مدل OSI (اتصال متقابل سیستم‌های باز) یا (Open Systems Interconnection) مجموعه‌ای از قوانین است که نحوه ارتباط سیستم‌های کامپیوتری مختلف از طریق شبکه را توضیح می‌دهد. مدل OSI توسط سازمان بین‌المللی استانداردسازی (ISO) توسعه داده شده است. مدل OSI از 7 لایه تشکیل شده است و هر لایه وظایف و مسئولیت‌های خاصی دارد. این رویکرد لایه‌ای، همکاری دستگاه‌ها و فناوری‌های مختلف را با یکدیگر آسان‌تر می‌کند. مدل OSI ساختار روشنی برای انتقال داده و مدیریت مسائل شبکه ارائه می‌دهد. مدل OSI به طور گسترده به عنوان مرجعی برای درک نحوه عملکرد سیستم‌های شبکه استفاده می‌شود.

لایه‌های مدل OSI

در مدل OSI  7 لایه وجود دارد و هر لایه نقش خاص خود را در مدیریت داده‌ها دارد. همه لایه‌ها در زیر ذکر شده‌اند:

• لایه فیزیکی
• لایه پیوند داده
• لایه شبکه
• لایه انتقال
• لایه جلسه
• لایه ارائه
• لایه کاربرد

لایه ۱: لایه فیزیکی

پایین‌ترین لایه مدل مرجع OSI، لایه فیزیکی است. این لایه مسئول اتصال فیزیکی واقعی بین دستگاه‌ها است. لایه فیزیکی حاوی اطلاعات به شکل بیت است. لایه فیزیکی مسئول انتقال بیت‌های منفرد از یک گره به گره بعدی است. هنگام دریافت داده، این لایه سیگنال دریافتی را به ۰ و ۱ تبدیل می‌کند و آنها را به لایه پیوند داده ارسال می‌کند تا داده ها به شکل فریم را دوباره کنار هم قرار ‌دهد. دستگاه‌های رایج لایه فیزیکی عبارتند از هاب، تکرارکننده، مودم و کابل.

وظایف لایه فیزیکی

• همگام‌سازی بیت: لایه فیزیکی با ارائه یک ساعت، همگام‌سازی بیت‌ها را فراهم می‌کند. این ساعت هم فرستنده و هم گیرنده را کنترل می‌کند و در نتیجه همگام‌سازی را در سطح بیت فراهم می‌کند.
• کنترل نرخ بیت: لایه فیزیکی همچنین نرخ انتقال یعنی تعداد بیت‌های ارسالی در ثانیه را تعریف می‌کند. 
• توپولوژی‌های فیزیکی: لایه فیزیکی نحوه چیدمان دستگاه‌ها/گره‌های مختلف در یک شبکه را مشخص می‌کند، یعنی توپولوژی باس، توپولوژی ستاره‌ای یا توپولوژی مش.
• حالت انتقال: لایه فیزیکی همچنین نحوه جریان داده‌ها بین دو دستگاه متصل را تعریف می‌کند. حالت‌های مختلف انتقال ممکن عبارتند از سیمپلکس، نیمه دوطرفه و تمام دوطرفه.

لایه ۲: لایه پیوند داده (DLL)

لایه پیوند داده مسئول تحویل گره به گره پیام است. وظیفه اصلی این لایه اطمینان از انتقال بدون خطای داده‌ها از یک گره به گره دیگر، از طریق لایه فیزیکی است. هنگامی که یک بسته به شبکه می‌رسد، وظیفه DLL است که آن را با استفاده از آدرس MAC آن به میزبان منتقل کند. بسته در لایه پیوند داده به عنوان فریم شناخته می‌شود. سوئیچ‌ها و پل‌ها دستگاه‌های رایج لایه پیوند داده هستند.
لایه پیوند داده به دو زیرلایه تقسیم می‌شود:

• کنترل پیوند منطقی (LLC)
• کنترل دسترسی به رسانه (MAC)

بسته دریافتی از لایه شبکه، بسته به اندازه فریم NIC (کارت رابط شبکه)، به فریم‌های بیشتری تقسیم می‌شود. DLL همچنین آدرس MAC فرستنده و گیرنده را در هدر کپسوله می‌کند.
آدرس MAC گیرنده با قرار دادن یک درخواست ARP (پروتکل تفکیک آدرس) روی سیم با این سوال که "چه کسی آن آدرس IP را دارد؟" به دست می‌آید و میزبان مقصد با آدرس MAC خود پاسخ می‌دهد.

