มาตรฐานการสื่อสาร
ทำไมคอมพิวเตอร์คนละยี่ห้อ คนละระบบปฏิบัติการ ถึงคุยกันรู้เรื่อง — คำตอบคือ "แบ่งงานเป็นเลเยอร์" OSI 7 ชั้น, TCP/IP 4 ชั้น และการห่อข้อมูลทีละชั้นที่เรียกว่า Encapsulation
บทนี้เป็น "ฐาน" ของทั้งวิชา — ตัวมันเองมักไม่ออกเป็นข้อยาว ๆ แต่ทุกข้ออาศัยมันหมด โดยเฉพาะ ข้อ Q3 (Wireshark) ที่ถามว่าแอดเดรสไหนอยู่เลเยอร์ไหน ถ้าจำ PDU ทั้ง 5 ชื่อ (data → segment → packet → frame → bits) และจำได้ว่าอุปกรณ์ไหนทำงานที่เลเยอร์ไหน จะได้คะแนนฟรีหลายข้อ
องค์ประกอบเน็ตเวิร์กในระบบปฏิบัติการ
ระบบเน็ตเวิร์กอาจเล็กแค่คอมพิวเตอร์ 2 เครื่องต่อกันด้วยสายทองแดง หรือใหญ่เท่าอินเทอร์เน็ตที่เชื่อมอุปกรณ์นับล้านเครื่องทั่วโลก แต่ไม่ว่าจะขนาดไหน ภายในเครื่องหนึ่งเครื่องก็ต้องมีองค์ประกอบครบชุดเสมอ ตำราใช้ Linux เป็นตัวอย่างที่มีองค์ประกอบหลัก 4 ส่วน ได้แก่ แอปพลิเคชัน, Service, โปรโตคอล และ Adapter
โครงสร้างแบบนี้เขียนออกมาเป็น โมเดลเน็ตเวิร์ก (Network Architecture) ซึ่งมักนำเสนอในรูปแบบของเลเยอร์ เพื่อให้เห็นภาพรวมทั้งระบบ องค์ประกอบหลัก และส่วนเชื่อมต่อระหว่างกัน
แอปพลิเคชัน
ส่วนเชื่อมระหว่าง ผู้ใช้ กับ เคอร์เนล (kernel) ของ OS รับคำร้องขอ เช่น โอนไฟล์ ค้นฐานข้อมูล รับส่งข้อความ แล้วส่งต่อให้ระบบปฏิบัติการ จากนั้นส่วนจัดการเน็ตเวิร์กจะรวบรวมข้อมูลและกำหนดโปรโตคอลที่ใช้
เน็ตเวิร์กโปรโตคอล
ส่วนเชื่อมระหว่าง แอปพลิเคชัน กับ Network Driver หน้าที่หลากหลายมาก: กำหนดพอร์ตการสื่อสาร, ตรวจสอบข้อผิดพลาด, จัดรูปแบบข้อมูล, ค้นหาเส้นทาง, เข้ารหัสและยืนยันตัวตนเพื่อความปลอดภัย
Network Driver
ส่วนเชื่อมระหว่าง ซอฟต์แวร์ กับ ฮาร์ดแวร์ ทำให้ OS สื่อสารกับ NIC ได้ และจัดการ I/O interrupts ระหว่างการรับส่งข้อมูล
Network Adapter (NIC)
ฮาร์ดแวร์ที่ต่อสื่อกลางทางกายภาพเข้ากับคอมพิวเตอร์ แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นเฟรม (Frame) กำหนดอัตราการส่งและรูปแบบสัญญาณ ระบุตัวตน NIC ปลายทางผ่าน Hardware Address (MAC Address)
สื่อกลางทางกายภาพ (Physical Medium) เชื่อมโฮสต์สองเครื่องเข้าด้วยกัน โดยส่งสัญญาณไฟฟ้าที่แทนค่าบิตข้อมูลผ่านตัวกลาง เช่น สายทองแดง ไฟเบอร์ออปติก หรือคลื่นวิทยุ
ระบบเน็ตเวิร์กแสดงได้ด้วย 2 โมเดลหลัก คือ โมเดลมาตรฐาน OSI ที่พัฒนาโดย ISO แบ่งเป็น 7 เลเยอร์ และ โมเดลมาตรฐาน TCP/IP ที่สร้างบนพื้นฐานของ Transmission Control Protocol และ Internet Protocol
4.1โมเดลมาตรฐาน OSI
ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1947 องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน (International Standards Organization: ISO) ได้กำหนดมาตรฐานการสื่อสารออกเป็นเลเยอร์ เพื่อให้คอมพิวเตอร์ทุกเครื่องและอุปกรณ์เน็ตเวิร์กสื่อสารกันได้ โมเดลนี้เรียกว่า การเชื่อมต่อระหว่างระบบเปิด (Open System Interconnection: OSI) แบ่งการทำงานออกเป็น 7 เลเยอร์
