Camadas do modelo OSI: um guia de introdução

O modelo Open System Interconnect (OSI) funciona como um guia para desenvolvedores e fornecedores criarem soluções de software seguras e interoperáveis.

Este modelo descreve as complexidades de como os dados fluem em uma rede, protocolos de comunicação como TCP e diferenças entre ferramentas e tecnologias.

Embora muitos argumentem sobre a relevância das camadas do modelo OSI, ela de fato é relevante, especialmente na era da segurança cibernética.

Conhecer as camadas do modelo OSI o ajudará a avaliar as vulnerabilidades técnicas e os riscos associados a aplicativos e sistemas. Também pode ajudar as equipes a identificar e distinguir a localização e o acesso físico dos dados e definir sua política de segurança.

Neste artigo, aprofundaremos as camadas do modelo OSI e exploraremos sua importância para usuários e empresas.

O que é o modelo de interconexão de sistema aberto (OSI)?

O modelo Open System Interconnect (OSI) é um modelo de referência que consiste em sete camadas usadas por sistemas de computador e aplicativos para se comunicar com outros sistemas em uma rede.

O modelo divide os processos, padrões e protocolos de transmissão de dados em sete camadas, onde cada uma delas executa algumas tarefas específicas relacionadas ao envio e recebimento de dados.

Camadas do modelo OSI

O modelo OSI foi desenvolvido pela International Organization for Standardization (ISO) em 1984 e é a primeira referência padrão para estabelecer como os sistemas devem se comunicar em uma rede. Este modelo foi adotado por todas as principais empresas de telecomunicações e informática.

O modelo representa um design visual onde as sete camadas são colocadas umas sobre as outras. Na arquitetura do modelo OSI, a camada inferior atende à camada superior. Assim, quando os usuários interagem, os dados fluem por essas camadas pela rede, começando no dispositivo de origem e depois subindo pelas camadas para alcançar o dispositivo receptor.

O modelo OSI inclui várias aplicações, hardware de rede, protocolos, sistemas operacionais, etc., para permitir que os sistemas transmitam sinais através de meios físicos como fibra óptica, cobre de par trançado, Wi-Fi, etc., em uma rede.

Essa estrutura conceitual pode ajudá-lo a entender os relacionamentos entre sistemas e tem como objetivo orientar desenvolvedores e fornecedores na criação de aplicativos e produtos de software interoperáveis. Além disso, promove uma estrutura que descreve o funcionamento dos sistemas de telecomunicações e redes em uso.

Por que você precisa conhecer o modelo OSI?

Compreender o modelo OSI é importante no desenvolvimento de software, pois cada aplicação e sistema funciona com base em uma dessas camadas.

Os profissionais de rede de TI aproveitam o modelo OSI para conceituar como os dados fluem em uma rede. Esse conhecimento é valioso não apenas para fornecedores e desenvolvedores de software, mas também para estudantes que desejam passar em exames como a certificação Cisco Certified Network Associate (CCNA).

Algumas das vantagens de aprender as camadas do modelo OSI são:

  • Entendendo o fluxo de dados: O modelo OSI facilita para os operadores de rede entender como os dados fluem em uma rede. Isso os ajuda a entender como o hardware e o software estão trabalhando juntos. Usando essas informações, você pode construir um sistema melhor com segurança e resiliência aprimoradas usando software e hardware adequados.
  • Solução de problemas fácil: A solução de problemas fica mais fácil porque a rede é dividida em sete camadas com suas próprias funcionalidades e componentes. Além disso, leva menos tempo para os profissionais diagnosticarem o problema. Você pode realmente identificar a camada de rede responsável por causar os problemas para que possa mudar seu foco nessa camada específica.
  • Promove a interoperabilidade: os desenvolvedores podem criar sistemas e dispositivos de software que sejam interoperáveis ​​para que possam interagir facilmente com produtos de outros fornecedores. Isso aumenta a funcionalidade desses sistemas e capacita os usuários a trabalhar com eficiência.

