Pomiń nawigację
Materiał edukacyjny · Informatyka

MODUŁ 02

Modele warstw: OSI i TCP/IP

PPrezentacja dla nauczyciela

Siedem warstw, cztery warstwy i jedno pytanie, które pada w co trzecim zadaniu: „w której warstwie to działa?". Odpowiedź prawie zawsze jest w nagłówku pakietu. Uwaga na częsty skrót myślowy: to nie adres IP zmienia się na każdym routerze — adres IP zwykle zostaje ten sam od nadawcy do odbiorcy (zmienia go dopiero NAT/PAT), adres MAC zmienia się na każdym łączu, a numer portu TCP/UDP wskazuje punkt komunikacji aplikacji.

Siedem warstw i co w nich jest

Model OSI rozdziela transport informacji na siedem niezależnych zadań. Każda warstwa robi jedną rzecz, korzysta z warstwy niżej i nie wie nic o warstwach wyżej.

Dzięki temu można wymienić kartę sieciową bez ruszania reszty programu — i tak właśnie powstało całe Internet: każda warstwa ma własnych producentów.

#WarstwaCo robiJednostka i adresCo w niej pracuje
7Aplikacjiusługa widziana przez człowieka: strona, plik, pocztadane; URL, nagłówek HTTPHTTP, HTTPS, DNS, DHCP, SSH, SMTP, przeglądarka, poczta
6Prezentacjipostać danych: szyfrowanie, kompresja, kodowanie znakówdane; brak własnego adresuTLS (szyfrowanie w HTTPS), ASCII, UTF-8, JPEG
5Sesjiotwiera, utrzymuje i kończy rozmowę między procesamidane sesji; identyfikator sesjinegocjacja TLS, NetBIOS, RPC
4Transportowadzieli strumień na kawałki i mówi, co zgubionesegment (TCP), datagram (UDP); port 0–65535TCP, UDP; na porcie 80 HTTP, 443 HTTPS, 53 DNS, 22 SSH
3Sieciowaadres logiczny i wybór drogipakiet; adres IP, maska, bramaIPv4, IPv6, ICMP (ping), router
2Łącza danychramka, adres fizyczny, kontrola dostępu do mediumramka; adres MAC — 48 bitówEthernet, Wi-Fi 802.11, PPP, ARP, switch, punkt dostępowy
1Fizycznabity jako sygnał na przewodziebity; brak adresukabel, RJ-45, światłowód, hub, wzmacniacz repeater
Jedno zdanie na warstwę. Fizyczna przenosi sygnał, łącza danych ramkuje go i mówi do kogo, sieciowa nadaje mu adres i trasę, transportowa dzieli dane na segmenty — TCP pilnuje potwierdzeń i kolejności, UDP nie, sesja zaczyna i kończy rozmowę, prezentacja nadaje temu postać i szyfruje, aplikacja pokazuje wynik człowiekowi.

Uwaga o ARP. ARP działa na granicy warstw 2 i 3: rozwiązuje adres IP na adres MAC. W modelu OSI przypisuje się go zwykle do warstwy łącza danych, a w TCP/IP do warstwy dostępu do sieci; w tabeli wyżej pokazujemy go też przy warstwie sieciowej, bo wiąże adresy IP z adresami MAC.

1. Ile bitów ma adres MAC karty sieciowej?
1. Ile bitów ma adres MAC karty sieciowej?
2. Za co odpowiada warstwa sesji w modelu OSI?
2. Za co odpowiada warstwa sesji w modelu OSI?
3. Jaką rolę odgrywają porty w warstwie transportowej?
3. Jaką rolę odgrywają porty w warstwie transportowej?

Co dokładnie jest zapakowane w co

Podróż w dół stosu to dokładanie kolejnych nagłówków. Dane z aplikacji dostają nagłówek warstwy transportowej i stają się segmentem; segment dostaje nagłówek warstwy sieciowej i staje się pakietem; pakiet dostaje nagłówek i stopkę warstwy łącza danych i staje się ramką; ramka zamienia się w bity.

