รูปแบบการส่งข้อมูลแบบ node-to-node source-to-destination และ process-to-process

บทที่ 3
แบบจำลองเครือข่าย (Network Models)

วัตถุประสงค์

1. บอกวัตถุประสงค์ของแบบจำลอง OSI ได้
2. เข้าใจแนวคิดของการแบ่งชั้นสื่อสารบนแบบจำลอง OSI
3. บอกชื่อกำกับที่อยู่บนชั้นชื่อสารทั้ง 7 ของแบบจำลอง OSI ได้อย่างถูกต้อง
4. อธิบายหน้าที่การทำงานของแต่ละชั้นสื่อสารบนแบบจำลอง OSI ได้อย่างถูกต้อง
5. เปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างแบบจำลอง OSI และแบบจำลองอินเทอร์เน็ตได้
6. อธิบายหน้าที่การทำงานของแต่ละชั้นสื่อสารบนแบบจำลองอินเทอร์เน็ตได้

องค์กร ISO และแบบจำลอง OSI
องค์กรกำหนดมาตรฐานสากลหรือ ISO จัดเป็นองค์กรหนึ่งที่ได้รับการยอมรับทั่วโลกเกี่ยวกับการกำหนดมาตรฐานสากล โดยในปี ค.ศ. 1970 ทาง ISO ได้มีการจัดตั้งคณะกรรมการขึ้นมาเพื่อสร้างแบบจำลองสถาปัตยกรรมเครือข่ายขึ้น เพื่อใช้เป็นรูปแบบมาตรฐานในการสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า แบบจำลอง OSI (Open Systems Interconnection) และในปี ค.ศ. 1984 ก็ได้มีการประกาศใช้แบบจำลอง OSI อย่างเป็นทางการเพื่อใช้เป็นแบบอ้างอิงเครือข่ายมาตรฐานสากล
คำว่า Open Systems ก็คือ ระบบเปิด ซึ่งหมายความว่าอนุญาตให้ระบบสามารถสื่อสารกันได้ถึงแม้ว่าอุปกรณ์จะมีรูปแบบทางสถาปัตยกรรมระบบที่แตกต่างกัน กล่าวคือมาตรฐานแบบจำลอง OSI ที่จัดทำขึ้นมานั้น มีจุดประสงค์เพื่อให้ระบบที่แตกต่างกันสามารถสื่อสารร่วมกันได้ ด้วยมาตรฐานการสื่อสารที่เป็นสากล โดยไม่มีความจำเป็นที่จะต้องเข้าไปเปลี่ยนแปลงตรรกใด ๆ บนอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์
แบบจำลอง OSI หมายถึง แบบจำลองสถาปัตยกรรมเครือข่าย เพื่อใช้เป็นรูปแบบมาตรฐานในการสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์ จุดประสงค์เพื่อให้ระบบที่แตกต่งกันสามารถสื่อสารร่วมกันได้ ด้วยมาตรฐานการสื่อสารที่เป็นสากล
อย่างไรก็ตาม แบบจำลอง OSI มิใช่โพรโทคอล แต่เป็นเพียงแบบจำลองแนวคิด ซึ่งเป็นเพียงทฤษฎีที่ช่วยสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของแต่ละชั้นสื่อสาร เพื่ออำนวยความสะดวกต่อผู้ออกแบบระบบสื่อสาร ทั้งนี้แบบจำลอง OSI ยังถูกสร้างขึ้นมาบนพื้นฐานความยืดหยุ่นและคงทนต่อการนำไปประยุกต์ใช้งาน โดยแต่ละชั้นสื่อสารยังสามารถปฏิบัติงานร่วมกันได้อย่างเหมาะสม
แบบจำลอง OSI มีกรอบการทำงานด้วยการแบ่งเป็นชั้นสื่อสารที่เรียกว่าเลเยอร์ (Layer) แต่ละเลเยอร์จะมีชื่อเรียกที่แตกต่างกัน รวมถึงฟังก์ชันหน้าที่ที่รับมอบหมายในเลเยอร์นั้น ๆ โดยเฉพาะ ชั้นสื่อสารต่าง ๆ ที่กำหนดขึ้นจะถือเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการสื่อสารร่วมกัน ซึ่งมีทั้งหมด 7 ชั้นด้วยกันกคือ

1. ชั้นสื่อสารฟิสิคัล (Physical Layer)
2. ชั้นสื่อสารดาต้าลิงก์ (Data Link Layer)
3. ชั้นสื่อสารเน็ตเวิร์ก (Network Layer)
4. ชั้นสื่อสารทรานสปอร์ต (Transport Layer)
5. ชั้นสื่อสารเซสชั่น (Session Layer)
6. ชั้นสื่อสารพรีเซนเตชั่น (Presentation Layer)
7. ชั้นสื่อสารแอปพลิเคชั่น (Application Layer)