Você pode definir quais componentes e peças com os quais seus produtos devem funcionar. Isso também permite que você comunique aos usuários finais a camada de rede na qual seus produtos e sistemas operam, seja na pilha de tecnologia ou apenas em uma camada específica.

Diferentes camadas de modelo OSI

Camada física

A camada física é a camada inferior e primeira no modelo OSI que descreve a representação física e elétrica de um sistema.

Pode incluir o tipo de cabo, layout de pinos, link de radiofrequência, tensões, tipo de sinal, tipo de conectores para conectar os dispositivos e muito mais. Ele é responsável por uma conexão sem fio ou por cabo físico entre diferentes nós de rede, facilita a transmissão de dados brutos e controla as taxas de bits.

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Camada física

Nesta camada, os dados brutos em bits ou 0’s e 1’s são convertidos em sinais e são trocados. Requer que as extremidades do emissor e do receptor sejam sincronizadas para permitir uma transmissão de dados suave. A camada física fornece uma interface entre diferentes dispositivos, meios de transmissão e tipos de topologia para rede. O tipo de modo de transmissão necessário também é definido na camada física.

A topologia de rede usada pode ser barramento, anel ou estrela, e o modo pode ser simplex, full-duplex ou half-duplex. Os dispositivos na camada física podem ser conectores de cabo Ethernet, repetidores, hubs, etc.

Se um problema de rede for detectado, os profissionais de rede primeiro verificam se tudo na camada física está funcionando bem. Eles podem começar verificando os cabos se estão conectados corretamente e se o plugue de alimentação está conectado ao sistema, como por exemplo ou roteador, entre outros passos.

As principais funções da camada 1 são:

  • Definir topologias físicas, a forma como os dispositivos e sistemas são organizados em uma determinada rede
  • Definir o modo de transmissão é como os dados fluem entre dois dispositivos conectados na rede.
  • Sincronização de bits com um relógio que controla o receptor e o emissor no nível de bit.
  • Controlando a taxa de bits da transmissão de dados

Camada de enlace de dados

A camada de enlace de dados está acima da camada física. É usado para estabelecer e encerrar conexões entre dois nós conectados presentes em uma rede. Essa camada divide os pacotes de dados em diferentes quadros, que vão da origem ao destino.

A camada de enlace de dados tem duas partes:

  • O controle de link lógico (LLC) detecta protocolos de rede, sincroniza quadros e verifica erros.
  • O Media Access Control (MAC) utiliza endereços MAC para conectar dispositivos e definir permissões para transmitir dados.

Os endereços MAC são endereços exclusivos atribuídos a cada sistema em uma rede que ajudam a identificar o sistema. Esses números de 12 dígitos são sistemas de endereçamento físico supervisionados na camada de enlace de dados de uma rede. Ele controla como os diversos componentes de rede são acessados ​​a um meio físico.

Camada de enlace de dados

Exemplo: os endereços MAC podem compreender 6 octetos, como 00:5e:53:00:00:af, onde os três primeiros números correspondem aos identificadores únicos da organização (OUI), enquanto os três últimos correspondem ao Network Interface Controller (NIC) .

As principais funções da camada 2 são:

  • Detecção de erros: a detecção de erros ocorre nesta camada, mas não a correção de erros, que ocorre na camada de transporte. Em alguns casos, sinais indesejados chamados bits de erro são encontrados nos sinais de dados. Para neutralizar esse erro, o erro deve ser detectado primeiro por meio de métodos como soma de verificação e verificação de redundância cíclica (CRC).
  • Controle de fluxo: A transmissão de dados entre o receptor e o emissor por meio de uma mídia deve ocorrer na mesma velocidade. Se os dados como um quadro forem enviados em um ritmo mais rápido do que a velocidade em que o receptor está recebendo os dados, alguns dados podem ser perdidos. Para resolver esse problema, a camada de enlace de dados envolve alguns métodos de controle de fluxo para que a velocidade consistente seja mantida na linha de transmissão de dados. Esses métodos podem ser:
    • O método de janela deslizante em que ambas as extremidades decidirão quantos quadros devem ser transmitidos. Economiza tempo e recursos durante a transmissão.
    • O mecanismo de parar e esperar exige que o remetente pare e comece a esperar pelo receptor depois que os dados forem transmitidos. O remetente deve esperar até receber uma confirmação do destinatário de que recebeu os dados.
  • Habilite o acesso múltiplo: A camada de enlace de dados também permite que você acesse vários dispositivos e sistemas para transmitir dados através do mesmo meio de transmissão sem colisões. Para isso, utiliza protocolos de acesso múltiplo com detecção de portadora ou protocolos de detecção de colisão (CSMA/CD).
  • Sincronização de dados: Na camada de enlace de dados, os dispositivos que compartilham dados devem estar sincronizados entre si em cada extremidade para facilitar a transmissão de dados sem problemas.

A camada de enlace de dados também aproveita dispositivos como pontes e switches de camada 2. Bridges são dispositivos de 2 portas que se conectam a diferentes redes LAN. Ele funciona como um repetidor, filtra dados indesejados e os envia para o endpoint de destino. Ele conecta redes usando o mesmo protocolo. Por outro lado, os switches da camada 2 encaminham dados para a camada subsequente com base no endereço MAC do sistema.

Camada de rede

A camada de rede fica no topo da camada de enlace de dados e é a terceira da parte inferior do modelo OSI. Ele utiliza endereços de rede, como endereços IP, para rotear pacotes de dados para um nó receptor operando em protocolos e redes diferentes ou iguais.

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Ele executa duas tarefas principais:

  • Divide segmentos de rede em diferentes pacotes de rede enquanto remonta os empacotadores de rede no nó de destino.
  • Descobre o caminho ideal em uma rede física e roteia os pacotes de acordo.

Por caminho ótimo, quero dizer que essa camada encontra a rota mais curta, mais eficiente em termos de tempo e mais fácil entre um remetente e um receptor para transmissão de dados usando switches, roteadores e vários métodos de detecção e tratamento de erros.

Camada de rede

Para fazer isso, a camada de rede usa um endereço de rede lógico e o design de sub-rede da rede. Independentemente de os dispositivos estarem na mesma rede ou não, usarem o mesmo protocolo ou não, e trabalharem na mesma topologia ou não, essa camada roteará os dados usando um endereço IP lógico e um roteador de uma origem para um destino. Portanto, seus principais componentes são endereços IP, sub-redes e roteadores.

  • Endereço IP: É um número de 32 bits globalmente exclusivo atribuído a cada dispositivo e funciona como um endereço de rede lógico. Ele tem duas partes: endereço de host e endereço de rede. Um endereço IP é normalmente representado por quatro números separados por um ponto, por exemplo, 192.0.16.1.
  • Roteadores: Na camada de rede, os roteadores são usados ​​para comunicar dados entre dispositivos que operam em diferentes redes de longa distância (WANs). Como os roteadores usados ​​para transmissão de dados não sabem o endereço de destino exato, os pacotes de dados são roteados.

Eles têm apenas informações sobre a localização de sua rede e aproveitam os dados coletados na tabela de roteamento. Isso ajuda os roteadores a encontrar o caminho para entregar os dados. Quando finalmente entregar os dados à rede de destino, os dados serão enviados para o host de destino na rede.

  • Máscaras de sub-rede: Uma máscara de sub-rede consiste em 32 bits do endereço lógico que um roteador pode usar além de um endereço IP para descobrir a localização do host de destino para entregar os dados. É importante, pois os endereços do host e da rede não são suficientes para encontrar o local, seja em uma rede remota ou em uma sub-rede. Um exemplo de máscara de sub-rede pode ser 255.255.255.0.

