نموذج OSI في الشبكات 

نموذج Open Systems Interconnection – OSI:

هو نموذج مرجعي للشبكات يستخدم لفهم وتصنيف وتوصيف مكونات الشبكات الحاسوبية ،تم تطويره بواسطة المنظمة الدولية للمعايير (ISO) لتوفير إطار عام للتفاهم والتواصل بين أنظمة الشبكات المختلفة، أي باختصار يمكننا القول أن OSI Model هو عبارة عن تقسيم شبكة الحاسوب لطبقات وهمية (Layers) بحيث يكون لكل طبقة مزايا ووظائف خاصة بها ومختلفة عن الطبقات الأخرى هذه الطبقات وهمية وغير مرئية و وجدت تسهيلاً لفهم الشبكات ولتسهيل تطوير وتحديث شبكات الحاسوب لتصبح قادرة على قبول أي تحديث مستقبلي دون الحاجة لتغيير الشبكة بشكل كامل .

طبقات OSI Model:

1. الطبقة الأولى الطبقة الفيزيائية “Physical Layer”:

هذه الطبقة وظيفتها ربط الجهاز بالوسط الناقل (Transmission media) سواء كان هذا الوسط الناقل سواء كان من الألياف الضوئية Optical Fiber أو كوابل UTP أو حتى إن كان الفراغ هو الناقل، هذه الطبقة مهمتها الأساسية تحويل المعلومات المراد إرسالها (Transmitted Data) إلى إشارات سواء كانت هذه الإشارات ضوئية أو كهربائية أو لاسلكية تناسب الوسط الناقل لها، كما أن شكل الإشارة (Digital Encoding) يجب أن تناسب نوع الوسط الناقل لها والعكس صحيح.

2. الطبقة الثانية طبقة ربط البيانات “Data Link”:

هذه الطبقة تقوم بإعطاء العنوان المادي (الفيزيائي) للجهاز المرتبط على الشبكة وهذا العنوان يتميز بأنه ثابت لا يتغير بتغير مكان الجهاز على الشبكة تماماً مثل الرقم التسلسلي للهاتف المحمول الذي يبقى ثابتاً بغض النظر عن شبكة الخلوي الذي يعمل عليها هذا الجهاز ،وتقوم أيضاً هذه الطبقة بفحص المعلومات المستقبلة والتأكد من خلوها من الأخطاء وهذا ما يسمى Cyclic Redundancy check-CRC ، كما أنها تقوم أيضاً بمهمة وضع ألية للسيطرة والتحكم باستخدام الشبكة من قبل الأطراف “المستخدمين” وهذا ما يسمى بالإنكليزية “Media Access Control” .

3. الطبقة الثالثة طبقة الشبكة “Network Layer “: 

هذه الطبقة تهتم بمفاهيم التوجيه وإعادة التوجيه والعناوين عبر شبكة متفرقة أو شبكات متعددة متصلة من العقد والأجهزة فلذلك مهمتها اختيار أفضل طريق للبيانات المرسلة لكي تسلكه حتى تصل للمكان المقصود بأفضل وأقصر طريق، كما تقوم هذه الطبقة بتحديد العنوان المنطقي”Logical Address” للأجهزة على الشبكة، يمكن تشبيه العنوان المنطقي برقم الهاتف المحمول وهذا الرقم يتغير بحسب الشبكة التي يعمل عليها.

ويمكن أيضاً لهذه الطبقة إدارة التحكم في التدفق عبر الانترنت حيث يتم استخدام بروتوكول الانترنت IPV4 ,IPV6 كبروتوكولات طبقة الشبكة الرئيسية. كما يستخدم بروتوكول TCP في نقل ال Segment عن طريق عملية تسمى 3Way hand chick وبعدها يتم إتمام الاتصال (Connection established) 

4. الطبقة الرابعة طبقة النقل “Transmission Layer”:

هذه الطبقة مهمتها إدارة عملية نقل البيانات بين المضيفين “المرسل والمستقبل” وتوفير آليات للتحكم في التسلسل وإعادة التجميع فهي تقوم بترتيب الطرود المستلمة بشكل صحيح بغض النظر عن الترتيب الذي وصلت به كما أنها تقوم بالتحكم في التدفق بالإضافة لكشف وتصحيح الأخطاء. 