แต่ก็ใช่ว่าเทคโนโลยีเครือข่ายทั้งหมดจะต้องอ้างอิงชั้นสื่อสารบนแบบจำลอง OSI ครบทั้งเจ็ด เนื่องจากบางเทคโนโลยีอาจรวบชั้นสื่อสารบางชั้นมาเป็นเลเยอร์เดียวกัน หรืออาจข้ามการทำงานบางเลเยอร์กรณีเลเยอร์นั้นไม่จำเป็นต่อการใช้งาน
แนวความคิดในการแบ่งชั้นสื่อสาร

1. เพื่อลดความซ้ำซ้อน ทำให้เรียนรู้และทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้น
2. เพื่อให้แต่ละชั้นสื่อสารมีบทบาทหน้าที่ที่ชัดเจนและแตกต่างกัน
3. เพื่อให้แต่ละชั้นสื่อสารปฏิบัติงานตามฟังก์ชันหน้าที่ที่ได้รับมอบหมาย และสอดคล้องกับมาตรฐานสากล
4. จากขอบเขตความรับผิดชอบในแต่ละชั้นสื่อสาร ทำให้การสื่อสารเกิดความคล่องตัว และเป็นการป้องกันกรณีเกิดการเปลี่ยนแปลงบนชั้นสื่อสารหนึ่ง ๆ แล้วส่งผลกระทบต่อชั้นสื่อสารอื่น ๆ
5. จำนวนชั้นสื่อสารจะต้องมีจำนวนมากเพียงพอ และเหมาะสมต่อการจำแนกหน้าที่การทำงานให้กับแต่ละชั้นสื่อสาร และไม่ควรมีมากจนดูเทอะทะ เกินความจำเป็น