Observando uma máscara de sub-rede, você pode descobrir o endereço da rede e o endereço do host. Assim, quando um pacote de dados chega da origem com o endereço de destino calculado, o sistema recebe os dados e os transmite para a próxima camada. Essa camada não exige que o remetente aguarde a confirmação do receptor, ao contrário da camada 2.

Camada de transporte

A camada de transporte é a quarta de baixo para cima no modelo OSI. Ele pega os dados da camada de rede e os entrega à camada de aplicação. Nessa camada, os dados são chamados de “segmentos” e a função principal da camada é entregar a mensagem completa. Ele também reconhece quando a transmissão de dados ocorre com sucesso. Se houver algum erro, ele retorna os dados.

Além disso, a camada de transporte realiza o controle do fluxo de dados, transmite dados na mesma velocidade do dispositivo receptor para permitir uma transmissão suave, gerencia erros e solicita dados novamente após encontrar erros.

Camada de transporte

Vamos entender o que acontece em cada extremidade:

  • Na ponta do remetente, ao receber os dados formatados das camadas superiores do modelo OSI, a camada de transporte realiza a segmentação. Em seguida, implementa técnicas de controle de fluxo e erro para permitir uma transmissão de dados suave. Em seguida, ele adicionará os números das portas de origem e destino no cabeçalho e encerrará os segmentos na camada de rede.
  • Na extremidade do receptor, a camada de transporte identificará o número da porta observando o cabeçalho e, em seguida, enviará os dados recebidos para o aplicativo de destino. Ele também sequenciará e remontará os dados segmentados.

A camada de transporte fornece uma conexão sem erros e de ponta a ponta entre dispositivos ou hosts em uma rede. Fornece segmentos de dados de sub-redes intra e inter.

Para habilitar a comunicação de ponta a ponta em uma rede, cada dispositivo deve ter um TSAP (Transport Service Access Point) ou número de porta. Isso ajudará o host a reconhecer os hosts de mesmo nível pelo número da porta em uma rede remota. Geralmente é encontrado manualmente ou por padrão, pois a maioria dos aplicativos usa um número de porta padrão de 80.

A camada de transporte utiliza dois protocolos:

  • O protocolo de controle de transmissão (TCP): Este protocolo confiável primeiro estabelece a conexão entre os hosts antes de iniciar a transmissão de dados. Requer que o receptor envie a confirmação de ter recebido os dados ou não. Ao receber a confirmação, envia o segundo lote de dados. Ele também monitora a velocidade de transmissão e o controle de fluxo e corrige erros.
  • User Datagram Protocol (UDP): É considerado não confiável e não é orientado a conexão. Depois que os dados transitam entre os hosts, ele não exige que o destinatário envie a confirmação e continue enviando dados. É por isso que é propenso a ataques cibernéticos, como inundação de UDP. É usado em jogos online, streaming de vídeo, etc.
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Algumas funções da camada de transporte são:

  • Endereça os pontos de serviço: A camada de transporte tem um endereço chamado endereço da porta ou endereço do ponto de serviço que ajuda a entregar uma mensagem ao destinatário certo.
  • Detecção e controle de erros: Esta camada oferece detecção e controle de erros. Um erro pode ocorrer enquanto o segmento ou os dados são armazenados no armazenamento de memória do roteador, mesmo que nenhum erro seja detectado enquanto os dados se movem por um link. E se ocorrer um erro, a camada de enlace de dados não poderá detectá-lo. Além disso, todos os links podem não ser seguros; portanto, a necessidade de detecção de erros na camada de transporte é necessária. É feito através de dois métodos:
    • Verificação de redundância Cíclica
    • Gerador e verificador de soma de verificação

Camada de Sessão

camada de sessão

A quinta camada da parte inferior do modelo OSI é a camada de sessão. Ele é usado para criar canais de comunicação, também conhecidos como sessões, entre diferentes dispositivos. Ele executa tarefas como:

  • Sessões de abertura
  • Sessões de encerramento
  • Mantê-los abertos e totalmente funcionais quando a transmissão de dados está acontecendo
  • Oferecendo sincronização de diálogo entre diferentes aplicativos para promover a transmissão de dados perfeita sem perda na extremidade receptora.