ตัวย่อ ISO ไม่ใช่ตัวย่อของ "International Standards Organization" แบบตรงตัวเรียงอักษร และ OSI ≠ ISO — ISO คือ "องค์กร" ที่ออกมาตรฐาน ส่วน OSI คือ "ชื่อโมเดล" ที่องค์กรนั้นออก ข้อสอบชอบสลับสองคำนี้
หน้าที่ของแต่ละเลเยอร์ (ตามตำรา)
Layer 7 แอปพลิเคชันเลเยอร์
โปรโตคอลที่ทำให้แอปพลิเคชันสื่อสารในเน็ตเวิร์กได้ เช่น ท่องอินเทอร์เน็ตด้วยเว็บเบราว์เซอร์ผ่าน HTTP หรือ Microsoft Word จัดเก็บไฟล์ผ่านเน็ตเวิร์กด้วย Server Message Block (SMB)
- FTP (File Transfer Protocol) — โอนย้ายไฟล์ระหว่างเครื่อง
- DNS (Domain Name System) — ค้นหา IP address จากชื่อโฮสต์
- SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — รับและส่งอีเมล
Layer 6 พรีเซนเตชันเลเยอร์
แปลงรูปแบบข้อมูลให้แอปพลิเคชันเลเยอร์เข้าใจได้ — เข้ารหัส ถอดรหัส บีบอัด ขยายข้อมูล รวมถึงแปลงรหัสระหว่างระบบ เช่น EBCDIC ↔ ASCII
- JPEG (Joint Photographic Experts Group) — มาตรฐานภาพกราฟิก
- MPEG (Motion Picture Experts Group) — มาตรฐานภาพเคลื่อนไหว
Layer 5 เซสชันเลเยอร์
สร้าง บำรุงรักษา และยกเลิกการเชื่อมต่อระหว่างเครื่อง มีการทำงานหลัก 3 ส่วน: Dialog Control (ควบคุมการรับส่งข้อมูล), Token Management (จัดการสิทธิ์เข้าถึงทรัพยากร), Synchronization (ทำงานต่อเนื่องได้เมื่อการสื่อสารขาดช่วง)
- NFS (Network File System) — ใช้ไฟล์ร่วมกันต่างระบบ
- RPC (Remote Procedure Call) — เรียกใช้ฟังก์ชันบนเครื่องอื่นผ่านเน็ตเวิร์ก นิยมใช้กับ Distributed Systems
Layer 4 ทรานสปอร์ตเลเยอร์
ควบคุมการสื่อสารระหว่างเซสชัน ตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล และควบคุมการส่งแพ็กเก็ตที่สูญหายออกไปใหม่
- TCP — Connection-oriented รองรับ Error Recovery, Flow Control และ Reliability
- UDP — Connectionless ไม่รับประกันการส่ง (Unreliable) เหมาะกับมัลติมีเดีย เพราะเฮดเดอร์เล็กและยืดหยุ่นสูง
Layer 3 เน็ตเวิร์กเลเยอร์
ค้นหาเส้นทางที่ดีที่สุด สร้างวงจรเสมือน และกำหนดหมายเลขประจำตัวอุปกรณ์
- IP — กำหนด IP address ให้อุปกรณ์ ให้บริการแบบ Connectionless และ Unreliable หรือเรียกว่า Best Effort
- OSPF และ RIP — เร้าติ้งโปรโตคอลสำหรับค้นหาเส้นทาง
- ICMP (Internet Control Message Protocol) — ตรวจสอบและระบุปัญหาการเชื่อมต่อ
Layer 2 ดาต้าลิงก์เลเยอร์
จัดการแพ็กเก็ตที่ได้รับให้อยู่ในรูปของเฟรม (Frame) เพื่อส่งลงช่องสัญญาณ โดยตรวจสอบความผิดพลาดระหว่างโนดที่อยู่ติดกัน ป้องกันการส่งข้อมูลเร็วเกินไป และควบคุมการเข้าใช้ช่องสัญญาณร่วมกัน
ตัวอย่างโปรโตคอล: SLIP (Serial Line Internet Protocol) สำหรับกำหนดลำดับอักขระในการส่งแพ็กเก็ตของ IP บนการสื่อสารแบบอนุกรม
Layer 1 ฟิสิคอลเลเยอร์
ส่งบิตข้อมูลผ่านช่องสัญญาณ ทั้งแบบมีสายและไร้สาย แปลงสัญญาณเป็นสัญญาณไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือแสง กำหนดความเร็วการส่ง และรองรับสายสัญญาณหลายประเภท เช่น สายตีเกลียวคู่ สายโคแอกเชียล ไฟเบอร์ออปติก
มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง: RS-232 และ RS-449
Best Effort คืออะไร?
