Jak działa enkapsulacja w sieci?

Proces hermetyzacji danych odgrywa zasadniczą rolę w zapewnieniu efektywnej wymiany informacji pomiędzy komputerem wysyłającym a odbierającym.

Z kolei proces dehermetyzacji, stanowiący jego przeciwieństwo, jest równie istotny dla osiągnięcia tego samego celu. Oba te procesy zachodzą równolegle, umożliwiając prawidłową komunikację oraz przepływ danych w obrębie sieci.

Gdy użytkownicy pragną uzyskać dostęp do informacji na swoich urządzeniach, wystarczy, że wprowadzą kilka kluczowych słów, a po krótkiej chwili otrzymują pożądany rezultat.

Jednak za kulisami, z niezwykłą szybkością, odbywa się szereg skomplikowanych operacji. Sieć i jej komponenty intensywnie pracują, aby dostarczyć użytkownikom poszukiwane przez nich dane.

Większość osób nie zdaje sobie sprawy z mechanizmów działających w tle, aby realizować te zadania. W rzeczywistości, sieci, ich elementy oraz związane z nimi koncepcje odgrywają kluczową rolę w codziennym życiu współczesnych użytkowników.

W niniejszym artykule omówimy enkapsulację i deenkapsulację danych, aby przybliżyć fundamentalne zagadnienia związane z działaniem sieci.

Zacznijmy!

Czym jest enkapsulacja i deenkapsulacja danych?

Enkapsulacja danych w kontekście sieci to proces dodawania dodatkowych informacji do fragmentu danych podczas jego przemieszczania się w modelu sieciowym OSI lub TCP/IP. Dane te przemieszczają się od źródła do miejsca docelowego, a dodawane informacje wzbogacają je o nowe funkcjonalności.

Dzięki enkapsulacji, informacje protokolarne są dołączane do nagłówka lub stopki danych, umożliwiając poprawny przebieg transmisji. Proces ten odbywa się po stronie nadawcy, na drodze od warstwy aplikacji do warstwy fizycznej. Każda warstwa otrzymuje hermetyzowane dane od poprzedniej i wzbogaca je o kolejne informacje, tworząc nową warstwę enkapsulacji, która jest następnie przekazywana do kolejnej warstwy.

Ten proces może obejmować takie operacje jak: wykrywanie błędów, porządkowanie danych, kontrolę przeciążenia, kontrolę przepływu, określanie trasy przesyłu i inne.

Deenkapsulacja danych to operacja odwrotna do enkapsulacji. Polega ona na usuwaniu hermetyzowanych danych z odebranych informacji. Ma to miejsce podczas ich podróży od warstwy fizycznej do warstwy aplikacji po stronie odbiorcy, w celu odzyskania pierwotnej zawartości.

Proces ten zachodzi w tych samych warstwach, w których dokonywana była enkapsulacja po stronie nadawcy. Nowo dodane informacje w nagłówku i stopce są sukcesywnie usuwane z danych.

Ostatecznie, dane są hermetyzowane po stronie nadawcy w każdej warstwie, a następnie dehermetyzowane po stronie odbiorcy w analogicznych warstwach modelu sieciowego TCP/IP lub OSI.

Co to jest jednostka danych protokołu (PDU)?

Jednostka danych protokołu, czyli PDU (Protocol Data Unit), to dane kontrolne dołączane do fragmentu danych w obrębie każdej warstwy modelu OSI lub TCP/IP podczas transmisji. Informacje te są umieszczane w nagłówku lub na końcu pola danych.

W ten sposób każda warstwa w modelu sieci wykorzystuje PDU do komunikacji i wymiany informacji z warstwą sąsiednią. Jednostki PDU są enkapsulowane poprzez dodawanie ich w każdej warstwie danych. Każdej jednostce PDU przypisywana jest nazwa, która odzwierciedla rodzaj zawartych w niej danych. Warstwa docelowa może jedynie odczytać dane przed ich usunięciem i przekazaniem do następnej warstwy.

PDU w modelu OSI

Jak wspomniano wcześniej, jednostka PDU w każdej warstwie modelu OSI ma swoją nazwę. W rzeczywistości, różne terminy są używane do opisu procesu enkapsulacji danych w różnych warstwach i modelach, co zostało przedstawione w poniższej tabeli.

W warstwie aplikacji sieci TCP/IP oraz warstwach aplikacji, prezentacji i sesji modelu OSI dane określane są po prostu jako „dane”, natomiast w pozostałych warstwach obu modeli stosuje się inne nazewnictwo.

Enkapsulowany termin: Warstwa OSI, Warstwa TCP/IP, Dane: Aplikacji, Aplikacji, Prezentacji: –, Sesji: –, Segment: Transport, Transport, Pakiet: Sieciowa, Internetowa, Ramka: Łącza danych, Łącza danych, Bity: Fizyczna, Fizyczna.

Przyjrzyjmy się im szczegółowo, aby zrozumieć ich znaczenie w kontekście sieci.

