρος του και δεν πρέπει να συγχέεται με τη φυσική διεύθυνσή του. Η δρομολόγηση των πακέτων γίνεται με βάση τη διεύθυνση δικτύου του παραλήπτη κόμβου.

  • Το Επίπεδο Μεταφοράς
    Στο Επίπεδο Μεταφοράς υλοποιείται το κανάλι επικοινωνίας μεταξύ των τερματικών κόμβων, μέσω του οποίου θα μεταβιβάζονται αξιόπιστα τα μηνύματά τους.
    Στον αποστολέα κόμβο τα μηνύματα που εισέρχονται από το ανώτερο Επίπεδο Συνόδου συνήθως διασπώνται σε πακέτα, τα οποία αριθμούνται και προωθούνται για μετάδοση στο χαμηλότερο Επίπεδο Δικτύου. Αντίστοιχα, στον παραλήπτη κόμβο τα αρχικά μηνύματα επανασυνθέτονται από τα εισερχόμενα πακέτα και προωθούνται προς επεξεργασία στο Επίπεδο Συνόδου. Σε αυτό το επίπεδο συνήθως συμπεριλαμβάνεται και ένα σχήμα επιβεβαίωσης, το οποίο χρησιμοποιείται για την επαλήθευση της ορθής παράδοσης των πακέτων στον προορισμό τους.
    Επίσης, το Επίπεδο Μεταφοράς είναι υπεύθυνο για την εγκαθίδρυση, τη συντήρηση και τον τερματισμό των καναλιών επικοινωνίας μεταξύ των τερματικών κόμβων. Αυτά μπορεί να είναι είτε ιδεατά κυκλώματα είτε να υλοποιούνται με αυτοδύναμα πακέτα, επιτυγχάνοντας αντίστοιχα επικοινωνία με σύνδεση (connection oriented) ή χωρίς σύνδεση (connectionless). 
    Σε αρκετές περιπτώσεις περισσότερα από ένα διαφορετικά μηνύματα χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι επικοινωνίας μεταξύ των τερματικών κόμβων. Σε άλλες περιπτώσεις ένα μήνυμα μπορεί να χρησιμοποιήσει περισσότερα από ένα κανάλια επικοινωνίας μεταξύ του αποστολέα και του προορισμού για να βελτιώσει το ρυθμό εξυπηρέτησής του. Η πολύπλεξη των μηνυμάτων πραγματοποιείται στο Επίπεδο Μεταφοράς και διενεργείται με τρόπο διάφανο στο Επίπεδο Συνόδου.
    Τέλος, στο Επίπεδο Μεταφοράς διενεργείται και ο έλεγχος της ροής των δεδομένων μεταξύ των τερματικών κόμβων, έτσι ώστε να μη λαμβάνει ο παραλήπτης κόμβος περισσότερα δεδομένα από όσα μπορεί απρόσκοπτα να εξυπηρετήσει. Ο έλεγχος ροής σε αυτό το επίπεδο είναι ξεχωριστός και ανεξάρτητος από τον έλεγχο ροής που διενεργείται στο Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων.
    Επειδή σε αυτό το επίπεδο ελέγχεται η από άκρο σε άκρο επικοινωνία, το Επίπεδο Μεταφοράς (και όλα τα ανώτερα από αυτό επίπεδα) υλοποιείται μόνο στους τερματικούς και όχι στους ενδιάμεσους κόμβους.

