Maszyny, podobnie jak ludzie, do skutecznej komunikacji potrzebują pewnych zasad. My przestrzegamy zasad gramatyki oraz używamy słownictwa zrozumiałego dla odbiorcy, urządzenia natomiast wykorzystują standardy i protokoły. Na tym nie kończą się podobieństwa. Zwróć uwagę, że nawet nieoficjalna rozmowa z kolegą przebiega w pewien ustalony sposób, można podzielić ją na etapy, z których każdy ma określone zadanie. Najpierw wypada – w zależności od sytuacji – przedstawić się bądź przywitać, potem możemy przejść do tematu, a na koniec należy się pożegnać. Komunikacja poprzez sieć również jest zdefiniowana jako pewien schemat, który nazywamy modelem referencyjnym. Jest on zbudowany z warstw, które odpowiadają konkretnym etapom komunikacji.

Model referencyjny ISO/OSI

Model referencyjny ISO/OSI powstał w późnych latach 70., a pierwszy oficjalny draft został zaprezentowany w 1980 roku. Model ISO/OSI zakłada podział na 7 warstw, a każda z nich musi spełniać określoną rolę oraz może komunikować się jedynie z warstwą wyżej lub niżej.

Warto wspomnieć, że oprócz modelu referencyjnego ISO stworzyło również swój własny zbiór protokołów. Niestety przegrały one ze swoim konkurentem TCP/IP, który jest obecnie najpopularniejszym stosem protokołów. Pomimo porażki model referencyjny ISO/OSI nadal jest szeroko stosowany jako punkt odniesienia w projektowaniu oraz analizie działania sieci komputerowych.

Proces przetwarzania danych może odbywać się od warstwy najwyższej w dół stosu i mówimy wtedy o procesie enkapsulacji, w którym każda kolejna warstwa opakowuje otrzymane dane w dodatkowe informacje w swoim nagłówku i stopce. Procesem odwrotnym jest natomiast dekapsulacja, kiedy dane są przekazywane od najniższej warstwy w górę stosu. W każdej warstwie jeden z protokołów odczytuje informacje z nagłówka i stopki, po czym je odrzuca i przekazuje dane do kolejnej warstwy.

Warstwa 7 – aplikacji

Najwyższa i najbliższa użytkownikowi warstwa w modelu ISO/OSI. Jej zadaniem jest umożliwienie aplikacjom dostępu do sieci. Funkcje warstwy aplikacji obejmują obsługę komunikacji klient-serwer w programach umożliwiających udostępnianie plików, przeglądanie stron internetowych czy dostęp do baz danych, a także w komunikatorach internetowych.

Protokoły warstwy aplikacji: HTTP, FTP, SMB, SMTP.

Warstwa 6 – prezentacji

Warstwa prezentacji odpowiada za formatowanie oraz szyfrowanie danych, jak również ich kompresję i przetworzenie na sposób zrozumiały dla warstwy aplikacyjnej. Warstwa prezentacji nazywana jest niekiedy warstwą składni.

Protokoły warstwy prezentacji: MIME, SSL, XML, TLS.

Warstwa 5 – sesji

Warstwa sesji odpowiada za tworzenie, utrzymanie oraz zakończenie połączenia pomiędzy co najmniej dwoma urządzeniami. Zarządza również połączeniem pomiędzy lokalną aplikacją i zdalną. Do funkcji tej warstwy należy ponadto obsługa logowania  i wylogowania użytkownika oraz wyszukiwania nazw.

Protokoły warstwy sesji: DNS, NETBIOS.

Warstwa 4 – transportowa

Warstwa transportowa zapewnia metody przesyłania sekwencji danych z hosta źródłowego do docelowego lub z jednej aplikacji do drugiej. Protokoły transportowe mogą być połączeniowe (TCP) lub bezpołączeniowe (UDP).

W tej warstwie odbywa się podział danych na mniejsze elementy, nazywane segmentami. Muszą one być na tyle małe, aby bez problemu zmieściły się w maksymalnym rozmiarze (ang. MTU – Maximum Transmission Unit) określonym przez warstwę poniżej. Dla przykładu, segment, który ma być przetransportowany poprzez sieć IP oraz Ethernet, może mieć maksymalnie 1460 bajtów (1500 – 20 bajtów nagłówka IP oraz 20 bajtów nagłówka TCP). 

TCP dokonuje segmentacji danych i ponownie łączy segmenty po stronie odbiorcy. Protokoły bezpołączeniowe, takie jak UDP, zwykle tego nie robią.

Protokoły warstwy transportowej: TCP, UDP, QUIC.

Warstwa 3 – sieciowa

Warstwa sieciowa zapewnia mechanizmy służące do przekazywania pakietów pomiędzy urządzeniami w różnych sieciach. Każda z nich może zawierać wiele hostów, które posiadają własny adres oraz mogą przekazywać dane do innych hostów. Mechanizmy przekazywania informacji o dostępnych sieciach oraz wyszukiwania najlepszych tras dotarcia do nich nazywamy routingiem.

Protokoły warstwy sieciowej: IPv4, IPv6, ICMP.

Warstwa 2 – łącza danych

Warstwa łącza danych zapewnia komunikację pomiędzy bezpośrednio połączonymi hostami, tzn. dane nie muszą opuścić logicznej sieci utworzonej w warstwie trzeciej. Odpowiada ona również za utrzymanie i zakończenie transmisji pomiędzy tak połączonymi hostami. W tej warstwie są wykrywane oraz – jeśli to możliwe – korygowane błędy warstwy fizycznej.

Protokoły warstwy łącza danych: Ethernet, PPP, MACSec.

Warstwa 1 – fizyczna

Warstwa fizyczna jest odpowiedzialna za transmisję surowych danych pomiędzy urządzeniami. Odpowiada za tłumaczenie 0 i 1 na odpowiednie dla danego fizycznego medium sygnały.

Tutaj określane są cechy, takie jak szybkość fizycznej transmisji, maksymalna odległość, sposób modulacji czy dostępu do medium. Warstwa fizyczna określa również sposób kodowania danych, np. za pomocą impulsów elektrycznych lub światła. Dla przykładu, stan bitu 1 może stanowić zmianę napięcia z 0 V na 5 V, gdzie stan 0 może oznaczać zmianę z 5 V na 0 V.

Podsumowanie

Model referencyjny opisuje standardy oraz metody komunikacji w systemach komputerowych bez narzucania wykorzystywanego sprzętu lub protokołów.

Model ISO/OSI wprowadza 7 abstrakcyjnych warstw, które opisują przepływ danych od fizycznego medium transmisyjnego do prezentacji danych użytkownikowi poprzez aplikacje.