PDU warstwy transportowej

W warstwie transportowej jednostka danych protokołu znana jest jako „segment”. Warstwa ta tworzy nagłówek i dołącza go do fragmentu danych. Jednostka danych w tym przypadku zawiera informacje, które będą wykorzystane przez zdalny host do ponownego złożenia wszystkich fragmentów danych.

Zatem nagłówek połączony z fragmentem danych w warstwie transportowej stanowi segment. Warstwa ta przesyła segment do następnej warstwy (warstwy sieciowej) w celu dalszego przetworzenia.

PDU warstwy sieciowej

Jednostka PDU w warstwie sieciowej to „pakiet”. Warstwa sieciowa generuje nagłówek dla każdego segmentu otrzymanego z warstwy transportowej. Nagłówek ten zawiera informacje o routingu i adresowaniu.

Po utworzeniu nagłówka, warstwa sieciowa dołącza go do segmentu. W tym momencie fragment danych staje się pakietem, który jest przekazywany do następnej warstwy.

PDU warstwy łącza danych

W tej warstwie jednostka PDU znana jest jako „ramka”. Warstwa łącza danych odbiera pakiet z poprzedniej warstwy, a następnie tworzy dla niego nagłówek i stopkę. Nagłówek zawiera informacje o przełączaniu, takie jak adres komputera źródłowego i docelowego. Z kolei stopka zawiera dane związane z uszkodzonymi pakietami.

Warstwa łącza danych dołącza nagłówek i stopkę do pakietu. W ten sposób jednostka danych staje się ramką, która jest następnie przesyłana do następnej warstwy (warstwy fizycznej).

PDU warstwy fizycznej

Jednostka PDU w warstwie fizycznej to „bit”. Warstwa fizyczna pobiera ramkę z warstwy poprzedniej i przekształca ją do formatu umożliwiającego przesłanie przez medium transmisyjne. Bit jest właśnie tym formatem.

Jak działa enkapsulacja

Hermetyzacja odnosi się do jednostki danych lub pakietu i jego struktury. Pakiet składa się z nagłówka na początku i stopki na końcu, a dane pomiędzy nimi nazywane są ładunkiem.

Nagłówek pakietu zawiera dane umieszczone na początku pakietu, sygnalizując jego rozpoczęcie i identyfikując przesyłane informacje. Pakiet jest następnie przesyłany z komputera źródłowego do docelowego. Nagłówek zawiera także dane zależne od używanego protokołu, ponieważ każdy protokół ma swój określony format.

Stopka pakietu informuje komputer odbierający, że pakiet dotarł do końca. Może ona również zawierać wartości kontrolne błędów, które są używane przez urządzenie do potwierdzenia, czy odebrało cały pakiet bez uszkodzeń.

Proces enkapsulacji krok po kroku:

Krok 1: Warstwa aplikacji, prezentacji i sesji modelu OSI lub warstwa aplikacji modelu TCP/IP pobierają dane użytkownika w postaci strumieni danych. Następnie hermetyzują te dane i przekazują je do kolejnej warstwy, czyli warstwy transportowej. Warto zaznaczyć, że niekoniecznie na tym etapie dodawany jest nagłówek lub stopka – to zależy od specyfiki aplikacji i dodawane są tylko te elementy, które są niezbędne.

Krok 2: Gdy dane trafiają do warstwy transportowej, zarówno w modelu TCP/IP, jak i OSI, warstwa ta wykorzystuje strumień danych otrzymany z wyższych warstw i dzieli go na mniejsze części. Warstwa ta przeprowadza enkapsulację danych, dodając odpowiedni nagłówek do każdego fragmentu, tworząc segmenty. Nagłówek zawiera informacje o sekwencjonowaniu, co umożliwia ponowne złożenie segmentów po stronie odbiornika.

Krok 3: Element danych z dołączonym nagłówkiem trafia do kolejnej warstwy, czyli warstwy sieciowej (w modelu OSI) lub warstwy internetowej (w modelu TCP/IP). Warstwa ta pobiera segmenty z poprzedniej warstwy i przeprowadza enkapsulację, dodając informacje o routingu, aby zapewnić poprawne dostarczenie danych. Po enkapsulacji, dane stają się datagramem lub pakietem.

Krok 4: Pakiet danych trafia do warstwy łącza danych w modelu TCP/IP lub OSI. Warstwa ta odbiera pakiet i hermetyzuje go, dołączając nagłówek i stopkę. W tym momencie nagłówek zawiera informacje o przełączaniu, zapewniające dostarczenie danych do właściwego komponentu sprzętowego. Natomiast stopka zawiera dane związane z wykrywaniem i minimalizacją błędów. Na tym etapie dane stają się ramką, która trafia do ostatniej warstwy.

Krok 5: Ramka danych z warstwy łącza danych trafia do warstwy fizycznej w modelu TCP/IP lub OSI. Warstwa ta hermetyzuje dane, przekształcając je na bity lub sygnały danych.

Jak działa de-enkapsulacja

Deenkapsulacja działa w odwrotnej kolejności niż enkapsulacja, czyli od warstwy fizycznej do warstwy aplikacji w modelu OSI lub TCP/IP. Wszystkie dodatkowe informacje, które zostały dodane do fragmentu danych w procesie enkapsulacji po stronie nadawcy, są usuwane w trakcie jego podróży po stronie odbiorcy.