ชั้นสื่อสารในแบบจำลอง OSI (Layers in The OSI Model)
1.      ชั้นสื่อสารฟิสิคัล (Physical Layer)
ชั้นสื่อสารฟิสิคับจะทำหน้าที่ประสานการทำงานในเรื่องของการส่งกระแสบิต (Bit Stream) บนสื่อกลางที่เกี่ยวข้องกับข้อกำหนดทางกลไก และทางไฟฟ้าของการอินเตอร์เฟซและสื่อส่งข้อมูล รวมถึงข้อกำหนดด้านฟังก์ชันการทำงาน และขั้นตอนการทำงานของอุปกรณ์ที่จะนำมาอินเตอร์เฟซเพื่อการส่งข้อมูล
2.      ชั้นสื่อสารดาต้าลิงก์ (Data Link Layer)
ชั้นสื่อสารดาต้าลิงก์มีหน้าที่ส่งมอบข้อมูลในลักษณะ Hop-to-Hop (Node-to-Node) สำหรับหน่วยข้อมูลในชั้นนี้จะถูกจัดเก็บในรูปแบบของเฟรม (Frame) รับหน้าที่ว่าจะจัดส่งเฟรมไปยังเครือข่ายได้อย่างไร เนื่องจากข้อมูลที่ได้รับมาจากชั้นสื่อสารฟิสิคัลนั้น อาจมีสัญญาณรบกวนหรือข้อผิดพลาดปะปนมาพร้อมกับสัญญาณข้อมูล ดังนั้นชั้นสื่อสารดาต้าลิงก์จึงต้องมีกระบวนการตรวจจับ และแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านั้น เพื่อบริการแก่ชั้นสื่อสารเน็ตเวิร์กที่อยู่สูงถัดไป
3.      ชั้นสื่อสารเน็ตเวิร์ก (Network Layer) สำหรับชั้นสื่อสารเน็ตเวิร์กจะรับผิดชอบเกี่ยวกับการส่งแพ็กเก็ตจากต้นทางไปยังปลายทางผ่านเครือข่ายหลาย ๆ เครือข่ายด้วยกัน ความแตกต่างระหว่างชั้นสื่อสารดาต้าลิงก์และเน็ตเวิร์กก็คือ หน่วยข้อมูลบนชั้นสื่อสารเน็ตเวิร์กจะถูกแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ที่เรียกว่า แพ็กเก็ต (Packet) แต่ละแพ็กเก็ตจะถูกส่งไปยังปลายทาง ซึ่งระหว่างทางอาจมีเครือข่ายย่อยที่ลิงก์เชื่อมต่อมากมายรวมถึงการส่งข้ามเครือข่ายต่างชนิดกัน ในขณะที่ชั้นสื่อสารดาต้าลิงก์จะมีหน่วยข้อมูลในรูปแบบของเฟรม ที่จัดส่งไปยังโหนดปลายทางภายในลิงก์เดียวกันเท่านั้น
4.      ชั้นสื่อสารทรานสปอร์ต (Transport Layer) ชั้นสื่อสารทรานสปอร์ตจะทำหน้าที่ส่งมอบข้อมูลในลักษณะ Process-to-Process คำว่าโพรเซสในที่นี้ก็คือโปรแกรมประยุกต์ใด ๆ ที่รันอยู่บนเครื่องโฮสต์ ดังนั้นหากมีโปรแกรมรันอนู่บนเครื่องโฮสต์หลาย ๆ โปรแกรม นั่นหมายถึงมีหลายโปรเซสรันอยู่ในขณะนั้น โดยการส่งข้อมูลแบบ Source-to-Destination บนชั้นส่อสารเน็ตเวิร์กซึ่งปกติจะรับส่งข้อมูลเพียงโพรเซสเดียว คงไม่สามารถรองรับการส่งมอบข้อมูลหลาย ๆ โพรเซสนี้ได้ ดังนั้นชั้นสื่อสารทรานสปอร์ตจึงต้องรับหน้าที่ในการส่งมอบข้อมูลระหว่างโพรเซสจากต้นทางไปยังปลายทางได้อย่างถูกต้อง
5.      ชั้นสื่อสารเซสชัน (Session Layer) การบริการบน 3 ชั้นสื่อสารแรก (ฟิสิคัล ดาต้าลิงก์ และเน็ตเวิร์ก) อาจไม่เพียงพอสำหรับบางโพรเซส ดังนั้นชั้นสื่อสารเซสชันขึ้นไปจึงทำหน้าที่บริการและอำนวยความสะดวกแก่ผู้ใช้
ชั้นสื่อสารเซสชันมีหน้าที่ควบคุมการสื่อสาร การจัดการแลกเปลี่ยนข่าวสารที่เกิดขึ้นระหว่างโฮสต์ โดยการสื่อสารที่กำลังดำเนินการอยู่ ณ ขณะใดขณะหนึ่งจะเรียกว่า เซสชัน ทั้งนี้หลาย ๆ เซสชันที่เกิดขึ้นอาจเกิดจากการทำงานของคนเพียงคนเดียวหรือหลายคนก็ได้ ตัวอย่างเช่น การล็อกอินแบบระยะไกลของเทอร์มินับเพื่อเข้าใช้บริการบนเครื่องโฮสต์ในแต่ละครั้ง ก็ถือเป็นเซสชั่นหนึ่งที่ประกอบด้วยขั้นตอนดังนี้
การล็อกอิน > การกรอกรหัสผ่าน > การใช้โฮสต์ > การออกจากระบบ
หรือเซสชั่นของการสนทนาที่ประกอบด้วยขั้นตอน
การเริ่มสนทนา > การสนทนาเพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูล > การจบการสนทนา
โดยหลังจากที่ได้สร้างเซสชันเรียบร้อยแล้ว การรับส่งข้อมูลก็จะเป็นหน้าที่ของชั้นสื่อสารทรานสปอร์ต
6.      ชั้นสื่อสารพรีเซสเตชัน (Presentation Layer) เป็นชั้นสื่อสารที่นำเสนอเกี่ยวกับการแปลงข้อมูลให้มีรูปแบบและความหมายเดียวกัน กล่าวคือระบบคอมพิวเตอร์แต่ละระดับ อาจใช้รหัสแทนข้อมูลที่แตกต่างกันได้ เช่น บนพีซีคอมพิวเตอร์ก็จะใช้รหัส ACSII หรือ Unicode ในขณะที่เมนเฟรมคอมพิวเตอร์ก็จะใช้รหัส EBCDIC ดังนั้นด้วยหน้าที่รับผิดชอบของชั้นสื่อสารพรีเซนเตชั่น จะทำให้ทั้งสองระบบที่ถึงแม้จะใช้รหัสแทนข้อมูลที่แตกต่างกันสามารถนำเสนอข้อมูลได้อย่างเข้าใจทั้งสองฝ่าย โดยจะมีกระบวนการแปลงข้อมูล (Translation) ให้สามารถนำเสนอได้อย่างถูกต้อง กล่าวคือ ฝั่งส่งจะส่งข้อมูลอะไรไปก็ตาม ฝั่งรับก็จะได้รับข้อมูลตามนั้นด้วย
7.      ชั้นสื่อสารแอปพลิเคชัน (Application Layer) เป็นชั้นสื่อสารระดับประยุกต์ที่มุ่งเน้นการติดต่อกับผู้ใช้ ที่อนุญาตให้ผู้ใช้ซึ่งอาจเป็นบุคคลหรือซอฟต์แวร์สามารถเข้าถึงเครือข่ายได้ โดยจะมียูสเซอร์อินเทอร์เฟซเพื่อสนับสนุนงานบริการต่าง ๆ เช่น การส่งจดหมายอิเล็กทรอนิกส์ การติดต่อเครือข่ายแบบระยะไกลเพื่อเข้าถึงข้อมูลและถ่ายโอนข้อมูล การแชร์ฐานข้อมูลและการบริการอื่น ๆ เป็นต้น

