Mοντέλο OSI

Η δικτύωση, από το μέσο μετάδοσης (καλώδιο) και την δικτυακή διασύνδεση μέχρι το πρόγραμμα-εφαρμογή, είναι μια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία.
Για την υλοποίηση μιας δικτυακής εφαρμογής η οποία παρέχεται από έναν υπολογιστή σε έναν άλλον, ξεκινώντας από το μηδέν, πρέπει:

• να επινοηθεί ένας τρόπος αναπαράστασης των δεδομένων/πληροφοριών με τη μορφή, συνήθως, ηλεκτρικών ή οπτικών σημάτων,
• να κατασκευαστούν ιδιαίτερες δικτυακές διασυνδέσεις και καλώδια, τα οποία θα συνδέσουν τους υπολογιστές μεταξύ τους
• να επινοηθεί και να υλοποιηθεί ο τρόπος εύρεσης μιας διαδρομής μέσω της οποίας θα ταξιδέψουν οι πληροφορίες μέχρι τον τελικό προορισμό και να αποκατασταθεί η επικοινωνία από άκρο σε άκρο

Έτσι, το έργο της δικτύωσης διασπάστηκε σε επιμέρους λειτουργίες οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν ανεξάρτητα, παρέχοντας και εναλλακτικές επιλογές ανάλογα με τις ανάγκες.

Αρχιτεκτονική δικτύου είναι τα διάφορα τμήματα υλικού και λογισμικού από τα οποία είναι κατασκευασμένο, ο ρόλος που παίζουν στην επικοινωνία, η μεταξύ τους σχέση - οι διεπαφές και τα πρωτόκολλα που ακολουθούνται.

Με τη στρωματοποιημένη αρχιτεκτονική πετυχαίνουμε:

• Διαχωρισμό του προβλήματος της επικοινωνίας σε μικρότερα και πιο εύκολα διαχειρίσιμα προβλήματα
• Εύκολη προσθήκη, αλλαγή ή βελτίωση υπηρεσιών, αφού οι απαιτούμενες αλλαγές περιορίζονται σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο.

Ο στόχος είναι η απόκρυψη των λεπτομερειών του υλικού του δικτύου δίνοντας τη δυνατότητα στους υπολογιστές και στις εφαρμογές τους να επικοινωνούν μεταξύ τους ανεξάρτητα από τις φυσικές δικτυακές τους συνδέσεις.

Ένα υπολογιστικό σύστημα είναι ένας υπολογιστής (πολλές φορές και ομάδα υπολογιστών) με το συνοδευτικό λογισμικό, τις περιφερειακές συσκευές και τα μέσα επικοινωνίας ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτόνομα για την επεξεργασία και διακίνηση πληροφοριών.

Όταν το σύστημα αυτό, για την επικοινωνία του με άλλα συστήματα, χρησιμοποιεί πρότυπα και πρωτόκολλα διεθνών οργανισμών όπως ISO/IEC, IEEE, ITU (πρώην CCITT) κ.λπ. και όχι ιδιόκτητα πρότυπα εταιρειών, τότε χαρακτηρίζεται ανοιχτό σύστημα.

Το μοντέλο αναφοράς (Reference Model) για τη Διασύνδεση Ανοικτών Συστημάτων (Open Systems Interconnection - OSI) αναπτύχθηκε από τον Διεθνή Οργανισμό Τυποποίησης (International Organization for Standardization - ISO) και προδιαγράφει επτά (7) στρώματα-επίπεδα (seven layers) τα οποία υλοποιούν συγκεκριμένες λειτουργίες, ώστε να είναι εφικτή η διασύνδεση διαφορετικών υπολογιστικών συστημάτων, εφόσον στα αντίστοιχα επίπεδα χρησιμοποιούν συμβατές ή ίδιες τεχνικές και κανόνες (πρωτόκολλα).

Το μοντέλο αναφοράς διασύνδεσης ανοιχτών συστημάτων (OSI) αποτελεί μια πρόταση του ISO προς τους κατασκευαστές υλικού και λογισμικού δικτύων, χωρίς να είναι δεσμευτική. Ο βαθμός υλοποίησής του επαφίεται σε αυτούς.

Το Φυσικό Επίπεδο ή στρώμα (Physical layer) ασχολείται με τη μετάδοση των bit (1|0) που απαρτίζουν την ομαδοποιημένη πληροφορία (πλαίσιο δεδομένων), μέσω του φυσικού μέσου το οποίο μπορεί να είναι καλώδιο, οπτική ίνα ή ασύρματη ζεύξη. Τα bit κωδικοποιούνται ως ηλεκτρικά, οπτικά ή ηλεκτρομαγνητικά σήματα. Ασχολείται επίσης με τα ηλεκτρικά, μηχανικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά των διεπαφών (interfaces), το είδος και τα χαρακτηριστικά του φυσικού μέσου, τον τύπο του συνδετήρα (connector), ποιο σήμα αναπαριστά το 1 και ποιο το 0 καθώς και με το συγχρονισμό των συσκευών. Γενικά μιλώντας, αναφέρεται σε χειροπιαστά-φυσικά πράγματα.

