[ INDUSTRIAL DATA COMMUNICATION ] OSI Layer (Layer 1–4)
OSI Layer คืออะไร
OSI Model ( Open Systems Interconnection Model ) คือ เป็นรูปแบบการอ้างอิงสำหรับวิธีการใช้งานการสื่อสารเครือข่าย OSI Model ใช้อ้างอิงเป็นกรอบแนวคิดในการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ถึงจุดประสงค์ของรูปแบบการอ้างอิง OSI Model คือเพื่อแนะนำผู้ค้า(ผู้ให้บริการ)และนักพัฒนา ดังนั้น ผลิตภัณฑ์การสื่อสารดิจิทัลและโปรแกรมซอฟต์แวร์ที่พวกเขาสร้างสามารถทำงานร่วมกันได้และเพื่ออำนวยความสะดวกในกรอบการทำงานที่ชัดเจนซึ่งอธิบายการทำงานของระบบเครือข่ายหรือระบบโทรคมนาคม
ผู้ค้าส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับการสื่อสารโทรคมนาคมพยายามที่จะอธิบายผลิตภัณฑ์และบริการที่เกี่ยวข้องกับแบบจำลอง OSI และถึงแม้ว่ามันจะมีประโยชน์สำหรับการแนะนำการอภิปรายและการประเมินผล OSI ไม่ค่อยมีการใช้งานจริงตามที่เป็นอยู่ นั่นเป็นเพราะผลิตภัณฑ์เครือข่ายหรือเครื่องมือมาตรฐานบางตัวทำงานร่วมกันที่เกี่ยวข้องในเลเยอร์ที่ได้รับการกำหนดไว้อย่างดีเช่นเดียวกับในโมเดล OSI ชุดโปรโตคอล TCP / IP ซึ่งกำหนดอินเทอร์เน็ตไม่ได้แมปอย่างสมบูรณ์กับรูปแบบ OSI
พัฒนาโดยตัวแทนของคอมพิวเตอร์และการสื่อสารโทรคมนาคมที่สำคัญ บริษัท ที่เริ่มต้นในปี 1983 OSI เดิมทีตั้งใจจะเป็นสเปคที่เกิดขึ้นจริงในรายละเอียดของการเชื่อมต่อ แต่คณะกรรมการได้ตัดสินใจที่จะสร้างรูปแบบการอ้างอิงทั่วไปที่คนอื่นสามารถพัฒนาอินเตอร์เฟสที่มีรายละเอียดซึ่งในทางกลับกันอาจกลายเป็นมาตรฐานที่ควบคุมการส่งข้อมูลของแพ็กเก็ตข้อมูล สถาปัตยกรรม OSI ได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการว่าเป็นมาตรฐานสากลโดยองค์กรระหว่างประเทศเพื่อการมาตรฐาน ( ISO )
แนวคิดหลักของ OSI คือกระบวนการของการสื่อสารระหว่างสองจุดปลายในเครือข่ายสามารถแบ่งออกเป็นเจ็ดกลุ่มที่แตกต่างกันของฟังก์ชั่นที่เกี่ยวข้องหรือชั้น ผู้ใช้หรือโปรแกรมการสื่อสารแต่ละรายการอยู่บนอุปกรณ์ที่สามารถให้ฟังก์ชั่นเจ็ดชั้นเหล่านั้นได้
ในสถาปัตยกรรมนี้แต่ละชั้นทำหน้าที่ชั้นเหนือและในทางกลับกันจะให้บริการโดยชั้นด้านล่าง ดังนั้นในข้อความที่ได้รับระหว่างผู้ใช้จะมีการไหลของข้อมูลลงไปตามเลเยอร์ในคอมพิวเตอร์ต้นทางทั่วทั้งเครือข่ายและจากนั้นผ่านเลเยอร์ในคอมพิวเตอร์ที่รับ
OSI Model ใช้อ้างอิงการสื่อสาร (Reference Model) แบ่งออกเป็นชั้น (Layer) โดยมีตั้งแต่ชั้นที่ 1 ถึงสวรรค์ชั้น 7 (Layer 1–7) โดย Layer 1 จะอยู่ด้านล่างสุด และเรียงขึ้นไปจนถึง Layer 7 แต่ละ Layer ก็มีชื่อเรียกตามรูปแบบการสื่อสารและการทำงานของมันในแต่ละชั้นนั่นเอง