W drodze powrotnej nagłówki są ścinane w tej samej kolejności.

Ramka jest jedyną jednostką, która ma stopkę — pole CRC do wykrycia błędów. Dlatego kabel, na którym bit się zepsuje, psuje całą ramkę, ale nie psuje reszty pakietu: odbiorca wykrywa błąd polem FCS/CRC i zwykle odrzuca uszkodzoną ramkę.

Ethernet nie gwarantuje automatycznej retransmisji — ponowienia może podjąć się wyższa warstwa (np. TCP, gdy nie doczeka potwierdzenia).

4. Segment po dodaniu nagłówka warstwy sieciowej staje się:
4. Segment po dodaniu nagłówka warstwy sieciowej staje się:
5. Co dzieje się z ramką, gdy pojedynczy bit na kablu się zepsuje?
5. Co dzieje się z ramką, gdy pojedynczy bit na kablu się zepsuje?
6. Który protokół może ponowić transmisję, gdy ramka nie dotrze do celu?
6. Który protokół może ponowić transmisję, gdy ramka nie dotrze do celu?

Model TCP/IP i jego mapowanie na OSI

Model OSI powstał jako podręcznikowa lista zadań i ma siedem warstw. Internet zbudowano według prostszej, czterowarstwowej architektury, opisanej w dokumencie RFC 1122.

Dziś mówi się o nim jako o „warstwach TCP/IP”, choć w wielu książkach rysuje się pięć — z warstwą fizyczną odłączoną od warstwy łącza.

Warstwa TCP/IPWarstwy OSIJednostkaPrzykłady
Aplikacji7 + 6 + 5daneHTTP, DNS, DHCP, SSH, TLS
Transportu4segment, datagramTCP, UDP
Internetu3pakietIPv4, IPv6, ICMP
Dostępu do sieci2 + 1ramka, bityEthernet, Wi-Fi, PPP, ARP

W praktyce konfiguracyjnej TCP/IP jest wygodniejszy, bo tam naprawdę pracujemy: ustawiamy adres IP (internet), maskę i bramę, projektujemy podsieci (internet), a kablami i portami zajmuje się reszta sieci (dostęp do sieci). Warstwy 5, 6 i 7 osobno rozbiera się wtedy, gdy awaria dotyczy aplikacji — na przykład „HTTP działa, HTTPS nie”.

7. W jakim dokumencie opisano czterowarstwową architekturę TCP/IP?
7. W jakim dokumencie opisano czterowarstwową architekturę TCP/IP?
8. W której warstwie modelu TCP/IP działają protokoły IPv4, IPv6 i ICMP?
8. W której warstwie modelu TCP/IP działają protokoły IPv4, IPv6 i ICMP?
9. Która awaria wymaga osobnego rozbierania warstw 5, 6 i 7?
9. Która awaria wymaga osobnego rozbierania warstw 5, 6 i 7?

Urządzenia i adresy w każdej warstwie

Najprostszy test: jeśli urządzenie „widzi” adresy MAC, działa w warstwie łącza danych; jeśli widzi adresy IP — w sieciowej; jeśli widzi porty i nazwy usług — w warstwie transportowej i wyżej.

Kable na rysunku to warstwa 1 — jeśli tester nie pokazuje linku, dalsze sprawdzanie adresów nie ma sensu. Zauważ też, że warstwa transportowa nie ma typowego urządzenia: pracują w niej komputery, routery i zapory, ale żaden z nich nie jest „transportem”.

10. Które urządzenia pracują w warstwie łącza danych?
10. Które urządzenia pracują w warstwie łącza danych?
11. Której warstwie modelu OSI nie przypisano typowego urządzenia?
11. Której warstwie modelu OSI nie przypisano typowego urządzenia?
12. Co wyróżnia router wśród urządzeń sieciowych?
12. Co wyróżnia router wśród urządzeń sieciowych?

