OSI Model อธิบายละเอียด: ที่มา 7 ชั้น และการทำงานของเครือข่ายตั้งแต่สายเคเบิลถึงแอปพลิเคชัน

ทุกครั้งที่คุณเปิดเว็บไซต์ ส่งข้อความ หรือดูวิดีโอ ข้อมูลจะเดินทางผ่านหลายขั้นตอนก่อนจะถึงหน้าจอ ตั้งแต่สัญญาณไฟฟ้าในสายแลน คลื่นวิทยุของ Wi-Fi ไปจนถึงโปรแกรมที่คุณใช้อยู่ การเข้าใจลำดับขั้นตอนนี้ทำให้เห็นภาพรวมของเครือข่าย และช่วยให้ไล่หาสาเหตุเมื่ออินเทอร์เน็ตมีปัญหาได้เป็นระบบ โมเดลที่ใช้อธิบายลำดับนี้คือ OSI Model ซึ่งเป็นแบบจำลองอ้างอิงที่แบ่งการสื่อสารเครือข่ายออกเป็น 7 ชั้น บทความนี้จะอธิบายที่มาของโมเดล แต่ละชั้นทำอะไร ข้อมูลเดินทางอย่างไร เปรียบเทียบกับ TCP/IP และนำไปใช้แก้ปัญหาจริงได้อย่างไร

OSI Model คืออะไร

OSI ย่อมาจาก Open Systems Interconnection เป็นแบบจำลองอ้างอิงที่กำหนดว่าการสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์ควรแบ่งหน้าที่ออกเป็นชั้นอย่างไร แต่ละชั้นมีหน้าที่ของตัวเองและคุยกับชั้นที่อยู่ติดกันผ่านอินเทอร์เฟซที่กำหนดไว้ ทำให้ผู้ผลิตแต่ละรายสามารถพัฒนาอุปกรณ์หรือซอฟต์แวร์ในชั้นของตนได้โดยไม่ต้องรู้รายละเอียดภายในของชั้นอื่น

สิ่งสำคัญที่ควรเข้าใจคือ OSI เป็น "แบบจำลอง" ไม่ใช่โปรโตคอลที่ใช้งานจริงบนอินเทอร์เน็ต โปรโตคอลที่ทำงานจริง เช่น TCP และ IP อยู่ในโมเดลอีกแบบหนึ่ง แต่แนวคิดการแบ่งชั้นของ OSI ยังคงเป็นภาษากลางที่วิศวกรเครือข่ายทั่วโลกใช้อธิบายและวินิจฉัยปัญหา

ที่มาของโมเดล

ช่วงปลายทศวรรษ 1970 เครือข่ายคอมพิวเตอร์ยังแยกเป็นเกาะ ระบบของผู้ผลิตแต่ละรายใช้โปรโตคอลของตัวเอง เครื่องจาก IBM ไม่คุยกับเครื่องของ DEC และอุปกรณ์จากค่ายหนึ่งต้องพึ่งอุปกรณ์จากค่ายเดิมเท่านั้น องค์กรมาตรฐานระหว่างประเทศ ISO (International Organization for Standardization) จึงเริ่มพัฒนาแบบจำลองกลางขึ้นในปี 1977 เพื่อให้เครือข่ายต่างยี่ห้อคุยกันได้

ผลลัพธ์คือมาตรฐาน ISO 7498 ซึ่งเผยแพร่ในปี 1984 และรู้จักกันในชื่อ OSI Reference Model แม้โมเดลนี้จะได้รับการยอมรับในเชิงแนวคิดอย่างกว้างขวาง แต่โปรโตคอลที่ตามมาพร้อมกับโมเดลอย่างเช่น X.400 สำหรับอีเมลและ X.500 สำหรับไดเรกทอรี ไม่ได้รับความนิยมเท่าที่คาด เพราะ TCP/IP ที่พัฒนาโดย DARPA ในสหรัฐอเมริกา ได้รับการนำไปใช้จริงบน ARPANET และต่อมาก็กลายเป็นพื้นฐานของอินเทอร์เน็ต จึงแพร่หลายกว่ามาก

ภาพรวมทั้ง 7 ชั้น

โมเดลนับชั้นจากล่างขึ้นบน โดยชั้นที่ 1 อยู่ล่างสุดติดกับสื่อกลางจริง และชั้นที่ 7 อยู่บนสุดติดกับผู้ใช้

1. ชั้นกายภาพ (Physical Layer)

2. ชั้นเชื่อมโยงข้อมูล (Data Link Layer)

3. ชั้นเครือข่าย (Network Layer)

4. ชั้นขนส่ง (Transport Layer)