1. Physical Layer
เป็น ชั้นล่างสุด จะมีการกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของฮาร์ดแวร์ที่ใช้เชื่อมต่อระหว่าง คอมพิวเตอร์ทั้งสองระบบ เช่น
- สายที่ใช้รับส่งข้อมูลจะเป็นแบบไหน
- ข้อต่อที่ใช้ในการรับส่งข้อมูลมีมาตรฐานอย่างไร
- ความเร็วในการรับส่งข้อมูลเท่าใด
- สัญญาณที่ใช้ในการรับส่งข้อมูลมีรูปร่างอย่างไร
- ใช้แรงดันไฟฟ้าเท่าไหร่
ข้อมูลใน Layer ที่ 1 นี้จะมองเห็นเป็นการรับส่งข้อมูลทีละบิตเรียงต่อกันไป
ในชั้นนี้จะกล่าวถึง อุปกรณ์ที่ใช้ในการเชื่อมต่อ เช่น สายเคเบิล Lan สายไฟฟ้า หรือ Connector ต่างๆ ข้อต่อหรือปลั๊กที่ใช้มีมาตรฐานอย่างไร ใช้ไฟกี่โวลต์ มีการชํารุดของอุปกรณ์ หรือไม่ เช่นสายขาด ปลั๊กหลุด หรือตัวอุปกรณ์ใช้งานไม่ได้ เป็นต้น โดยในชั้นระบบนี้จะใช้หน่วยของ layer เป็น bits ดังนั้น protocol ในชั้นนี้คือ CAT5, CAT6, RJ-45 cable เป็นต้น ในส่วนของผู็ที่จะ สอบCCNA จะมีการเน้นเรื่องของการเลือกสาย Lan หรือสาย UTP ต้องเลือกการใช้งานให้ถูกต้อง
จากรูปแสดงถึงการส่งข้อมูลบน Physical layer ครับ แสดงให้เห็นว่า ข้อมูลจะมาเป็นอย่างไรก็ตาม ก็จะถูกแปลงเป็นสัญญาณเพื่อส่งไปยังปลายทาง แล้วฝั่งปลายทางก็จะนำสัญญาณที่รับมาแปลงกลับเป็นข้อมูลเพื่อส่งให้เครื่อง Client ต่อไปยังไม่ได้พูดถึงการส่งข้อมูลบน OSI นะครับ เอาไว้รอบหน้า ตรงนี้ผมอยกขึ้นมาเพื่อให้เห็นภาพเบื้องต้นเพราะ ฉะนั้น อุปกรณ์ต่างๆที่มีความสามารถในการนำพาสัญญาณไป ก็พวก Card LAN (NIC) , สาย UTP , สาย Fiber หรือพวก เต้าเสียบ หัวต่อต่างๆ RJ45 , RJ11 , RS323 ก็จัดอยู่ใน Physical Layer ครับ
2. Data-Link Layer
เป็นชั้นที่ทำหน้ากำหนดรูปแบบของการส่งข้อมูลข้าม Physical Network โดยใช้ Physical Address อ้างอิงที่อยู่ต้นทางและปลายทาง ซึ่งก็คือ MAC Address นั่นเอง รวมถึงทำการตรวจสอบและจัดการกับ error ในการรับส่งข้อมูล ข้อมูลที่ถูกส่งบน Layer 2 เราจะเรียกว่า Frameซึ่งบน Layer 2 ก็จะแบ่งเป็น LAN และ WAN ครับซึ่ง ปัจจุบัน บน Layer 2 LAN เรานิยมใช้เทคโนโลยีแบบ Ethernet มากที่สุด ส่วน WAN ก็จะมีหลายแบบแตกต่างกันไป เช่น Lease Line (HDLC , PPP) , MPLS , 3G และอื่นๆ