Czym sprawdzisz daną warstwę

WarstwaNarzędzieCo ci powie
1 — fizycznatester kabla, diody portuczy sygnał w ogóle dochodzi; wynik „brak linku” kończy diagnostykę
2 — łącza danychtablica MAC/CAM, diody portu, Wiresharkczy ramka trafiła do właściwego portu, czy nie ma kolizji
3 — sieciowaping, tracert / traceroute, arp -aczy adres docelowy odpowiada, gdzie ruch się gubi, jakie IP ma adres MAC w pamięci ARP
4 — transportowatelnet na porcie, netstatczy usługa nasłuchuje na tym porcie i czy jest osiągalna z zewnątrz
7 — aplikacjinslookup, przeglądarka, curlczy DNS zamienia nazwę na adres i czy sama usługa odpowiada
Na egzaminie. Pytanie „w której warstwie działa X” prawie zawsze chce jednej z trzech: MAC → 2 (łącza danych), IP i trasowanie → 3 (sieciowa), HTTP i DNS → 7 (aplikacji). Wyjątki, które warto znać: ARP bywa zadaniem jako „warstwa 3” (bo mapuje adresy IP na MAC), choć formalnie działa na pograniczu 2 i 3; szyfrowanie w HTTPS przypisuje się warstwie 6 (prezentacji), a sam protokół — warstwie 7; Wi-Fi działa na warstwach 1 i 2, więc punkt dostępowy to urządzenie warstwy 2 mimo anteny.
13. Za pomocą czego sprawdzisz warstwę sieciową?
13. Za pomocą czego sprawdzisz warstwę sieciową?
14. Co pokaże polecenie arp -a?
14. Co pokaże polecenie arp -a?
15. Które urządzenie pracuje w warstwie 2, choć ma antenę?
15. Które urządzenie pracuje w warstwie 2, choć ma antenę?

Jak to wygląda na jednym zdarzeniu

Otwierasz stronę przez adres 192.168.10.20. Przeglądarka (7) prosi o połączenie z serwerem.

TCP (4) wybiera port 443 i otwiera sesję (5), a TLS (6) negocjuje klucz szyfrowania — dopiero teraz powstaje szyfrowany strumień danych. Warstwa transportowa dokleja numer portu, warstwa sieciowa dokleja adres IP i adres zwrotny, warstwa łącza danych dokleja adresy MAC komputera i przełącznika oraz sumę kontrolną. Warstwa fizyczna zamienia całość na bity i ładuje na kabel.

W drugą stronę wykonuje się dokładnie to samo w odwrotnej kolejności. Router pomiędzy sieciami nie przenosi ze sobą adresów MAC — odbiera ramkę, zdejmuje jej nagłówek, podejmuje decyzję o trasie na podstawie adresu IP i pakiet wkłada w nową ramkę z adresami MAC swoich sąsiadów.

Dlatego śledzenie pakietu Wiresharkiem pokazuje przy każdym hopie inny adres MAC i ten sam adres IP.

Adresy w ramce zależą więc od tego, gdzie akurat patrzymy. Ten sam pakiet ma dziesiąć różnych adresów MAC po drodze i jeden adres IP — dlatego kwestia „jaki jest adres MAC pakietu” nie ma odpowiedzi bez podania punktu obserwacji.

16. Który port wybiera TCP przy otwieraniu strony przez HTTPS?
16. Który port wybiera TCP przy otwieraniu strony przez HTTPS?
17. Co pokazuje śledzenie pakietu Wiresharkiem przy każdym hopie?
17. Co pokazuje śledzenie pakietu Wiresharkiem przy każdym hopie?
18. Co router robi z adresami MAC przechodzącego pakietu?
18. Co router robi z adresami MAC przechodzącego pakietu?