5. ชั้นเซสชัน (Session Layer)

6. ชั้นการนำเสนอ (Presentation Layer)

7. ชั้นแอปพลิเคชัน (Application Layer)

คนไทยจำลำดับนี้ได้ด้วยประโยคภาษาอังกฤษที่นิยมใช้กันว่า "Please Do Not Throw Sausage Pizza Away" ซึ่งเรียงตั้งแต่ชั้น 1 ถึง 7 เมื่อจำได้แล้ว ก็จะรู้ว่าอุปกรณ์แต่ละชนิดทำงานอยู่ชั้นไหน

ชั้นที่ 1: Physical Layer (ชั้นกายภาพ)

ชั้นนี้เกี่ยวกับการส่งบิตดิบผ่านสื่อกลาง เช่น ไฟฟ้าในสายทองแดง แสงในไฟเบอร์ออปติก หรือคลื่นวิทยุของ Wi-Fi ชั้นนี้กำหนดว่า 1 และ 0 ถูกแทนด้วยแรงดันไฟ ความถี่ หรือความเข้มของแสงอย่างไร รวมถึงขนาดของขั้วต่อ ความเร็วของสัญญาณ และแรงดันไฟที่ใช้

อุปกรณ์ในชั้นนี้ ได้แก่ สายแลน (เช่น Cat 6) เคเบิลไฟเบอร์ ฮับ (Hub) ที่ทวนสัญญาณ และตัวรับส่งสัญญาณ (Transceiver) ปัญหาที่พบบ่อย เช่น สายหลุดหรือขาด ขั้วต่อหลวม สายยาวเกินมาตรฐาน หรือการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ชั้นที่ 2: Data Link Layer (ชั้นเชื่อมโยงข้อมูล)

ชั้นนี้รับผิดชอบการส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ที่อยู่ในเครือข่ายเดียวกันหรือเชื่อมต่อกันโดยตรง โดยจัดบิตให้เป็นเฟรม (Frame) ซึ่งประกอบด้วยที่อยู่ปลายทาง ที่อยู่ต้นทาง ข้อมูล และค่าตรวจสอบความผิดพลาด (เช่น CRC) ที่อยู่ระดับนี้คือ MAC Address ซึ่งเป็นรหัสประจำการ์ดเครือข่ายที่ผู้ผลิตกำหนด ยาว 48 บิต และมักแสดงเป็นเลขฐานสิบหก เช่น 00-1A-2B-3C-4D-5E

ชั้นเชื่อมโยงข้อมูลยังควบคุมการเข้าถึงสื่อกลางร่วมกัน เช่น Ethernet ที่ควบคุมการใช้สาย หรือ CSMA/CA ของ Wi-Fi ที่หลีกเลี่ยงการชนกันของสัญญาณ อุปกรณ์หลักคือสวิตช์ (Switch) ซึ่งเรียนรู้ MAC Address ของเครื่องที่อยู่ในพอร์ตต่าง ๆ แล้วส่งเฟรมไปยังพอร์ตที่ถูกต้องเท่านั้น นอกจากนี้ยังมี VLAN (มาตรฐาน 802.1Q) ที่แบ่งเครือข่ายเสมือนบนสวิตช์เดียวกัน

ชั้นที่ 3: Network Layer (ชั้นเครือข่าย)

ชั้นเครือข่ายรับผิดชอบการส่งแพ็กเก็ต (Packet) ข้ามเครือข่ายหลายวง โดยใช้ที่อยู่ IP เป็นตัวกำหนดปลายทาง IPv4 ยาว 32 บิต เช่น 192.168.1.10 และ IPv6 ยาว 128 บิต เพื่อรองรับจำนวนที่อยู่ที่มากกว่าเดิม หน้าที่สำคัญคือ routing คือการเลือกเส้นทางที่เหมาะสมให้แพ็กเก็ตไปถึงปลายทาง ซึ่งทำโดยเราเตอร์ที่ดูตารางเส้นทาง (Routing Table)

ชั้นนี้ยังมี ICMP ที่ใช้ส่งข้อความวินิจฉัย เช่น คำสั่ง ping และ traceroute ใช้ ICMP ในการตรวจสอบว่าปลายทางตอบสนองหรือไม่และมีเส้นทางผ่านกี่ hop ปัญหาที่พบบ่อยในชั้นนี้คือการตั้งค่า IP ผิด เช่น Subnet Mask หรือ Default Gateway ไม่ถูกต้อง หรือเส้นทางที่ไม่มีอยู่จริง

ชั้นที่ 4: Transport Layer (ชั้นขนส่ง)