สำหรับ LAN ยังมีการแบ่งย่อยออกเป็น 2 sublayers คือLogical Link Control (LLC)IEEE 802.2 ซึ่งจะให้บริการกับ Layer ด้านบนในการเข้าใช้สัญญาณใน การรับ-ส่งข้อมูล ตามมาตรฐาน IEEE802 แล้ว จะอนุญาตให้สถาปัตยกรรมของ LAN ที่ต่างกันสามารถทำงานร่วมกันได้ หมายความว่า Layer ด้านบนไม่จำเป็นต้องทราบว่า Physical Layer ใช้สายสัญญาณประเภทใดในการรับ-ส่งข้อมูล เพราะ LLC จะรับผิดชอบในการปรับ Frame ข้อมูลให้สามารถส่งไปได้ในสายสัญญาณประเภทนั้นได้ และไม่จำเป็นต้องสนใจว่าข้อมูลจะส่งผ่านเครือข่ายแบบไหน เช่น Ethernet , Token Ring บลาๆๆ และไม่จำเป็นต้องรู้ว่าการส่งผ่านข้อมูลใน Physical Layer จะใช้การรับส่งข้อมูล แบบใด LLC จะเป็นผู้จัดการเรื่องเหล่านี้ได้ทั้งหมดครับ
Media Access Control (MAC)
IEEE 802.3 ใช้ควบคุมการติดต่อสื่อสารกับ Layer 1 และรับผิดชอบในการรับ-ส่งข้อมูลให้สำเร็จและถูกต้อง โดยมีการระบุ MAC Address ของอุปกรณ์เครือข่าย ซึ่งใช้อ้างอิงในการส่งข้อมูลจากต้นทางไปยังปลายทาง เช่น จาก ต้นทางส่งมาจาก MAC Address หมายเลข AAAA:AAAA:AAAA ส่งไปหาปลายทางหมายเลข BBBB:BBBB:BBBB เมื่อปลายทางได้รับข้อมูลก็จะรู้ว่าใครส่งมา เพื่อจะได้ตอบกลับไปถูกต้อง นั่นเอง
บน Ethernet (IEEE802.3) เมื่อมันมีหน้าที่ในการรับผิดชอบการรับ-ส่งข้อมูลให้สำเร็จและถูกต้อง มันจึงมีการตรวจสอบข้อผิดพลาดในการส่งข้อมูลด้วย ที่เราเรียกว่า Frame Check Sequence (FCS) และยังตรวจสอบกับ Physical ด้วยว่าช่องสัญญาณพร้อมสำหรับส่งข้อมูลไหม ถ้าว่างก็ส่งได้ ถ้าไม่ว่างก็ต้องรอ กลไลนี่เรารู้จักกันในชื่อ CSMA/CD นั่นเองครับ
CSMA/CD มันก็คือกลไลการตรวจสอบการชนกันของข้อมูล บน Ethernet ถ้าเกิดมีการชนกันเกิดขึ้น มันก็จะส่งสัญญาณ (jam signal) ออกไปเพื่อให้ทุกคนหยุดส่งข้อมูล แล้วสุ่มรอเวลา (back off) เพื่อส่งใหม่อีกครั้ง
3. Network Layer
ทำหน้าที่ เลือกเส้นทางการส่งผ่านข้อมูล โดย เป็นผู้ตัดสินใจว่าเส้นทางใด ที่ควรส่งข้อมูลไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ สภาพของเครือข่าย ลำดับความสำคัญของบริการ และปัจจัยอื่น ๆ ซอฟต์แวร์ใน Network Layer อยู่ในส่วนของชุมสาย ในเครือข่าย
หลักการทำงาน การส่งข้อมูลใน Layer นี้ จะใช้หลักการที่เรียกว่า Hop by Hop โดยจะส่งข้อมูลจากจุด ๆ นึง ไปยังจุดต่อไป (Next Hop) โดยอาศัยจากตาราง Routing ของ Router ซึ่งอาจจะต้อง ส่งผ่านหลายจุด กว่าจะไปถึงจุดหมายปลายทางได้
หรืออีกความหมายคือทำหน้าที่ส่งข้อมูลข้ามเครือข่าย หรือ ข้าม network โดยส่งข้อมูลผ่าน Internet Protocol (IP) โดยมีการสร้างที่อยู่ขึ้นมา (Logical Address) เพื่อใช้อ้างอิงเวลาส่งข้อมูล เราเรียกว่า IP address ข้อมูลที่ถูกส่งมาจากต้นทาง เพื่อไปยังปลายทาง ที่ไม่ได้อยู่บนเครือข่ายเดียวกัน จำเป็นจะต้องพึ่งพาอุปกรณ์ที่ทำงานบน Layer 3 นั่นก็คือ Router หรือ Switch Layer 3 โดยใช้ Routing Protocol (OSPF , EIGRP) เพื่อหาเส้นทางและส่งข้อมูลนั้น (IP) ข้ามเครือข่ายไป