وظایف لایه پیوند داده

• فریم‌بندی: فریم‌بندی یکی از وظایف لایه پیوند داده است. این روش راهی را برای فرستنده فراهم می‌کند تا مجموعه‌ای از بیت‌ها را که برای گیرنده معنی‌دار هستند، ارسال کند. این کار را می‌توان با اتصال الگوهای بیتی خاص به ابتدا و انتهای فریم انجام داد.
• آدرس‌دهی فیزیکی: پس از ایجاد فریم‌ها، لایه پیوند داده آدرس‌های فیزیکی (آدرس‌های MAC) فرستنده و/یا گیرنده را در هدر هر فریم اضافه می‌کند.
• کنترل خطا: لایه پیوند داده، مکانیزم کنترل خطا را فراهم می‌کند که در آن فریم‌های آسیب‌دیده یا گم‌شده را شناسایی و دوباره ارسال می‌کند.
• کنترل جریان: نرخ داده باید در هر دو طرف ثابت باشد، در غیر این صورت ممکن است داده‌ها خراب شوند، بنابراین کنترل جریان، مقدار داده‌ای را که می‌تواند قبل از دریافت تأیید ارسال شود، هماهنگ می‌کند.
• کنترل دسترسی: هنگامی که یک کانال ارتباطی واحد توسط چندین دستگاه به اشتراک گذاشته می‌شود، زیرلایه MAC لایه پیوند داده به تعیین اینکه کدام دستگاه در یک زمان معین کنترل کانال را دارد، کمک می‌کند.

لایه ۳: لایه شبکه

لایه شبکه برای انتقال داده از یک میزبان به میزبان دیگر واقع در شبکه‌های مختلف عمل می‌کند. همچنین مسیریابی بسته، یعنی انتخاب کوتاه‌ترین مسیر از بین تعداد مسیرهای موجود برای انتقال بسته، را انجام می دهد. آدرس IP فرستنده و گیرنده توسط لایه شبکه در هدر قرار می‌گیرد. فریم در لایه شبکه به عنوان بسته شناخته می‌شود. لایه شبکه توسط دستگاه‌های شبکه مانند روترها و سوئیچ‌ها پیاده‌سازی می‌شود.

وظایف لایه شبکه

• مسیریابی: پروتکل‌های لایه شبکه تعیین می‌کنند که کدام مسیر از مبدا به مقصد مناسب است. این عملکرد لایه شبکه به عنوان مسیریابی شناخته می‌شود.
• آدرس‌دهی منطقی: برای شناسایی منحصر به فرد هر دستگاه درون شبکه، لایه شبکه یک طرح آدرس‌دهی تعریف می‌کند. آدرس‌های IP فرستنده و گیرنده توسط لایه شبکه در هدر قرار می‌گیرند. چنین آدرسی هر دستگاه را به طور منحصر به فرد و جهانی متمایز می‌کند.