ชั้นขนส่งรับผิดชอบการส่งข้อมูลจากโปรแกรมต้นทางไปยังโปรแกรมปลายทางบนเครื่องนั้น ๆ โดยใช้หมายเลขพอร์ต (Port Number) เป็นตัวระบุบริการ เช่น พอร์ต 80 สำหรับ HTTP พอร์ต 443 สำหรับ HTTPS และพอร์ต 53 สำหรับ DNS

โปรโตคอลหลักในชั้นนี้มีสองแบบ ได้แก่ TCP ซึ่งเชื่อถือได้ มีการทำ Handshake ก่อนเริ่มส่ง มีการยืนยันการรับ (Acknowledgement) และส่งข้อมูลที่หายไปซ้ำ รวมถึงควบคุมการไหลของข้อมูลเพื่อไม่ให้ผู้รับรับไม่ไหว อีกแบบคือ UDP ซึ่งเร็วและเรียบง่ายกว่า แต่ไม่รับประกันการส่งถึง จึงเหมาะกับวิดีโอสด เกมออนไลน์ และ DNS ข้อมูลในชั้นนี้เรียกว่า Segment ในกรณี TCP และ Datagram ในกรณี UDP

ชั้นที่ 5: Session Layer (ชั้นเซสชัน)

ชั้นเซสชันดูแลการเปิด ควบคุม และปิดการสนทนาระหว่างสองโปรแกรม เรียกว่าเซสชัน หน้าที่ได้แก่ การสร้างจุดตรวจ (Checkpoint) เพื่อให้ทำงานต่อได้หลังเกิดการขัดข้อง การจัดลำดับการสนทนาว่าฝั่งไหนพูดได้ก่อน และการจัดการการเชื่อมต่อให้คงอยู่ตลอดการใช้งาน

ตัวอย่างในโลกจริงได้แก่ NetBIOS และ RPC ที่ช่วยให้โปรแกรมเรียกฟังก์ชันของเครื่องอื่นได้ ควรสังเกตว่าในทางปฏิบัติ ฟังก์ชันของชั้นนี้มักถูกรวมอยู่ในโปรแกรมประยุกต์หรือไลบรารีแทนที่จะแยกเป็นชั้นชัดเจน ทำให้ชั้นนี้เป็นชั้นที่ตอบได้ยากที่สุดเมื่อถูกถามในข้อสอบ

ชั้นที่ 6: Presentation Layer (ชั้นการนำเสนอ)

ชั้นการนำเสนอทำหน้าที่แปลงรูปแบบข้อมูลให้ทั้งสองฝั่งเข้าใจตรงกัน รวมถึงการแปลงตัวอักษร การบีบอัด และการเข้ารหัส ตัวอย่างเช่น การแปลงข้อความจากการเข้ารหัส UTF-8 ไปเป็นรูปแบบที่แอปพลิเคชันใช้ การแปลงรูปภาพจาก JPEG หรือ PNG การบีบอัดไฟล์ด้วย gzip และการเข้ารหัสลับ เช่น TLS ที่ทำให้เว็บไซต์ที่ใช้ HTTPS ปลอดภัยจากการดักฟัง

ในทางปฏิบัติ TLS ถูกจัดเป็นทั้งชั้นเซสชันและชั้นการนำเสนอในหลายตำรา และอยู่ระหว่าง TCP กับ HTTP ในโมเดล TCP/IP จุดนี้ทำให้ต้องระวังเมื่ออธิบายให้คนอื่นฟัง

ชั้นที่ 7: Application Layer (ชั้นแอปพลิเคชัน)

ชั้นแอปพลิเคชันเป็นชั้นที่ผู้ใช้โต้ตอบด้วยโดยตรง โปรแกรมเช่นเว็บเบราว์เซอร์ อีเมล หรือแอปแชต ใช้โปรโตคอลในชั้นนี้เพื่อสื่อสารกับเครื่องอื่น ตัวอย่างโปรโตคอลได้แก่ HTTP และ HTTPS สำหรับเว็บ SMTP, IMAP และ POP3 สำหรับอีเมล FTP สำหรับไฟล์ DNS สำหรับแปลงชื่อโดเมนเป็นที่อยู่ IP และ DHCP สำหรับแจกที่อยู่ IP อัตโนมัติ

ควรเข้าใจว่าชั้นแอปพลิเคชันไม่ได้หมายถึงตัวแอปเอง แต่หมายถึงโปรโตคอลที่แอปใช้สื่อสาร เช่น เบราว์เซอร์ Chrome กับ Firefox ใช้โปรโตคอล HTTP เดียวกัน