تقوم بروتوكولات طبقة النقل بتقسيم المعطيات القادمة إليها على قطع أصغر تسمي “Segments ” قبل تسليمها للطبقة التالية.

وهناك نوعين من البروتوكولات التي تعمل في هذه الطبقة لإدارة عمليات النقل هما:

1. بروتوكول TCP: هو اختصار ل “Transmission Control Protocol” هذا البروتوكول يقوم بضبط عملية نقل المعلومات حيث يتم الاتفاق بين الطرفين على حجم الإرساليات خلال عملية نقل البيانات “Window Size” وكذلك أيضاً يستخدم مبدأ إعادة الإرسال في حال وجود أي خطأ في المعلومات المستلمة، بالإضافة إلى أن بروتوكول TCP يقوم بتهيئة الاتصال قبل نقل البيانات (Connection-Oriented) وبالتالي فإن هذا البروتوكول يؤمن حماية البيانات عند نقلها وضمان وصولها بترتيبها الصحيح.
2. بروتوكول UDP: هو اختصار ل “User Datagram Protocol” وهذا البروتوكول على عكس بروتوكول TCP حيث أنه لا يقوم باستخدام أية وسيلة لضبط عملية نقل البيانات كما أنه لا يقوم بتهيئة الاتصال قبل عملية النقل (Connection Less) وبالتالي فإنه أسرع من ال TCP   لكنه أقل أماناً فهو مفيد في حالة نقل الوسائط والرسائل والمحادثات الصوتية مثلاً.

إذاً فإن في طبقة النقل يتم تحديد آلية إرسال البيانات إن كانت TCP أو كانت UDP، كما أن هذه الطبقة تقوم بإعطاء أرقام المنافذ Port Number لكل من المعلومات المرسلة والمستقبلة.

5. الطبقة الخامسة طبقة الجلسة “Session Layer”:

هذه الطبقة مهمتها الأساسية هي إنشاء وإنهاء وإدارة ومراقبة جلسات الاتصال “Session” بين تطبيقات المستخدم النهائية، حيث تعرف جلسة الاتصال بأنها مجموعة الطلبات والإجابات التي يتم إرسالها بين التطبيقات فمثلاً عند كتابة العنوان (www.yahoo.com) في برنامج المتصفح فإن الموقع لا يفتح إلا بعد أن تضغط على كلمة “Go” أو تدخل “Enter” فهنا تقوم طبقة “Session Layer” بفتح جلسة “Session” مع الموقع فهنا “Yahoo” مثلاً يقوم بمراقبة الجلسة أو إغلاقها بحسب ما يتطلب الأمر.

ومن البروتوكولات التي تعمل في هذه الطبقة البروتوكولات NFS, SMB وأيضاً البروتوكولين ISO8327 وX.225 اللذان يقومان بإعادة إنشاء اتصال في حال انقطاعه كما يقوم بقطع الاتصال وإعادة الاتصال إذا لم تستخدم الجلسة لفترة معينة .وتشمل مهام طبقة الجلسة ما يلي:

1. إنشاء الجلسات وإنهائها: حيث تقوم طبقة الجلسة بإنشاء جلسة بين العميل والخادم وتنهيها عند الانتهاء من التواصل. تتضمن هذه العملية تعيين معرفة الجلسة وإعداد البيانات اللازمة للتواصل. 
2. إدارة التزامن والتوازن: تتحكم طبقة الجلسة في تنظيم تسلسل تبادل البيانات وضمان توازن الحمولة بين الأجهزة المتصلة.
3. التحكم في الوصول والمصادقة: توفر طبقة الجلسة آليات للتحقق من هوية المستخدمين والتحكم في صلاحيات الوصول إلى الموارد والخدمات في الشبكة.
4. إدارة الأخطاء والتعديل: تعمل طبقة الجلسة على رصد الأخطاء في التواصل وإدارتها وتوفير آليات لإعادة التواصل في حالة حدوث أخطاء أو فشل في الاتصال.