A camada de sessão pode criar pontos de verificação para garantir a transferência segura de dados. Caso a sessão seja interrompida, todos os dispositivos retomarão a transmissão a partir de seu último checkpoint. Essa camada permite que usuários de diferentes plataformas criem sessões de comunicação ativa entre elas.

Camada de apresentação

A sexta camada a partir da parte inferior é a camada de apresentação ou camada de tradução. Ele é usado para preparar os dados a serem enviados para a camada de aplicação acima. Ele apresenta dados aos usuários finais que os usuários podem entender facilmente.

A camada de apresentação descreve como dois dispositivos em uma rede devem compactar, criptografar e codificar dados para serem recebidos corretamente pelo receptor. Essa camada usa dados que a camada de aplicativo transmite e depois envia para a camada de sessão.

A camada de apresentação lida com a sintaxe, pois o remetente e o destinatário podem usar diferentes modos de comunicação, o que pode levar a inconsistências. Essa camada permite que os sistemas se comuniquem e se entendam facilmente na mesma rede.

A camada 6 executa tarefas como:

  • Criptografando dados do lado do remetente
  • Descriptografando dados no lado do receptor
  • Tradução, como formato ASCII para EBCDIC
  • Compressão de dados para multimídia antes da transmissão

A camada divide os dados contendo caracteres e números em bits e depois os transmite. Também traduz dados para uma rede no formato necessário e para diferentes dispositivos como smartphones, tablets, PCs, etc., em um formato aceito.

Camada de aplicação

A aplicação é a sétima e a camada superior no modelo OSI. Softwares e aplicativos de usuário final, como clientes de e-mail e navegadores da Web, usam essa camada.

A camada de aplicação fornece protocolos que permitem que os sistemas de software transmitam dados e forneçam informações significativas aos usuários finais.

Exemplo: Os protocolos da camada de aplicação podem ser o famoso Hypertext Transfer Protocol (HTTP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), Domain Name System (DNS), File Transfer Protocol (FTP) e muito mais.

Modelo TCP/IP vs. OSI: Diferenças

As principais diferenças entre o TCP/IP e o modelo OSI são:

  • O TCP/IP, criado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD), é um conceito mais antigo que o modelo OSI.
  • O modelo funcional TCP/IP foi construído para resolver problemas específicos de comunicação e é baseado em protocolos padrão. O modelo OSI, por outro lado, é um modelo genérico, independente de protocolo, usado para definir as comunicações de rede.
  • O modelo TCP/IP é mais direto e tem menos camadas que o modelo OSI. Tem quatro camadas, normalmente:
    • A camada de acesso à rede, que combina as camadas OSI 1 e 2.
    • A camada de Internet, que é chamada de camada de rede no modelo OSI
    • Camada de transporte
    • Camada de aplicação, que combina as camadas OSI 5,6 e 7.
  • O modelo OSI possui sete camadas: a camada física, a camada de enlace de dados, a camada de rede, a camada de transporte, a camada de sessão, a camada de apresentação e a camada de aplicação.
  • Os aplicativos que usam TCP/IP utilizam todas as camadas, mas no modelo OSI, a maioria dos aplicativos não utiliza todas as sete camadas. Na verdade, as camadas 1-3 são obrigatórias apenas para transmissão de dados.

Conclusão

Conhecer o modelo OSI pode ajudar desenvolvedores e fornecedores a criar aplicativos e produtos de software que sejam interoperáveis ​​e seguros. Também o ajudará a diferenciar entre diferentes ferramentas e protocolos de comunicação e como eles funcionam uns com os outros. E se você é um estudante que deseja passar em um exame de rede como a certificação CCNA, conhecer o modelo OSI será benéfico.