ข้อมูลเดินทางผ่านชั้นต่าง ๆ อย่างไร

เมื่อโปรแกรมส่งข้อมูลออกไป ข้อมูลจะไหลจากชั้นที่ 7 ลงไปยังชั้นที่ 1 ในแต่ละชั้นจะเพิ่มส่วนหัว (Header) ของตัวเองเข้าไป กระบวนการนี้เรียกว่า Encapsulation เช่น ชั้นขนส่งเพิ่มหมายเลขพอร์ต ชั้นเครือข่ายเพิ่มที่อยู่ IP และชั้นเชื่อมโยงข้อมูลเพิ่ม MAC Address และ CRC จากนั้นชั้นกายภาพจึงแปลงทั้งหมดเป็นสัญญาณไฟฟ้า แสง หรือคลื่นวิทยุ

ฝั่งรับทำกลับกัน คือ Decapsulation โดยแต่ละชั้นอ่านส่วนหัวของตัวเอง ตรวจสอบ แล้วส่งส่วนที่เหลือขึ้นไปชั้นถัดไป เมื่อข้อมูลถึงชั้นที่ 7 โปรแกรมปลายทางจึงได้ข้อความจริง

ชื่อหน่วยข้อมูลในแต่ละชั้นก็ต่างกันด้วย ชั้นที่ 1 เรียกว่า Bit ชั้นที่ 2 เรียกว่า Frame ชั้นที่ 3 เรียกว่า Packet ชั้นที่ 4 เรียกว่า Segment หรือ Datagram และชั้นที่ 5 ถึง 7 มักเรียกรวมว่า Data

ตัวอย่าง: เปิดเว็บไซต์หนึ่งหน้า

ลองดูว่าการเปิดเว็บ example.com ผ่าน OSI Model เป็นอย่างไร

1. ชั้นแอปพลิเคชัน: เบราว์เซอร์ต้องการ HTML ของเว็บ จึงสร้างคำขอ HTTP GET และต้องรู้ IP ของ example.com ก่อน จึงถาม DNS

2. ชั้นการนำเสนอ: หากเป็น HTTPS คำขอจะถูกเข้ารหัสด้วย TLS ก่อนส่ง

3. ชั้นเซสชัน: ระบบเปิดการเชื่อมต่อและดูแลให้คงอยู่ระหว่างการสนทนา

4. ชั้นขนส่ง: TCP แบ่งข้อมูลเป็นเซกเมนต์ ใส่พอร์ตปลายทาง 443 และทำ Handshake กับเซิร์ฟเวอร์

5. ชั้นเครือข่าย: ใส่ IP ต้นทางและปลายทาง ตัวเราเตอร์ในบ้านเลือกเส้นทางออกไปยังอินเทอร์เน็ต

6. ชั้นเชื่อมโยงข้อมูล: ใส่ MAC Address ของเราเตอร์ถัดไปเป็นปลายทางในวงเครือข่ายเดียวกัน

7. ชั้นกายภาพ: ส่งเป็นสัญญาณผ่านสายหรือคลื่น Wi-Fi ไปยังเราเตอร์

เมื่อเซิร์ฟเวอร์ตอบกลับ ข้อมูลจะเดินทางในทิศทางย้อนกลับ และแต่ละชั้นจะคลายส่วนหัวออกทีละชั้น

เปรียบเทียบ OSI กับ TCP/IP

โมเดล TCP/IP มี 4 ชั้น ได้แก่ Network Access, Internet, Transport และ Application ชั้น Network Access ในโมเดลนี้รวมชั้นกายภาพและชั้นเชื่อมโยงข้อมูลของ OSI เข้าด้วยกัน ส่วนชั้น Internet ตรงกับชั้นเครือข่าย ชั้น Transport ตรงกับชั้นขนส่ง และชั้น Application รวมชั้นเซสชัน การนำเสนอ และแอปพลิเคชันของ OSI ไว้ด้วยกัน

การเปรียบเทียบนี้ช่วยให้เข้าใจว่าโมเดลทั้งสองอธิบายสิ่งเดียวกันคนละระดับความละเอียด OSI ละเอียดกว่าและเหมาะกับการสอนและการอธิบายเชิงแนวคิด ส่วน TCP/IP ตรงกับโลกจริงที่อินเทอร์เน็ตทำงานอยู่

การนำ OSI ไปใช้แก้ปัญหาจริง

แนวคิดการแบ่งชั้นช่วยให้ไล่หาสาเหตุปัญหาเป็นขั้นตอน โดยเริ่มจากชั้นล่างขึ้นบนหรือบนลงล่างก็ได้ วิธีทั่วไปคือ

