Modelul OSI - nivelul fizic, legatura de date, retea, transport

ISO (Organizatia Internationala de Standardizare), una din cele mai importante organizatii de standardizare, a studiat diferite tipuri de retele existente in acea vreme (DECnet, SNA, TCP/IP) si a propus in 1984 un model de referinta numit OSI - Open System Interconnection).

Acest model defineste sapte niveluri, impreuna cu standarde si un set de protocoale pentru ele. Este un model teoretic, construit pentru a schematiza comunicatia intr-o retea de calculatoare si pentru a explica traseul informatiei dintr-un capat in altul al retelei. Desi nu este singurul model existent, este cel mai folosit in invatamant, pentru ca ilustreaza cel mai bine separarea intre niveluri si impartirea comunicatiei in bucatele mai mici, mai usor de definit si in consecinta mai usor de dezvoltat. Desi exista multe protocoale care sunt mai greu de incadrat pe niveluri OSI, totusi toti producatorii de echipamente de retea si de protocoale noi isi definesc produsele cu ajutorul nivelurilor OSI.

Modelul OSI al Organizatiei Internationale pentru Standardizare (ISO) este structurat pe sapte niveluri: Aplicatie, Prezentare, Sesiune, Transport, Retea, Legatura de date si Fizic. Pe parcursul acestui capitol este prezentat succint rolul fiecarui nivel, urmand ca mai departe sa fie detaliat modul de functionare al fiecaruia si functiile sale specifice. Memorarea nivelurilor acestui model este absolut necesara pentru intelegerea retelelor de calculatoare si pentru a avea o reprezentare permanenta a modulelor functionale care fac o retea sa mearga. Pentru a retine mai usor cele sapte niveluri, un ajutor ar fi propozitia in limba engleza 'All People Seem To Need Data Processing', ale carei cuvinte incep exact cu literele cu care incep si numele in limba engleza ale celor sapte niveluri privite de sus in jos. Alte propozitii ajutatoare sunt: 'Please Do Not Throw Sausage Pizza Away' si 'Please Do Not Tell Sales People Anything' care reprezinta prima litera din nivelurile OSI privite de jos in sus. Desigur, putem forma diverse propozitii in limba romana care servesc aceluiasi scop: ``Am Plecat Sa Trimit Roze La Fete'', sau ca un citat dintr-un discurs nerostit al presedintelui Ion Iliescu: ``Axiologia Peripatetismului Sinergetic Transfigureaza Rationalitatea Logica Formala''.

Nivelul fizic

Nivelul fizic defineste specificatii electrice, mecanice, procedurale si functionale pentru activarea, mentinerea si dezactivarea legaturilor fizice intre sisteme. In aceasta categorie de caracteristici se incadreaza nivelurile de tensiune, timingul schimbarilor acestor niveluri, ratele de transfer fizice, distantele maxime la care se poate transmite si alte atribute similare care sunt definite de specificatiile fizice.

Scopul nivelului fizic este de a transporta o secventa de biti de la o masina la alta. Pentru aceasta pot fi utilizate diverse medii fizice. Fiecare dintre ele este definit de largimea sa de banda, intarziere, cost si usurinta de instalare si de intretinere.

Nivelul legatura de date

Nivelul legatura de date ofera transportul sigur al informatiei printr-o legatura fizica directa. Pentru a realiza acest lucru, nivelul legatura de date se ocupa cu adresarea fizica, topologia retelei, accesul la retea, detectia si anuntarea erorilor si controlul fluxului fizic (flow control).

Nivelul legatura de date este responsabil cu transmiterea corecta a datelor printr-o legatura fizica existenta, intre doua puncte conectate direct prin aceasta legatura fizica. Nivelul fizic nu poate realiza acest lucru, deoarece la nivelul fizic nu putem vorbi despre nici un fel de date, ci numai despre biti si, mai exact, despre reprezentarea fizica a acestora (niveluri de tensiune, intensitate a luminii etc.).

Nivelul retea

Nivelul retea este un nivel complex care ofera conectivitate si selecteaza drumul de urmat intre doua sisteme gazda care pot fi localizate in retele separate geografic. Acesta este nivelul cel mai important in cadrul Internetului, asigurand posibilitatea interconectarii diferitelor retele. Tot la acest nivel se realizeaza adresarea logica a tuturor nodurilor din Internet. La nivelul retea opereaza ruterele, dispozitivele cele mai importante in orice retea de foarte mari dimensiuni.