أي باختصار تعتبر طبقة الجلسة مهمة في توفير تجربة تواصل سلسة وآمنة بين الأجهزة في الشبكة. تدير وتنظم الجلسات وتسهم في تأمين الاتصال والتحقق من الهوية والتحكم في الوصول للموارد.

6. الطبقة السادسة طبقة التهيئة “Presentation Layer”:

هذه الطبقة تعمل كالمترجم بين عدة لغات وبالتالي فهي قادرة على تحديد نوع المعلومات المستقبلة والمرسلة (text, flash, wave, pdf…etc) وكذلك تحديد البرنامج الذي يقوم بالتعامل مع كل نوع على حدة فكثيراً ما يقوم برنامج التصفح بفتح التطبيق أو البرنامج الذي يناسب نوع المعلومات تلقائياً فمثلاً يقوم بتشغيل (acrobat reader) داخل (internet explorer) لكي يقوم بعرض المعلومات المستقبلة من نوع pdf  

ولكي تقوم هذه الطبقة بهذه المهام يمكن أن تقوم ببعض العمليات منها:

1. ضغط وفك الضغط: تقوم بضغط البيانات لتقليل حجمها وتوفير عرض النطاق الترددي. 
2. تشفير وفك التشفير: تقوم بتشفير البيانات المرسلة لضمان سرية وأمان البيانات أثناء النقل.
3. تحويل صيغ المعطيات المرسلة والمستقبلة كتحويل البيانات النصية المرسلة إلى صيغة قياسية مثل صيغة ASCII.
4. تنسيق البيانات: تقوم بتحويل بنية البيانات من تنسيقها الداخلي إلى تنسيق يمكن فهمه وقراءته بواسطة التطبيقات المستخدمة.
5. تحويل العرض: تقوم بترجمة بيانات معينة من تنسيق لآخر مثل تحويل بيانات نصية إلى بيانات صوتية أو رسومات.

باختصار طبقة التهيئة تتعامل مع تنسيق وتحويل البيانات المرسلة عبر الشبكة بحيث تكون قابلة للقراءة وفهمها من قبل التطبيقات المستخدمة. وتعتبر هذه الطبقة مهمة في ضمان توافق وتفاهم البيانات بين أنظمة الشبكة المختلفة. 

7. الطبقة السابعة طبقة التطبيق “Application Layer”:

هذه الطبقة تشكل الواجهة الأساسية التي يتعامل معها برامج المستخدم كمتصفح الويب وغيرها. حيث تعتمد تطبيقات المستخدم النهائية على البروتوكولات في طبقة التطبيقات لأداء وظيفة شبكية معينة.

من البروتوكولات التي تعمل في طبقة التطبيق:

1. بروتوكولات نقل النص الفائق HTTP وهي اختصاراً ل 

(Hypertext Transfer Protocol) وهو يؤمن تصفح صفحات الويب عن طريق تأمين تناقل المعطيات بين مخدم الويب ومتصفح الويب.

2. بروتوكول توزيع IP الأوتوماتيكي DHCP: هو اختصاراً ل (Dynamic Host Configuration Protocol) وهو يؤمن توزيع عناوين الشبكة IP Address للأجهزة أوتوماتيكياً. 
3. بروتوكول نقل الملفات FTP: هو اختصاراً ل (File Transfer Protocol) يؤمن تناقل الملفات بين الأجهزة عبر الشبكة.
4. بروتوكول نقل الملفات صغيرة الحجم (TFTP).
5. بروتوكول إرسال البريد البسيط SMTP: هو اختصاراً ل (Simple Mail Transfer Protocol) وهو يؤمن إرسال البريد الالكتروني عبر الشبكة.
6. بروتوكول الوصول إلى قواعد البيانات (Data Access Protocol): يسمح هذا البروتوكول بالاتصال والتواصل مع قواعد البيانات عبر الشبكة، مثل بروتوكول SQL. 
7. بروتوكول الأدلة (Directory Services Protocol): يستخدم للبحث والوصول إلى معلومات الدليل والمستخدمين والخدمات في الشبكة، مثل بروتوكول LDAP.
8. بروتوكولات DNS وSNMP وغيرها الكثير من البروتوكولات …. الخ.