 แบบจำลองอินเทอร์เน็ต (Internet Model)
แบบจำลองอินเทอร์เน็ต หรือชุดโพรโทคอล TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) ได้ถูกพัฒนาขึ้นมาก่อนแบบบจำลอง OSI ดังนั้น ชั้นสื่อสารของแบบจำลองอินเทอร์เน็ตจึงไม่ตรงกับแบบจำลอง OSI แต่ก็นับว่าเป็นความโชคดีที่แบบจำลองทั้งสองต่างก็มีหลักการทำงานที่คล้ายคลึงกันมาก
สำหรับต้นฉบับของแบบจำลองอินเทอร์เน็ต ประกอบด้วย 4 ชั้นสื่อสาร คือ

1. ชั้นสื่อสารโฮสต์ทูเน็ตเวิร์ก (Host-to-Network Layer)
2. ชั้นสื่อสารอินเทอร์เน็ต (Internet Layer)
3. ชั้นสื่อสารทรานสปอร์ต (Transport Layer)
4. ชั้นสื่อสารแอปพลิเคชั่น (Application Layer)

โดยที่ชั้นสื่อสารโฮสต์ทูเน็ตเวิร์กเป็นการรวบชั้นสื่อสารฟิสิคัลและดาต้าลิงก์เข้าด้วยกัน ชั้นสื่อสารอินเทอร์เน็ตก็คือชั้นสื่อสารเน็ตเวิร์ก และชั้นสื่อสารแอปพลิเคชั่นก็จะรวบชั้นสื่สารเซสชั่น พรีเซนเตชั่นและแอปพลิเคชั่นเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม หนังสือเล่มนี้จะอ้างอิงแบบจำลองอินเทอร์เน็ตที่ประกอบด้วย 5 ชั้นสื่อสารด้วยกันคือ ชั้นสื่อสารฟิสิคัล ดาต้าลิงก์ เน็ตเวิร์ก ทรานสปอร์ต และแอปพลิเคชั่น

สรุป
การบวนการสื่อสารที่เริ่มจากฝั่งส่ง ที่มีการเคลื่อนย้ายข้อมูลจากเลเยอร์หนึ่งไปยังเลเยอร์ถัดไปด้านล่างในรูปแบบ 7-6-5-4-3-2-1 ซึ่งแต่ละเลเยอร์จะเตรียมเฮดเดอร์เพื่อนำไปปะเพิ่มกับหน่วยข้อมูล เราเรียกกระบวนการนี้ว่า เอนแคปซูเลชัน (Encapsulation)
เมื่อสัญญาณถูกส่งผ่านลิงค์จะไปถึงจุดหมายปลายทาง หน่วยข้อมูลก็จะเคลื่อนย้ายย้อนกลับขึ้นไปตามลำดับ 1-2-3-4-5-6-7 จากนั้นแต่ละเลเยอร์ก็จะถอดเฮดเดอร์เฉพาะส่วนที่เป็นของตนออก เราเรียกกระบวนการนี้ว่า ดีแคปซูเลชัน (Decapsulation)

1. ชั้นสื่อสารฟิสิคัล (Physical Layer) มีหน้าที่เคลื่อนย้ายข้อมูลระดับบิตจากโหนดหนึ่งไปยังโหนดถัดไป
2. ชั้นสื่อสารดาต้าลิงก์ (Data Link Layer) มีหน้าที่เคลื่อนย้ายเฟรมจากโหนดหนึ่งไปยังโหนดถัดไป
3. ชั้นสื่อสารเน็ตเวิร์ก (Network Layer) มีหน้าที่ส่งมอบแพ็กเก็ตจากโฮสต์ต้นทางไปยังโฮสต์ปลายทาง
4. ชั้นสื่อสารทรานสปอร์ต (Transport Layer) มีหน้าที่ส่งมอบข่าวสารจากโพรเซสต้นทางไปยัง
   โพรเซสปลายทาง
5. ชั้นสื่อสารเซสชั่น (Session Layer) มีหน้าที่ควบคุมการสื่อสารและการซิงโครไนซ์
6. ชั้นสื่อสารพรีเซนเตชั่น (Presentation Layer) มีหน้าที่แปลงข้อมูล เข้ารหัสข้อมูล และบีบอัดข้อมูล
7. ชั้นสื่อสารแอปพลิเคชั่น (Application Layer) มีหน้าที่จัดการงานบริการให้แก่ผู้ใช้