لایه ۴: لایه انتقال

لایه انتقال، خدماتی را به لایه کاربرد ارائه می‌دهد و خدماتی را از لایه شبکه دریافت می‌کند. داده‌های موجود در لایه انتقال، سگمنت نامیده می‌شوند. این لایه مسئول تحویل کامل پیام از ابتدا تا انتها است. لایه انتقال همچنین تأیید انتقال موفقیت‌آمیز داده‌ها را ارائه می‌دهد و در صورت وجود خطا، داده‌ها را دوباره ارسال می‌کند. پروتکل‌های مورد استفاده در لایه انتقال عبارتند از TCP، UDP، NetBIOS و PPTP.
در سمت فرستنده، لایه انتقال داده‌های قالب‌بندی شده را از لایه‌های بالایی دریافت می‌کند، سگمنت‌بندی را انجام می‌دهد و همچنین کنترل جریان و خطا را برای اطمینان از انتقال صحیح داده‌ها پیاده‌سازی می‌کند. همچنین شماره پورت منبع و مقصد را در هدر خود اضافه می‌کند و داده‌های سگمنت‌بندی شده را به لایه شبکه ارسال می‌کند.
به طور کلی، شماره پورت مقصد، به صورت پیش‌فرض یا دستی پیکربندی می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک برنامه وب از یک سرور وب درخواستی می‌کند، معمولاً از شماره پورت ۸۰ استفاده می‌کند، زیرا این پورت پیش‌فرض اختصاص داده شده به برنامه‌های وب است. بسیاری از برنامه‌ها پورت‌های پیش‌فرض اختصاص داده شده دارند. در سمت گیرنده، لایه انتقال شماره پورت را از هدر خود می‌خواند و داده‌هایی را که دریافت کرده است به برنامه مربوطه ارسال می‌کند. همچنین توالی‌بندی و مونتاژ مجدد داده‌های قطعه‌بندی شده را انجام می‌دهد.

وظایف لایه انتقال

• قطعه‌بندی و مونتاژ مجدد: این لایه پیام را از لایه (جلسه) می‌پذیرد و پیام را به واحدهای کوچکتر می‌شکند. هر یک از بخش‌های تولید شده دارای یک هدر مرتبط با آن است. لایه انتقال در ایستگاه مقصد پیام را دوباره مونتاژ می‌کند.
• آدرس‌دهی نقطه سرویس: برای تحویل پیام به فرآیند صحیح، هدر لایه انتقال شامل نوعی آدرس به نام آدرس نقطه سرویس یا آدرس پورت است. بنابراین، با مشخص کردن این آدرس، لایه انتقال اطمینان حاصل می‌کند که پیام به فرآیند صحیح تحویل داده شده است.

خدمات ارائه شده توسط لایه انتقال

• سرویس اتصال‌گرا
• سرویس بدون اتصال

لایه ۵: لایه جلسه

لایه جلسه در مدل OSI مسئول برقراری اتصالات، مدیریت اتصالات و خاتمه جلسات بین دو دستگاه است. همچنین احراز هویت و امنیت را فراهم می‌کند. پروتکل‌های مورد استفاده در لایه جلسه عبارتند از NetBIOS، PPTP.

وظایف لایه جلسه

• ایجاد، نگهداری و خاتمه جلسه: این لایه به دو فرآیند اجازه می‌دهد تا یک اتصال را برقرار، استفاده و خاتمه دهند.
• همگام‌سازی: این لایه به یک فرآیند اجازه می‌دهد تا نقاط بازرسی را که نقاط همگام‌سازی در داده‌ها محسوب می‌شوند، اضافه کند. این نقاط همگام‌سازی به شناسایی خطا کمک می‌کنند تا داده‌ها به درستی دوباره همگام‌سازی شوند و انتهای پیام‌ها قبل از موعد قطع نشوند و از از دست رفتن داده‌ها جلوگیری شود.
• کنترل‌کننده گفتگو: لایه جلسه به دو سیستم اجازه می‌دهد تا ارتباط با یکدیگر را به صورت نیمه دوطرفه یا تمام دوطرفه آغاز کنند.

لایه ۶: لایه ارائه

لایه ارائه، لایه ترجمه نیز نامیده می‌شود. داده‌ها از لایه کاربرد در اینجا استخراج و طبق فرمت مورد نیاز برای انتقال از طریق شبکه دستکاری می‌شوند. پروتکل‌های مورد استفاده در لایه ارائه عبارتند از TLS/SSL (امنیت لایه انتقال / لایه سوکت‌های امن). JPEG، MPEG، GIF، استانداردها یا فرمت‌هایی هستند که برای فرمت دهی (انکدینگ) داده‌ها استفاده می‌شوند، که بخشی از نقش لایه ارائه است.