โดยการทำงานของ Internet Protocol (IP) เป็นการทำงานแบบ Connection-less หมายความว่า IP ไม่มีการตรวจสอบข้อมูลว่าส่งไปถึงปลายทางไหม แต่มันจะพยายามส่งข้อมูลออกไปด้วยความพยายามที่ดีที่สุด (Best-Effort) เพราะฉะนั้น ข้อมูลที่ส่งออกไปแล้วไม่ถึงปลายทาง ต้นทางก็จะไม่รู้เลย ถ้าส่งไปแล้วข้อมูลไม่ถึงปลายทาง ฝั่งต้นทางจะต้องทำการส่งไปใหม่ บน Layer 3 จึงมี Protocol อีกตัวนึงเพื่อใช้ตรวจสอบว่าปลายทางยังมีชีวิตอยู่ไหม ก่อนที่จะส่งข้อมูล นั่นคือ ICMP ครับ แต่ผู้ใช้งานจะต้องเป็นคนเรียกใช้ protocol ตัวนี้เองนะครับ
จริงๆ แล้ว ก็ยังมีรายละเอียดของ ICMP , ARP อีกที่ทำงานบน Layer 3 แต่เบื้องต้น เอาไว้เท่าที่ก่อนละกันครับ สำหรับ Layer 3
4. Transport Layer
ทำหน้าที่เชื่อมต่อกับ Upper Layer ในการใช้งาน network services ต่างๆ หรือ Application ต่าง จากต้นทางไปยังปลายทาง (end-to-end connection) ในแต่ละ services ได้ โดยใช้ port number ในการส่งข้อมูลของ Layer 4 จะใช้งานผ่าน protocol 2 ตัว คือ TCP และ UDP
เมื่อข้อมูลถูกส่งมาใช้งานผ่าน services Telnet ไปยังปลายทางถูกส่งลงมาที่ Layer 4 ก็จะทำการแยกว่า telnet คือ port number 23 เป็น port number ที่ใช้ติดต่อไปหาปลายทาง แล้วฝั่งต้นทางก็จะ random port number ขึ้นมา เพื่อให้ปลายทางสามารถตอบกลับมาได้เช่นเดียวกัน
ทีนี้เรามาดู protocol 2 ตัว ใน Layer 4 กันต่อครับ
Transmission Control Protocol (TCP) มีคุณลักษณะที่สำคัญ ดังนี้
- จัดแบ่งข้อมูลจากระดับ Application ให้มีขนาดพอเหมาะที่จะส่งไปบนเครือข่าย (Segment)
- มีการสร้าง Connection กันก่อนที่จะมีการรับส่งข้อมูลกัน (Connection-oriented)
- มีการใช้ Sequence Number เพื่อจัดลำดับการส่งข้อมูล
- มีการตรวจสอบว่าข้อมูลที่ส่งไปถึงปลายทางหรือไม่ (Recovery)
TCP จะเป็นการสื่อสารข้อมูลแบบ Connection-Oriented คือมีลักษณะเหมือนการส่ง ข้อมูลเสียงทางโทรศัพท์คือ ผู้ใช้ต้องสร้าง connection (หมุนโทรศัพท์) แล้วถึงส่งข้อมูล(พูดโทรศัพท์) และเมื่อใช้เสร็จแล้วก็ยกเลิก connection (วางสายโทรศัพท์) การส่งข้อมูลแบบนี้เปรียบเสมือนส่งของผ่าน ท่อ คือผู้ส่ง ส่งของทีละชิ้นไปตามท่อ แล้วผู้รับซึ่งอยู่อีกปลายหนึ่งของท่อก็รับของทีละชิ้นออกจากท่อ ตามลําดับ ที่ของถูกส่งมา