Το Επίπεδο Ζεύξης ή Σύνδεσης Δεδομένων (Data Link layer) παρέχει τη φυσική διευθυνσιοδότηση (MAC Addresses) και είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο του μέσου μετάδοσης και του πότε μπορούν να εκπεμφθούν δεδομένα σε αυτό. Η λειτουργία αυτή παρέχεται από το υποεπίπεδο Ελέγxου Πρόσβασης στο Μέσο (Media Access Control). Το υποεπίπεδο Λογικού Ελέγχου της Ζεύξης (Logical Link Control) εξασφαλίζει την αξιόπιστη επικοινωνία μεταξύ δυο άμεσα συνδεδεμένων γειτονικών κόμβων (βρίσκονται στο ίδιο φυσικό/τοπικό δίκτυο). Εκτελεί βασικές λειτουργίες ανίχνευσης/διόρθωσης σφαλμάτων, ελέγχου ροής των πληροφοριών και συγχρονισμού πλαισίων. Η ομάδα των bit που συνθέτουν την μονάδα πληροφορίας αυτού του επιπέδου ονομάζεται πλαίσιο (frame). Η αρχή και το τέλος του πλαισίου σηματοδοτούνται κατάλληλα ώστε να μπορεί να συγχρονιστεί ο άλλος κόμβος.

Το επίπεδο Δικτύου (Network layer) παρέχει τη λογική διευθυνσιοδότηση με ενιαίο και μοναδικό τρόπο για όλη την έκταση των διασυνδεμένων μεταξύ τους δικτύων. Φροντίζει ώστε πακέτα διαφόρων μεγεθών να μπορούν να παραδοθούν από τον αποστολέα στον τελικό κόμβο του παραλήπτη διασχίζοντας όλους τους ενδιάμεσους κόμβους και δίκτυα, που ενδεχομένως μεσολαβούν μέχρι τον τελικό προορισμό. Έργο του είναι η εύρεση της κατάλληλης διαδρομής και παράδοση του πακέτου δεδομένων στον τελικό κόμβο η οποία χαρακτηρίζεται ως δρομολόγηση (routing). Στην προσπάθεια αυτή το πακέτο μπορεί να χρειαστεί να διασπαστεί σε διάφορα τμήματα τα οποία μπορεί να φτάσουν από άλλες διαδρομές και με διαφορετική σειρά, όμως το επίπεδο δικτύου θα τα επανασυνθέσει και θα αναφέρει οποιαδήποτε προβλήματα παράδοσης προκύψουν. Το επίπεδο δικτύου στο μοντέλο OSI παρέχει υπηρεσίες με σύνδεση και χωρίς σύνδεση.

Το επίπεδο Μεταφοράς (Transport layer) παρέχει όλες τις λειτουργίες και τα μέσα που απαιτούνται ώστε να επιτευχθεί μια από άκρο σε άκρο επικοινωνία μεταξύ προγραμμάτων ή διεργασιών, εξασφαλίζοντας το επιθυμητό επίπεδο ποιότητας υπηρεσίας (quality of service, QoS). Η ποιότητα της υπηρεσίας περιλαμβάνει τις απαιτήσεις για την καθυστέρηση αποκατάστασης επικοινωνίας, την πιθανότητα απώλειας της σύνδεσης, τον επιτυγχανόμενο ρυθμό διακίνηση (throughput), το βαθμό προτεραιότητας και την ασφάλεια. Το επίπεδο μεταφοράς, στο OSI παρέχει υπηρεσίες προσανατολισμένες σε σύνδεση (connection oriented) και υπηρεσίεςχωρίς σύνδεση (connectionless). Οι υπηρεσίες με σύνδεση βασίζονται σε λογικές συνδέσεις οι οποίες αποκαθίστανται, διατηρούνται μεταφέροντας δεδομένα και τερματίζονται. Σε αυτές τις συνδέσεις παρέχεται αξιοπιστία στην επικοινωνία με τον έλεγχο ροής, τον τεμαχισμό, την αρίθμηση και την επανασύνθεση των μηνυμάτων με τη σωστή σειρά και τον έλεγχο/διόρθωση των σφαλμάτων. Το επίπεδο αυτό έχει να διαχειριστεί τις επιβεβαιώσεις λήψης των πακέτων, τις επανεκπομπές, τους χρονιστές αναμονής και μετρητές προσπαθειών και το σημαντικότερο να τα κρύψει όλα αυτά από τα ανώτερα στρώματα. Είναι το χαμηλότερο επίπεδο που παρέχει από άκρο σε άκρο επικοινωνία και είναι υπό τον έλεγχο του χρήστη.