وظایف لایه ارائه

• ترجمه: به عنوان مثال، ASCII به EBCDIC.
• انکدینگ/دیکدینگ: فرمت دهی داده‌ها، داده‌ها را به شکل یا کد دیگری ترجمه می‌کند. داده‌های فرمت دهی شده به عنوان متن رمزی شناخته می‌شوند و داده‌های دیکدینگ شده به عنوان متن ساده شناخته می‌شوند. یک مقدار کلیدی برای فرمت دهی و همچنین دیکدینگ داده‌ها استفاده می‌شود.
• فشرده‌سازی: تعداد بیت‌هایی را که باید در شبکه منتقل شوند، کاهش می‌دهد.

لایه ۷: لایه کاربرد

در بالاترین سطح پشته لایه‌های مدل مرجع OSI، لایه کاربرد را می‌بینیم که توسط برنامه‌های شبکه پیاده‌سازی می‌شود. این برنامه‌ها داده‌هایی را که باید از طریق شبکه منتقل شوند، تولید می‌کنند. این لایه همچنین به عنوان پنجره‌ای برای دسترسی سرویس‌های کاربردی به شبکه و نمایش اطلاعات دریافتی به کاربر عمل می‌کند. پروتکل‌های مورد استفاده در لایه کاربرد عبارتند از SMTP، FTP، DNS و غیره.

وظایف لایه کاربرد

وظایف اصلی لایه کاربرد در زیر آورده شده است:

• ترمینال مجازی شبکه (NVT): به کاربر اجازه می‌دهد تا به یک میزبان از راه دور وارد شود.
• دسترسی و مدیریت انتقال فایل (FTAM): این برنامه به کاربر اجازه می‌دهد تا به فایل‌های یک میزبان از راه دور دسترسی پیدا کند، فایل‌ها را در یک میزبان از راه دور بازیابی کند و فایل‌ها را از یک کامپیوتر از راه دور مدیریت یا کنترل کند.
• خدمات پستی: ارائه خدمات ایمیل.
• خدمات دایرکتوری: این برنامه منابع پایگاه داده توزیع شده و دسترسی به اطلاعات جهانی در مورد اشیاء و خدمات مختلف را فراهم می‌کند.

جریان داده‌ها در مدل OSI چگونه است؟

وقتی اطلاعات را از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌کنیم، از ۷ لایه مدل OSI عبور می‌کند. ابتدا داده‌ها از طریق  لایه 7 (لایه کاربرد) از سمت فرستنده به پایین حرکت می‌کنند و سپس در سمت گیرنده از  لایه 1 (لایه فیزیکی) به عقب برمی‌گردند.

داده‌ها در یک فرآیند گام به گام از مدل OSI عبور می‌کنند:

• لایه کاربرد: برنامه‌ها داده‌ها را ایجاد می‌کنند.
• لایه ارائه: داده‌ها قالب‌بندی، رمزگذاری و فرمت دهی می‌شوند.
• لایه جلسه: اتصالات برقرار و مدیریت می‌شوند.
• لایه انتقال: داده‌ها برای تحویل مطمئن به سگمنت‌هایی تقسیم می‌شوند.
• لایه شبکه: بخش‌ها به بسته‌ها بسته‌بندی و مسیریابی می‌شوند.
• لایه پیوند داده: بسته‌ها قاب‌بندی شده و به دستگاه بعدی ارسال می‌شوند.
• لایه فیزیکی: قاب‌ها به بیت تبدیل شده و به صورت فیزیکی منتقل می‌شوند.

هر لایه اطلاعات خاصی را اضافه می‌کند تا اطمینان حاصل شود که داده‌ها به درستی به مقصد خود می‌رسند و این مراحل پس از رسیدن معکوس می‌شوند.
می‌توانیم با کمک مثالی که در زیر ذکر شده است، نحوه جریان داده‌ها از طریق مدل OSI را درک کنیم.
فرض کنید شخص A یک ایمیل برای دوستش شخص B ارسال می‌کند.