บน TCP ก่อนจะส่งข้อมูลนั้นจะต้องทำการตรวจสอบก่อนว่า ปลายทางสามารถติดต่อได้ โดยจะทำการสร้างการเชื่อมต่อระหว่างผู้ส่งและผู้รับก่อน โดยใช้กลไล Three-Way Handshake เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลที่ส่งจะสามารถส่งถึงผู้รับแน่นอน
นอกจาก Three-Way Handshake แล้ว TCP ยังมีกลไก Flow Control เพื่อควบคุมการส่งข้อมูลเมื่อเกิดปัญหาบนเครือข่ายระหว่างที่ส่งข้อมูลอยู่ หรือ กลไล Error Recovery ในกรณีที่มีข้อมูลบางส่วนหายไปขณะส่ง ก็ให้ทำการส่งมาใหม่ (Retransmission) แต่ผมขอพูดเรื่องกลไลต่างๆไว้เพียงเบื้องต้นละกันนะครับนอก จากนั้นยังสามารถทำการจัดสรรค์หรือแบ่งส่วนของข้อมูลออกเป็นส่วนๆ (Segmentation) ก่อนที่จะส่งลงไปที่ Layer 3 อีกด้วย และข้อมูลที่ถูกแบ่งออก ก็จะใส่ลำดับหมายเลขเข้าไป (Sequence number) เพื่อให้ปลายทางนำข้อมูลไปประกอบกันได้อย่างถูกต้อง
User Datagram Protocol (UDP) มีคุณลักษณะที่สำคัญ ดังนี้
- ไม่มีการสร้าง Connection กันก่อนที่จะมีการรับส่งข้อมูลกัน (Connectionless)
- ส่งข้อมูลด้วยความพยายามที่ดีที่สุด (Best-Effort)
- ไม่มีการตรวจสอบว่าข้อมูลที่ส่งไปถึงปลายทางหรือไม่ (No Recovery)
สําหรับแบบ UDP จะเป็นการสื่อสารข้อมูลอีกชนิดหนึ่งที่เราเรียกว่าConnectionless แบบนี้ มีลักษณะคล้ายการส่งจดหมาย ในระบบไปรษณีย์ กล่าวคือข้อมูลหน่วยย่อย (จดหมายแต่ละฉบับ) มีที่อยู่ ปลายทางของผู้รับ และแต่ละหน่วยข้อมูลจะถูกส่งต่อเป็นช่วงๆ (ผ่านที่ทําการไปรษณีย์แต่ละพื้นที่)จนถึง จุดหมาย การส่งข้อมูลลักษณะนี้แต่ละหน่วยข้อมูลอาจมีเส้นทางต่างกันเล็กน้อย และเป็นไปได้ว่าจดหมายที่ส่งที หลังอาจถึงปลายทางก่อน
แบบ Connectionless นี้ การเริ่มต้นส่งสามารถทําๆได้รวดเร็ว เนื่องจากไม่ต้องเสียเวลา สร้าง connection แต่ก็ไม่สามารถรับรองการได้รับข้อมูลของอีกฝ่าย เหมาะกับการส่งข้อมูลเพียงเล็กน้อย ส่งเพียง ครั้งเดียวก็เสร็จสิ้น หรือข้อมูลที่ไม่สําคัญมาก สามารถสูญเสียได้บางส่วน ตัวอย่างงานที่ใช้UDP เช่น สัญญาณ Video , เสียง ซึ่งข้อมูลสามารถหายไปบางส่วนได้
บน UDP จะตรงข้ามกับ TCP เลยครับ เพราะ ไม่มีการสร้างการเชื่อมต่อกันก่อน หมายความว่าถ้า services ใดๆ ใช้งานผ่าน UDP ก็จะถูกส่งออกไปทันทีด้วยความพยายามที่ดีที่สุด (ฺBest-Effort) และไม่มีการส่งใหม่เมื่อข้อมูลสูญหาย (No Recovery) หรือส่งไม่ถึงปลายทางอีกด้วยข้อดีของมันก็คือ มีความรวดเร็วในการส่งข้อมูล เพราะฉะนั้น services ที่ใช้งานผ่าน UDP ก็มีมากมาย เช่น TFTP , DHCP , VoIP และอื่นๆ เป็นต้นผมชอบภาพนี้ เพราะเปรียบเทียบการทำงานของ TCP และ UDP ได้เห็นภาพดีเหมือนกันครับ