Nivelul transport

Nivelul transport segmenteaza datele in sistemul sursa si le reasambleaza la destinatie. Limita dintre nivelul transport si nivelul sesiune poate fi vazuta ca granita intre protocoale aplicatie si protocoale de transfer de date. In timp ce nivelurile aplicatie, prezentare si sesiune se preocupa cu probleme legate de aplicatii, cele patru niveluri inferioare se ocupa cu probleme legate de transportul datelor. Nivelul transport incearca sa ofere un serviciu de transport de date care sa izoleze nivelurile superioare de orice specificitati legate de modul in care este executat transportul datelor. Mai specific, probleme cum ar fi siguranta (reliability) sunt responsabilitatea nivelului transport. In cadrul oferirii de servicii de comunicare, nivelul transport initiaza, gestioneaza si inchide circuitele virtuale. Pentru a fi obtinuta o comunicatie sigura, servicii de detectare si recuperare din erori sunt oferite tot la acest nivel. Tot aici este realizat controlul fluxului (flow control).

Nivelul sesiune

Asa cum implica si numele sau, nivelul sesiune se ocupa cu stabilirea, mentinerea, gestionarea si terminarea sesiunilor in comunicarea dintre doua statii. Nivelul sesiune ofera servicii nivelului prezentare. De asemenea, el realizeaza sincronizarea intre nivelurile prezentare ale doua statii si gestioneaza schimbul de date intre acestea. In plus fata de regularizarea sesiunilor, nivelul sesiune ofera bazele pentru transferul eficient de date, pentru clase de servicii, pentru raportarea exceptiilor nivelurilor sesiune, prezentare si aplicatie.

Nivelul prezentare

Nivelul prezentare se asigura ca informatia transmisa de nivelul aplicatie al unui sistem poate fi citita si interpretata de catre nivelul aplicatie al sistemului cu care acesta comunica. Daca este necesar, nivelul prezentare face traducerea intre diverse formate de reprezentare, prin intermediul unui format comun. Tot nivelul prezentare este responsabil cu eventuala compresie / decompresie si criptare / decriptare a datelor.

Nivelul aplicatie

Nivelul aplicatie este cel care este situat cel mai aproape de utilizator; el ofera servicii de retea aplicatiilor utilizator. Difera de celelalte niveluri OSI prin faptul ca nu ofera servicii nici unui alt nivel, ci numai unor aplicatii ce sunt situate in afara modelului OSI. Exemple de astfel de aplicatii sunt editoare de texte, utilitare de calcul tabelar, terminale bancare etc. Nivelul aplicatie stabileste disponibilitatea unui calculator cu care se doreste initierea unei conexiuni, stabileste procedurile ce vor fi urmate in cazul unor erori si verifica integritatea datelor.

Modelul TCP/IP

Desi modelul OSI este general recunoscut, standardul istoric si tehnic pentru Internet este TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Modelul TCP/IP a fost creat de US DoD ( US Department of Defence - Ministerul Apararii Nationale al Statelor Unite) din necesitatea unei retele care ar putea supravietui in orice conditii. Modelul TCP/IP are patru niveluri: Aplicatie, Transport, Retea (sau Internet) si Acces la Retea.

Nivelul Aplicatie nu este identic cu cel din modelul ISO-OSI. Acesta include ultimele trei niveluri superioare din stiva OSI. Acestea au fost comasate pentru a putea fi tratate la un loc toate problemele legate de protocoale de nivel inalt, fie ele de reprezentare, codificare sau control al dialogului.

Nivelul Transport este identic cu cel din modelul OSI, ocupandu-se cu probleme legate de siguranta, control al fluxului si corectie de erori.

Scopul nivelului Retea (Internet) este de a asigura transmiterea pachetelor de la orice sursa din retea si livrarea lor catre o destinatie independent de calea si retelele pe care le-a strabatut pentru a ajunge acolo. Determinarea drumului optim si comutarea pachetelor au loc la acest nivel.

Nivelul Acces la retea se ocupa cu toate problemele legate de transmiterea efectiva a unui pachet IP pe o legatura fizica, incluzind si aspectele legate de tehnologii si de medii de transmisie, adica nivelurile OSI Legatura de date si Fizic.