مرحله 1: شخص A با برنامه‌های ایمیل مانند Gmail، Outlook و غیره تعامل می‌کند. ایمیل خود را برای ارسال می‌نویسد. (این اتفاق در لایه کاربرد رخ می‌دهد).
مرحله 2: در لایه ارائه، برنامه Mail برای انتقال داده‌ها، رمزگذاری داده‌ها و قالب‌بندی آن برای انتقال آماده می‌شود.
مرحله 3: در لایه جلسه، ارتباطی بین فرستنده و گیرنده در اینترنت برقرار می‌شود.
مرحله 4: در لایه انتقال، داده‌های ایمیل به بخش‌های کوچکتری تقسیم می‌شوند. شماره ترتیب و اطلاعات بررسی خطا برای حفظ قابلیت اطمینان اطلاعات اضافه می‌شود.
مرحله 5: در لایه شبکه، آدرس‌دهی بسته‌ها به منظور یافتن بهترین مسیر برای انتقال انجام می‌شود.
مرحله 6: در لایه پیوند داده، بسته‌های داده در فریم‌ها کپسوله می‌شوند، سپس آدرس MAC برای دستگاه‌های محلی اضافه می‌شود و سپس با استفاده از تشخیص خطا، خطا را بررسی می‌کند.
مرحله ۷: در لایه فیزیکی، فریم‌ها به شکل سیگنال‌های الکتریکی/نوری از طریق یک رسانه شبکه فیزیکی مانند کابل اترنت یا وای‌فای منتقل می‌شوند.
پس از رسیدن ایمیل به گیرنده، یعنی شخص B، فرآیند معکوس شده و محتوای ایمیل رمزگشایی می‌شود. در نهایت، ایمیل در کلاینت ایمیل شخص B نمایش داده می‌شود.

چرا مدل OSI اهمیت دارد؟

مدل OSI اهمیت دارد زیرا ساختار روشنی از "نحوه حرکت داده‌ها در شبکه" را در اختیار کاربر قرار می‌دهد. از آنجایی که مدل OSI از 7 لایه تشکیل شده است، هر لایه نقش خاص خود را دارد و به همین دلیل با تمرکز بر یکی از لایه‌ها و نه کل شبکه، به درک، شناسایی و حل آسان مشکلات پیچیده شبکه کمک می‌کند.
از آنجایی که اینترنت مدرن مدل OSI را ترجیح نمی‌دهد، اما با این حال، مدل OSI هنوز برای حل مشکلات شبکه بسیار مفید است. این مدل به افراد کمک می‌کند تا مفاهیم شبکه را به راحتی درک کنند. مدل TCP/IP مدل کاربردی مدل OSI است.

مزایای مدل OSI

مدل OSI ارتباط یک سیستم محاسباتی را به 7 لایه مختلف تعریف می‌کند. مزایای آن عبارتند از:

• ارتباطات شبکه را به 7 لایه تقسیم می‌کند که درک و عیب‌یابی آن را آسان‌تر می‌کند.
• ارتباطات شبکه را استاندارد می‌کند، زیرا هر لایه دارای توابع و پروتکل‌های ثابتی است.
• تشخیص مشکلات شبکه با مدل OSI آسان‌تر است.
• با پیشرفت‌ها، بهبود آن آسان‌تر است زیرا هر لایه می‌تواند به‌روزرسانی‌های جداگانه دریافت کند.

معایب مدل OSI

• مدل OSI دارای هفت لایه است که می‌تواند برای مبتدیان پیچیده و دشوار باشد.
• در شبکه‌های واقعی، اکثر سیستم‌ها از یک مدل ساده‌تر به نام مجموعه پروتکل اینترنت (TCP/IP) استفاده می‌کنند، بنابراین مدل OSI همیشه به طور مستقیم قابل اجرا نیست.
• هر لایه در مدل OSI مجموعه قوانین و عملیات خاص خود را اضافه می‌کند که می‌تواند فرآیند را زمان‌برتر و ناکارآمدتر کند.
• مدل OSI بیشتر یک چارچوب نظری است، به این معنی که برای درک مفاهیم عالی است اما همیشه برای پیاده‌سازی عملی نیست.