Oto krok po kroku proces deenkapsulacji:

Krok 1: Enkapsulowane dane w warstwie fizycznej, czyli bity lub sygnały danych, są pobierane przez warstwę w celu deenkapsulacji. Dane przekształcają się teraz w ramkę, która jest przekazywana do wyższej warstwy, czyli warstwy łącza danych.

Krok 2: Warstwa łącza danych pobiera ramki i je dehermetyzuje. Warstwa ta sprawdza również, czy nagłówek ramki danych jest skierowany do właściwego sprzętu. Jeśli ramka danych ma niewłaściwe lub niepoprawne miejsce docelowe, jest odrzucana. Warstwa analizuje również stopkę ramki danych w poszukiwaniu informacji o błędach.

Jeśli w stopce lub danych zostanie znaleziony błąd, warstwa poprosi o ponowne przesłanie danych. Natomiast, jeśli stopka zawiera poprawne informacje, warstwa dehermetyzuje dane, tworząc datagram lub pakiet danych, który jest następnie przekazywany do wyższej warstwy.

Krok 3: Pakiet danych z warstwy łącza danych trafia do warstwy internetowej (w modelu TCP/IP) lub warstwy sieciowej (w modelu OSI). Warstwa ta pobiera pakiet, aby go zdehermetyzować i utworzyć segment danych.

Warstwa sprawdza nagłówek pakietu pod kątem informacji o routingu, aby upewnić się, że jest on kierowany do właściwego miejsca docelowego. Jeśli pakiet nie jest poprawnie przekierowany, zostaje odrzucony. Natomiast, jeśli nagłówek zawiera poprawne informacje o routingu, warstwa dehermetyzuje pakiet i wysyła go do wyższej warstwy, czyli warstwy transportowej.

Krok 4: Segmenty danych z warstwy internetowej lub warstwy sieciowej trafiają do warstwy transportowej w modelach TCP/IP i OSI. Warstwa transportowa pobiera segmenty, sprawdza informacje w ich nagłówkach i rozpoczyna ponowne składanie segmentów, tworząc strumienie danych, które są następnie przekazywane do wyższych warstw.

Krok 5: Strumienie danych z warstwy transportowej trafiają do warstwy aplikacji w modelu TCP/IP. W modelu OSI trafiają do warstwy sesji, prezentacji, a następnie do warstwy aplikacji. Warstwa (lub warstwy) pobiera strumienie danych i je dehermetyzuje, przekazując tylko dane specyficzne dla aplikacji do komputera lub aplikacji odbiorcy.

Zalety enkapsulacji

Do korzyści wynikających z enkapsulacji w sieciach zaliczyć można:

#1. Ochrona danych

Hermetyzacja pomaga wzmocnić ochronę danych i prywatność przed nieautoryzowanym dostępem. W dzisiejszym świecie, gdzie bezpieczeństwo danych jest tak istotne, enkapsulacja pomaga unikać zagrożeń online, takich jak kradzież danych i ataki. Dodatkowo, enkapsulacja umożliwia przyznanie dostępu do danych na określonych poziomach dla wybranych użytkowników.

#2. Wiarygodne dane

Enkapsulacja zapewnia integralność podstawowych danych, chroniąc je przed modyfikacją przez kod klienta. Określa również, czy podstawowe informacje są widoczne dla obiektów zewnętrznych. W przypadku braku enkapsulacji, nawet niewielka zmiana danych może prowadzić do uszkodzenia sieci.

#3. Dodatkowe funkcje i funkcjonalności

W procesie enkapsulacji dane są wzbogacane na różnych warstwach, co dodaje nowe funkcje i funkcjonalności do transmisji danych między nadawcą a odbiorcą. Do tych funkcji można zaliczyć kontrolę przepływu danych, routing, wykrywanie błędów, sekwencjonowanie danych i wiele innych. Zapewnia to poprawną i efektywną transmisję danych.

#4. Efektywna komunikacja

Procesy enkapsulacji i deenkapsulacji przebiegają równolegle w sieci. Enkapsulacja odbywa się po stronie nadawcy, natomiast deenkapsulacja po stronie odbiorcy. Dzięki temu komunikacja staje się bardziej efektywna, co jest korzystne zarówno dla nadawcy, jak i odbiorcy.

#5. Łatwa konserwacja

Błędy mogą wystąpić w dowolnym momencie, prowadząc do przerw w transmisji danych. Enkapsulacja pomaga zabezpieczyć połączenie i chroni dane przed manipulacją. Dzięki temu, podstawowe informacje pozostają bezpieczne, a ryzyko wystąpienia błędów jest zmniejszone, co ułatwia konserwację sieci.

Podsumowanie

Enkapsulacja i deenkapsulacja danych to istotne elementy działania sieci. Te techniki zapewniają prawidłowy przepływ danych w sieci, zwiększając bezpieczeństwo, prywatność, niezawodność i efektywność komunikacji.