Paralela intre OSI si TCP/IP

Desi atat OSI cat si TCP incearca sa defineasca/modeleze acelasi lucru, si anume procesul de comunicare intre doua entitati, se pune firesc intrebarea: care din ele este mai bun? Din pacate, pe cat de simpla este intrebarea, pe atat de complicat si controversat este raspunsul.

O importanta asemanare intre OSI si TCP/IP o constituie faptul ca ambele sunt modele conceptuale ale procesului de comunicare. Din pacate aceasta asemanare simpla si evidenta contine si o prima deosebire fundamentala: OSI este general, permitand explicarea oricarui proces de comunicare, in timp ce TCP/IP-ul nu reuseste sa modeleze perfect decat procesul de comunicare folosit in Internet.

O alta importanta asemanare intre cele doua modele o reprezinta faptul ca ambele contin o stiva de niveluri care sunt legate intre ele prin notiunea de serviciu (ceea ce stie sa faca un nivel), interfata (modul in care serviciile sunt oferite nivelui superior) si protocol (modul in care sunt efectiv implementate serviciile). Daca OSI reuseste sa faca o distinctie clara intre aceste trei elemente, pentru TCP/IP ele nu reprezinta deloc un element vital.

Inca o asemanare ar mai putea fi identificata: ambele modele s-au bucurat de o raspandire larga. Si de aceasta data urmeaza un ``din pacate'', pentru ca, daca modelul OSI isi datoreaza popularitatea faptului ca permite explicarea teoretica a oricarui proces de comunicare, TCP/IP-ul este faimos prin succesul rasunator al Internetului, retea care se bazeaza pe el.

Din punct de vedere tehnic o diferenta evidenta dintre cele modele o reprezinta faptul ca nivelurile superioare prezente in OSI sunt comasate intr-unul singur la TCP/IP. Acest lucru insa nu neaga existenta unor niveluri ca Sesiune sau Prezentare, ci doar demonstreaza ca ele sunt suficient de ``personale'' pentru aplicatii pentru a nu necesita o standardizare. Acest lucru poate fi usor pus in evidenta de analiza oricarei aplicatii Internet.

O alta diferenta tot de ordin tehnic o reprezinta faptul ca OSI-ul descrie doua tipuri de protocoale, orientate conexiune si fara conexiune, la nivelul retea si doar unul, cel orientat conexiune, pentru nivelul transport. TCP/IP-ul merge exact in directia opusa, oferind doar un protocol fara conexiune la nivel retea si ambele tipuri de protocoale pentru nivelul transport. Acest lucru da mai multa putere aplicatiilor care pot astfel sa isi aleaga protocolul cel mai potrivit.

O alta deosebire de ordin tehnic care complica OSI-ul e faptul ca anumite operatii, cum ar fi de exemplu verificarile de integritate, sunt realizate de mai multe ori in cadrul unor niveluri diferite.

In concluzie fiecare din cele doua modele isi are rolul sau in acoperirea nevoilor de modelare. Sau, mai putin formal, putem zice ca unul ruleaza bine pe hartie iar altul in realitate.

Incapsularea datelor

Inainte ca datele sa fie transmise, ele trec printr-un proces numit incapsulare. Incapsularea adauga informatii specifice fiecarui nivel prin adaugarea unui antet si a unui trailer la fiecare nivel. Acest proces este vital in comunicare. Prin incapsulare, protocoalele de pe fiecare nivel pot comunica intre sursa si destinatie independent de celelalte niveluri. Fiecare nivel isi adauga informatii specifice pe parcursul incapsularii. Astfel, in cadrul procesului de decapsulare, protocoalele de pe un anumit nivel pot primi aceste date la destinatie si pot da informatii nivelurilor superioare in functie de aceste date. Se creeaza in acest fel o comunicare intre nivelurile analoge de la sursa si de la destinatie; aceasta comunicare nu are loc prin legaturi fizice, ci este posibila datorita procesului de incapsulare/decapsulare a datelor. Fiecare nivel comunica cu nivelurile analoge prin intermediul unor unitati de date proprii (PDU = Protocol Data Unit). Aceste unitati de date sunt constituite din datele primite de la nivelurile superioare, incadrate de un antet si un trailer specifice nivelului respectiv. Fiecare tip de PDU pentru nivelurile 2, 3 si 4 (legatura de date, retea si transport) au semnificatii deosebite si poarta nume consacrate. Nivelurile transport comunica prin segmente, nivelurile retea comunica prin pachete, iar cele legatura de date creeaza prin incapsulare frame-uri (cadre).