إن تطبيقات المستخدم النهائية لا تعمل ضمن طبقة التطبيقات فمتصفح الويب مثلاً ليس من طبقة التطبيقات ولكنه يستخدم البروتوكول HTTP من طبقة التطبيقات للتخاطب مع مخدم الويب. وتهدف طبقة التطبيق إلى توفير واجهة سهلة الاستخدام للتطبيقات وتسهيل التواصل وتبادل البيانات عبر الشبكة.  

نموذج OSI
الطبقة	تمثيل البيانات	المهام
7: طبقة التطبيقاتApplication Layer	بيانات Data	التعامل مع البرمجيات الأخرى
6: طبقة التهيئة Presentation Layer	بيانات Data	تهيئة البيانات وترميزها وتشفيرها و….. الخ
5: طبقة الجلسةSession Layer	بيانات Data	الاتصال بين الحواسيب
4: طبقة النقلTransmission Layer	قطع Segments	الاتصال والربط ونقل البيانات من طرف لآخر.
3: طبقة الشبكةNetwork Layer	حزم Packets	تحديد مسلك الاتصال والعنونة المحلية.
2: طبقة ربط البيانات Datalink Layer	إطارات Frames	العنونة الفيزيائية.
1: الطبقة الفيزيائيةPhysical Layer	بتات Bits	واسطة النقل، البيانات

عمل طبقات OSI:

تضم كل طبقة مجموعة من الوظائف المتشابهة التي توفر خدمات للطبقة الأعلى وتستقبل أخرى من الطبقة الأدنى. تسمى مجموعة الوظائف هذه وحدة وظيفية (Instance). على سبيل المثال تقوم الوحدة الوظيفية للطبقة المسؤولة عن الاتصال الشبكي بتوفير مسار النقل للطبقة الأعلى، بينما تطلب من الوحدة الوظيفية للطبقة الأدنى إرسال واستقبال حزم المعلومات (Packets) التي تمثل المحتوى الذي سيتم نقله عبر هذا المسار. هذه الوحدات الوظيفية تعمل بقواعد محددة، تنظم طرق معالجة المعلومات المتبادلة بين هذه الوحدات وهذه القواعد يتم تحديدها في بروتوكول معين.

عند نقل معطيات من حاسب لآخر عبر اتصال شبكي تنتقل المعطيات من طبقة التطبيقات في الحاسب المرسل نزولاً عبر الطبقات إلى الطبقة المادية ثم إلى الوسط المادي لتصل إلى الطبقة المادية من الحاسب المستقبل صعوداً عبر الطبقات إلى الطبقة السابعة ومنها إلى تطبيقات المستخدم 

تقوم كل طبقة بتغليف المعطيات القادمة إليها من الطبقة الأعلى منها بمعلومات تحكم خاصة بها دون أن تعدل على المعطيات. وتوضع هذه المعلومات ضمن بادئة Header ولاحقة Trailer تلحق بالمعطيات.

عند المستقبل تنعكس العملية حيث تقوم كل طبقة بفك تغليف المعطيات المستقبلة للحصول على معلومات التحكم الخاصة بها، ومن ثم تحليل هذه المعلومات للقيام بالعمليات اللازمة ومن ثم تمرير المعطيات إلى الطبقة الأعلى.

وبهذا تكون المعطيات الخارجة من كل طبقة هي عبارة عن المعطيات القادمة من الطبقة الأعلى مغلفة ببادئة ولاحقة تحوي معلومات التحكم.

بالنتيجة تتعامل كل طبقة من الطبقات السبعة مع ثلاث طبقات فهي تقدم مجموعة من الخدمات للطبقة التي فوقها وتستفيد من الخدمات المقدمة من الطبقة التي تحتها وترسل معلومات تحكم للطبقة المقابلة لها في الطرف الثاني من الاتصال.