วิธีนี้ทำให้ไม่ต้องเดามั่ว เพราะเมื่อชั้นล่างทำงานได้ดี ปัญหามักอยู่ที่ชั้นบนและในทางกลับกัน

อุปกรณ์เครือข่ายในแต่ละชั้น

อุปกรณ์ที่ทำงานในชั้นต่าง ๆ ช่วยให้จำชั้นได้ง่ายขึ้น

อุปกรณ์บางตัวทำงานหลายชั้นพร้อมกัน เช่น Layer 3 Switch ทำหน้าที่สวิตช์และเราเตอร์ในตัวเดียวกัน

ความสำคัญของ OSI ในงานจริง

แม้ OSI จะไม่ใช่โปรโตคอลที่ใช้งานโดยตรง แต่มีประโยชน์หลายอย่าง ทั้งการสื่อสารระหว่างวิศวกรให้ตรงกัน การแยกหน้าที่ของอุปกรณ์และซอฟต์แวร์ การวินิจฉัยปัญหาแบบลำดับขั้น และเป็นพื้นฐานสำหรับการเรียนรู้เครือข่าย รวมถึงการสอบใบรับรองอย่าง CompTIA Network+ และ Cisco CCNA ซึ่งยังใช้ 7 ชั้นนี้ในการอธิบาย

ความปลอดภัยในแต่ละชั้น

OSI Model ยังช่วยให้เห็นภาพว่าการโจมตีเครือข่ายเกิดขึ้นได้ที่ชั้นใดบ้าง และควรป้องกันอย่างไร ความปลอดภัยที่ดีต้องครอบคลุมทุกชั้น เพราะการป้องกันเพียงชั้นเดียวอาจถูกข้ามไปได้

หลักการสำคัญคือ "ป้องกันเป็นชั้น" (Defense in Depth) คือวางมาตรการหลายชั้นซ้อนกัน เพื่อให้ผู้โจมตีต้องฝ่าอุปสรรคหลายอย่างก่อนจะเข้าถึงข้อมูลได้

ดูแพ็กเก็ตจริงด้วย Wireshark

วิธีที่เห็น OSI ชัดที่สุดคือการดูแพ็กเก็ตจริงด้วยโปรแกรมวิเคราะห์ เช่น Wireshark ซึ่งแสดงแต่ละชั้นของแพ็กเก็ตแยกกันเป็นลำดับ ตั้งแต่ Frame (ชั้น 1-2) ไปจนถึง Ethernet II (ชั้น 2) IPv4 (ชั้น 3) TCP หรือ UDP (ชั้น 4) และ HTTP (ชั้น 7) เมื่อกดเลือกชั้นใดชั้นหนึ่ง โปรแกรมจะไฮไลต์ไบต์ที่เกี่ยวข้องให้เห็นชัดเจน

การฝึกแบบง่ายที่แนะนำคือ เปิด Wireshark ในเครื่องของตัวเอง เริ่มบันทึก แล้วเปิดเว็บไซต์ที่ไม่ใช่ HTTPS เช่นเว็บทดสอบที่เป็น HTTP จากนั้นหยุดการบันทึกและหาแพ็กเก็ต HTTP GET จะเห็นว่าชั้นแอปพลิเคชันมีคำขอ ชั้นขนส่งมีพอร์ต ชั้นเครือข่ายมี IP และชั้นเชื่อมโยงมี MAC ครบถ้วน ตามที่อธิบายไว้ในบทความนี้ การเห็นของจริงทำให้โมเดลที่เคยเป็นแค่ภาพในหนังสือกลายเป็นเรื่องที่เข้าใจได้ทันที

ควรใช้ Wireshark เฉพาะเครือข่ายที่คุณมีสิทธิ์ใช้งาน เช่นเครือข่ายบ้านหรือห้องแล็บของตัวเอง การดักฟังทราฟฟิกของผู้อื่นโดยไม่ได้รับอนุญาตผิดกฎหมาย

บทเรียนจาก OSI Model

สรุป

OSI Model ไม่ใช่แค่ตารางให้ท่องจำ แต่เป็นวิธีคิดเกี่ยวกับการสื่อสารในเครือข่าย ตั้งแต่สัญญาณไฟฟ้าในสาย ที่อยู่ IP การขนส่งข้อมูลที่เชื่อถือได้ ไปจนถึงแอปพลิเคชันที่ผู้ใช้เห็น เมื่อเข้าใจว่าข้อมูลเดินทางผ่านชั้นใดและทำอะไรในแต่ละชั้น คุณจะวินิจฉัยปัญหาเครือข่ายได้เป็นระบบและอ่านคู่มืออุปกรณ์ได้เข้าใจมากขึ้น