Το επίπεδο Συνόδου (Session layer) παρέχει τα αναγκαία μέσα για την οργάνωση και το συγχρονισμό των διαλόγων μεταξύ των ανωτέρων επιπέδων. Επιτρέπει ή απαγορεύει την παροχή συγκεκριμένης υπηρεσίας, αποκαθιστά τη σύνδεση εάν για κάποιο λόγο διακοπεί και περιλαμβάνει λειτουργίες όπως η εξακρίβωση του χρήστη, η χρέωση κ.λπ. Η διαδικασία απομακρυσμένης εισόδου (log-in) σε έναν υπολογιστή και ο έλεγχος του συνθηματικού (password) αφορούν το επίπεδο συνόδου. Το επίπεδο αυτό είναι υπεύθυνο για τον ομαλό τερματισμό της αντίστοιχης σύνδεσης του 4ου επιπέδου.

Το επίπεδο Παρουσίασης (Presentation layer) ασχολείται με την αναπαράσταση της πληροφορίας που μεταφέρεται από εφαρμογή σε εφαρμογή καθώς επίσης και με τη δομή των δεδομένων. Τροποποιεί κατάλληλα τα δεδομένα ώστε να είναι κατανοητά από την εφαρμογή όποτε χρησιμοποιείται διαφορετικός κώδικας από την άλλη μεριά. Είναι δηλαδή ο μεταφραστής του δικτύου όταν αυτό απαιτείται. Στο επίπεδο αυτό γίνεται η συμπίεση των δεδομένων για καλύτερη εκμετάλλευση της χωρητικότητας του καναλιού επικοινωνίας και η κρυπτογράφηση.

Το επίπεδο Εφαρμογής (Application layer) είναι το ανώτερο και τελευταίο επίπεδο προς τον χρήστη και παρέχει τον τρόπο για να μπορεί μια εφαρμογή να “συνομιλεί” με μια άλλη. Ειδικότερα επιτρέπει την εξακρίβωση της ταυτότητας των εφαρμογών που θέλουν να επικοινωνήσουν, επιβεβαιώνει την διαθεσιμότητα των εφαρμογών και του δικαιώματος για “συνομιλία”. Επίσης προσδιορίζει το πρωτόκολλο στο οποίο αναφέρονται οι εφαρμογές και με βάση το οποίο διεξάγεται η “συνομιλία”. Για παράδειγμα στην υπηρεσία του παγκόσμιου ιστού (WEB), ο φυλλομετρητής (web browser) και ο αντίστοιχος διακομιστής (web server) είναι εφαρμογές του επιπέδου εφαρμογής και το αντίστοιχο πρωτόκολλο εφαρμογής είναι το HTTP.

Στο μοντέλο της διαστρωματωμένης αρχιτεκτονικής ενός δικτύου, το κάθε επίπεδο Ν “συνομιλεί” με το αντίστοιχο ομότιμό του στην απέναντι πλευρά, χρησιμοποιώντας ένα πρωτόκολλο του ίδιου επιπέδου το οποίο καθορίζει τη συμπεριφορά και τους διαλόγους μεταξύ τους. Η λειτουργία αυτή όμως, εκτελείται έμμεσα καθώς κάθε επίπεδο έχει δυνατότητα άμεσης επικοινωνίας μόνο με τα γειτονικά του, το ανώτερο (επίπεδο Ν+1) απ’ αυτό και το κατώτερο (επίπεδο Ν-1) το οποίο βρίσκεται χαμηλότερά του. Ο μηχανισμός επικοινωνίας μεταξύ γειτονικών επιπέδων χαρακτηρίζεται ως διεπαφή (interface). Κάθε επίπεδο παρέχει υπηρεσία στο ανώτερό του.

Πριν την πρόταση του μοντέλου OSI, η δικτύωση ήταν μια υπόθεση που υποστηριζόταν είτε από κυβερνητικούς οργανισμούς (όπως το αμερικανικό ARPANET) είτε από ιδιόκτητες τεχνολογίες εταιρειών (όπως το SNA της IBM ή το DECnet της Digital Equipment Corporation) με αποτέλεσμα να μη μπορούν να επικοινωνήσουν συστήματα διαφορετικών κατασκευαστών μεταξύ τους. Το μοντέλο OSI αποτέλεσε την πρώτη προσπάθεια της βιομηχανίας υπολογιστών να συμφωνήσει σε κοινά πρότυπα δικτύωσης τη δεκαετία του ‘70 (1978) καταλήγοντας στη δημοσίευση του προτύπου το 1984. Το πρότυπο είναι το EN ISO/IEC 7498 ή ITU-T Recommendation X.200.