  • Το Επίπεδο Συνόδου
    Σε αυτό το επίπεδο διενεργούνται όλες οι απαραίτητες λειτουργίες για την εγκαθίδρυση, την επίβλεψη και τον τερματισμό των συνόδων (sessions) μεταξύ των τελικών εφαρμογών. 
    Για παράδειγμα, πριν από την έναρξη της μετάδοσης δεδομένων οι τελικές εφαρμογές θα πρέπει να συμφωνήσουν εάν η επικοινωνία θα είναι αμφίδρομη (full duplex), εναλλακτικά αμφίδρομη (half duplex) ή μονόδρομη (simplex). Στην πρώτη περίπτωση τα δεδομένα μπορούν να μεταδίδονται και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, στη δεύτερη περίπτωση μπορούν να μεταδίδονται και προς τις δύο κατευθύνσεις αλλά όχι ταυτόχρονα, ενώ στην τρίτη περίπτωση τα δεδομένα μεταδίδονται μόνο προς μία κατεύθυνση. Αυτή η διαπραγμάτευση διενεργείται μεταξύ των ομότιμων οντοτήτων του Επιπέδου Συνόδου.
    Επίσης, από το Επίπεδο Συνόδου προσφέρεται και η υπηρεσία συγχρονισμού, η οποία χαρακτηρίζεται εξαιρετικά χρήσιμη για την αποτελεσματική αντιμετώπιση καταστάσεων κατάρρευσης της σύνδεσης. Η βασική ιδέα είναι πολύ απλή. Στην ακολουθία δεδομένων εισάγονται κάποια προσυμφωνημένα σημεία συγχρονισμού πριν από τη μετάδοσή τους. Εάν η σύνδεση καταρρεύσει, τότε θα επαναμεταδοθούν μόνο τα δεδομένα που εστάλησαν από το τελευταίο σημείο συγχρονισμού και μετά και όχι το σύνολό τους, κάτι που θα αποφέρει σημαντική εξοικονόμηση των πόρων του δικτύου.

  • Το Επίπεδο Παρουσίασης
    Το Επίπεδο Παρουσίασης ασχολείται με την αναπαράσταση των δεδομένων και έχει ως κύρια λειτουργία την εξασφάλιση της αναγνωσιμότητάς τους, ακόμα και μεταξύ κόμβων που χρησιμοποιούν διαφορετικές μορφές αναπαράστασης της πληροφορίας.
    Για παράδειγμα, έστω ότι ο αποστολέας κόμβος χρησιμοποιεί την κωδικοσειρά ASCII για την αναπαράσταση χαρακτήρων και ότι οι ακέραιοι αριθμοί εκφράζονται σαν συμπλήρωμα ως προς ένα. Επίσης, έστω ότι ο παραλήπτης κόμβος χρησιμοποιεί την κωδικοσειρά EBCDIC και οι ακέραιοι αριθμοί του εκφράζονται σαν συμπλήρωμα ως προς δύο. Για να μπορέσουν να επικοινωνήσουν οι δύο κόμβοι, θα πρέπει τα δεδομένα του αποστολέα να μετατραπούν στη μορφή δεδομένων που αναγνωρίζει ο παραλήπτης. Αυτή η μετατροπή διενεργείται στο Επίπεδο Παρουσίασης.
    Τέλος, στο Επίπεδο Παρουσίασης συμφωνείται η τεχνική συμπίεσης δεδομένων και το σχήμα κρυπτογράφησης της πληροφορίας που θα ακολουθούν ο αποστολέας και ο παραλήπτης κόμβος για την εξοικονόμηση των πόρων του δικτύου και την εξασφάλιση της μυστικότητας και της γνησιότητας της πληροφορίας, αντίστοιχα.

  • Το Επίπεδο Εφαρμογής
    Το Επίπεδο Εφαρμογής παρέχει ένα σύνολο δικτυακών υπηρεσιών στις τελικές εφαρμογές των χρηστών (όπως, π.χ. το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, η μεταφορά αρχείων, η εξομοίωση τερματικών, η σύνδεση σε απομακρυσμένους σταθμούς εργασίας κ.ά.).
    Ο αναγνώστης δε θα πρέπει να συγχέει την τελική εφαρμογή με την αντίστοιχη στοιχειώδη υπηρεσία του Επιπέδου Εφαρμογής. Για παράδειγμα, ένα πρόγραμμα μεταφοράς αρχείου είναι μια τελική εφαρμογή χρήστη που βασίζεται στο πρωτόκολλο
μεταφοράς αρχείου του Επιπέδου Εφαρμογής. Το πρόγραμμα και το πρωτόκολλο είναι δύο τελείως διαφορετικές οντότητες και δεν πρέπει να τις συγχέουμε ως έννοιες, παρ’ όλο που έχουν το ίδιο ακρωνύμιο (FTP).
    
Comments