Jednostki danych PDU w kolejnych warstwach

Każda warstwa modelu ISO/OSI opakowuje dane i nadaje im własną nazwę — to właśnie PDU (Protocol Data Unit, jednostka danych protokołu). Warto zapamiętać ten podział, bo pytania egzaminacyjne często pytają o nazwę jednostki w konkretnej warstwie:

WarstwaNazwa PDU
1 — fizycznabity (strumień bitów)
2 — łącza danychramka (frame)
3 — sieciowapakiet (packet)
4 — transportowasegment (TCP) lub datagram (UDP)
5–7 — sesji, prezentacji, aplikacjidane (data)

Ramka warstwy łącza danych kończy się polem kontrolnym FCS (wykorzystującym CRC), po którym odbiorca sprawdza, czy transmisja nie zniekształciła danych.

19. Które zestawienie warstwy i nazwy PDU jest poprawne?
19. Które zestawienie warstwy i nazwy PDU jest poprawne?
20. Jak nazywają się jednostki PDU warstwy transportowej w TCP i UDP?
20. Jak nazywają się jednostki PDU warstwy transportowej w TCP i UDP?
21. Czym kończy się ramka warstwy łącza danych?
21. Czym kończy się ramka warstwy łącza danych?

Pola nagłówka IP: TTL i protokoły pomocnicze

Pakiet warstwy sieciowej (IP) niesie w nagłówku pole TTL (Time to Live) — licznik przeskoków. Każdy router odejmuje od niego jeden; gdy spadnie do zera, pakiet jest odrzucany.

Dzięki temu pakiety, które nie mogą dotrzeć do celu (np. przez pętlę routingu), nie krążą w sieci bez końca.

Adres IP nie wystarcza, żeby wysłać ramkę — trzeba znać adres fizyczny karty w tej samej sieci. Tłumaczy go ARP (Address Resolution Protocol): pyta rozgłoszeniowo „kto ma adres IP x?”, a właściciel odpowiada swoim adresem MAC.

Z kolei nazwy zamienia na adresy DNS, a komunikaty o błędach i diagnostykę (np. odpowiedzi na ping) przenosi ICMP.

22. Co robi każdy router z polem TTL pakietu?
22. Co robi każdy router z polem TTL pakietu?
23. Jak działa ARP?
23. Jak działa ARP?
24. Który protokół przenosi komunikaty o błędach i odpowiedzi na ping?
24. Który protokół przenosi komunikaty o błędach i odpowiedzi na ping?

Warstwa prezentacji: format, kompresja, szyfrowanie

Warstwa 6 modelu ISO/OSI (prezentacji) zajmuje się tym, żeby dane wysłane przez jedną aplikację były zrozumiałe dla drugiej — niezależnie od tego, jak zapisuje je system. Trzy jej zadania najczęściej pojawiają się w pytaniach:

  • kodowanie i konwersja formatów — uzgodnienie sposobu zapisu znaków (np. UTF-8), liczb i obrazów między systemami;
  • kompresja — zmniejszenie ilości przesyłanych danych (np. gzip);
  • szyfrowanie — ochrona treści, którą zajmuje się TLS (nowsza wersja protokołu SSL). To on odpowiada za „kłódkę” przy adresie HTTPS: przeglądarka i serwer uzgadniają klucz sesji, a dane wędrują zaszyfrowane.

Warto odróżnić dwie rzeczy: HTTPS to HTTP przesyłany przez TLS, a SSH to osobny protokół zdalnego dostępu, który szyfruje całą sesję terminala.

25. Które zadania należą do warstwy prezentacji?
25. Które zadania należą do warstwy prezentacji?
26. Jaką rolę odgrywają TLS i gzip w warstwie prezentacji?
26. Jaką rolę odgrywają TLS i gzip w warstwie prezentacji?
27. Czym różni się HTTPS od SSH?
27. Czym różni się HTTPS od SSH?