أهمية نموذج OSI: 

تتعدد فوائد نموذج OSI، وندرج بعضها فيما يلي:

1. فهم مشترك للأنظمة المعقدة: حيث يمكن للمهندسين استخدام نموذج OSI لتنظيم هياكل الأنظمة الشبكية المعقدة ونمذجتها، ويمكنهم أيضاً فصل طبقة التشغيل لكل من مكونات النظام وفقاً لوظائفه الرئيسية. إذ أن لهذا النموذج القدرة على تقسيم النظام إلى أجزاء أصغر يمكن التحكم فيها عن طريق التجريد، ما يسهل على الأشخاص تصوَره ككل.
2. البحث والتطوير بوتيرة أسرع: باستخدام نموذج OSI المرجعي، يتمكن المهندسون من فهم عملهم بشكل أفضل. فهو يتيح لهم معرفة الطبقة (الطبقات) التكنولوجية التي ستندرج فيها التقنيات التي يطورونها عند إنشاء أنظمة شبكية جديدة تحتاج إلى التواصل مع بعضها البعض. فالمهندسون قادرون على تطوير الأنظمة الشبكية والاستفادة من سلسلة من العمليات والبروتوكولات القابلة للتكرار.
3. توحيد مرن: لا يحدد نموذج OSI البروتوكولات التي سيتم استخدامها بين المستويات، بل المهام التي تنجزها البروتوكولات. وهو يعمل على توحيد تطوير اتصالات الشبكة، ما يتيح للأشخاص فهم الأنظمة المعقدة للغاية وتطويرها وتفكيكها بسرعة، بدون الحاجة إلى أي معرفة مسبقة بالنظام. كما أنه يلخص التفاصيل، فيغني المهندسين عن الحاجة إلى فهم كل جانب من جوانب النموذج. في التطبيقات الحديثة يتم إخفاء تفاصيل المستويات الأدنى من الشبكات والبروتوكولات بهدف تبسيط تصميم النظام وتطويره. 

بدائل نموذج OSI:

تم استخدام العديد من نماذج الشبكات في الماضي، مثل تبادل الحزم المتسلسلة/ تبادل حزم الانترنت (SPX/IPX) ونظام الإدخال والإخراج الأساسي للشبكة (NetBIOS). أما اليوم، فإن البديل الرئيسي لنموذج الاتصال المتبادل للأنظمة المفتوحة (OSI) هو نموذج TCP/IP. 

يتكون نموذج TCP/IP من خمس طبقات فقط هي:

1. الطبقة الفيزيائية (المادية).
2. طبقة ارتباط البيانات.
3. طبقة الشبكة.
4. طبقة النقل.
5. طبقة التطبيق.

في نموذج OSI تبدو الطبقات مثل الطبقة المادية وطبقة الشبكة وطبقة التطبيق وكأنها ترتبط مباشرةً بينما في نموذج TCP/IP يقوم هذا النموذج بتعيين بنية وبروتوكولات الانترنت بدقة أكبر.

يظل نموذج OSI نموذجاً شائعاً للشبكات لوصف كيفية عمل الشبكة من منظور شامل للأغراض التعليمية. ومع ذلك، أصبح نموذج TCP/IP الآن أكثر شيوعاً في الممارسة العملية.

يعد كل من طرازي OSI وTCP/IP معايير مفتوحة. لقد تم تصميمها بحيث يمكن لأي شخص استخدامها، أو مواصلة تطويرها لتلبية متطلبات محددة.

تقوم المؤسسات أيضاً بتصميم معاييرها الداخلية الخاصة، بما في ذلك البروتوكولات والنماذج، وهي مغلقة المصدر وتستخدم فقط داخل أنظمتها. قد يقومون لاحقاً بنشرها للجمهور من أجل التشغيل البيني والمزيد من تطوير المجتمع. ومن الأمثلة على ذلك s2n-tls، وهو بروتوكول TLS كان في الأصل بروتوكول Amazon Web Services – AWS الخاص ولكنه الآن مفتوح المصدر.

المراجع:

1. موقع e3arabi
2. موقع أمازون amazon.
3. موقع momar.tech.