การที่เน็ตเวิร์กพยายามส่งข้อมูลไปยังปลายทาง โดยไม่มีการรับประกันว่าข้อมูลจะถึงครบถ้วน และไม่มีการส่งซ้ำหากเกิดความผิดพลาดหรือสูญหาย — IP ทำงานแบบนี้ ความน่าเชื่อถือจึงถูกยกไปให้ TCP ที่เลเยอร์บนกว่าจัดการแทน
ไม่ได้อยู่ในตำรา แต่ช่วยตอนสอบจริง — ท่องจากล่างขึ้นบน (1→7) ด้วยประโยค “Please Do Not Throw Sausage Pizza Away” = Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application · หรือจากบนลงล่าง (7→1) ด้วย “All People Seem To Need Data Processing”
ข้อดีของการแบ่งการทำงานเป็นเลเยอร์
เปรียบได้กับการแบ่งโปรแกรมขนาดใหญ่ออกเป็นฟังก์ชันย่อย ๆ ที่มีหน้าที่เฉพาะ ทำให้ตรวจสอบความผิดพลาดในแต่ละส่วนแยกกันได้
- แบ่งการทำงานออกเป็นส่วนย่อย ช่วยให้ตรวจสอบข้อผิดพลาดและพัฒนาอุปกรณ์ได้สะดวกขึ้น
- ส่งเสริมการพัฒนาอุปกรณ์เน็ตเวิร์กจากผู้ผลิตหลายรายภายใต้มาตรฐานเดียวกัน
- ทำให้ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ต่างชนิดสามารถสื่อสารกันได้
- การเปลี่ยนแปลงการทำงานของแต่ละเลเยอร์ไม่กระทบเลเยอร์อื่น
4.2โมเดลมาตรฐาน TCP/IP
โมเดล TCP/IP ถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปี ค.ศ. 1970 ก่อนการเกิดขึ้นของโมเดล OSI โดยกลุ่มวิจัยของ U.S. Department of Defense (DoD) เพื่อใช้ในสภาวะที่การสื่อสารอาจถูกทำลาย
แนวคิดหลักคือแบ่งข้อมูลออกเป็นแพ็กเก็ตที่สามารถส่งผ่านเส้นทางสำรองได้เมื่อเส้นทางหลักถูกทำลาย โดยปลายทางจะประกอบแพ็กเก็ตทั้งหมดขึ้นมาใหม่ การเรียกใช้ฟังก์ชันต่าง ๆ ทำผ่านโปรแกรมที่เรียกว่า ซ็อกเก็ต (Socket)
TCP/IP มาก่อน (ค.ศ. 1970) — OSI มาทีหลัง · แต่ ISO เริ่มวางมาตรฐานเลเยอร์มาตั้งแต่ ค.ศ. 1947 · ผลลัพธ์คือ โลกจริงใช้ TCP/IP ส่วน OSI ใช้เป็นภาษากลางในการอธิบาย เวลาเราพูดว่า "Layer 3 device" ก็อ้างเลข OSI แม้ระบบจริงจะรัน TCP/IP
โมเดลมาตรฐาน TCP/IP ประกอบด้วย 4 เลเยอร์ ได้แก่ Host-to-Network, Internet, Transport และ Application
| เลเยอร์ TCP/IP | เทียบกับ OSI | ทำอะไร | ตัวอย่างโปรโตคอล |
|---|---|---|---|
| Application | ครอบคลุม Application + Presentation + Session (L7, L6, L5) | บริการให้โปรแกรมผู้ใช้ | HTTP, FTP, DNS, SMTP, SMB |
| Transport | Transport และบางส่วนของ Session (L4 + บางส่วน L5) | ส่งถึงโปรเซสปลายทาง เชื่อถือได้/ไม่เชื่อถือได้ | TCP, UDP |
| Internet | Network (L3) | ค้นหาเส้นทางข้ามเน็ตเวิร์ก | IP, ICMP, OSPF, RIP |
| Host-to-Network | Data Link + Physical (L2, L1) | ส่งเฟรมและบิตบนสื่อกลางจริง | Ethernet, SLIP |
อย่าตอบว่า TCP/IP Transport = OSI Transport เฉย ๆ — ตำราระบุชัดว่า TCP/IP Transport เทียบได้กับ Transport Layer และ "บางส่วนของ Session Layer" ของ OSI ส่วน Application ของ TCP/IP ก็ครอบคลุม Session ด้วย (เลเยอร์ Session ของ OSI จึงถูก "แบ่งกันใช้" ระหว่างสองเลเยอร์บนของ TCP/IP)
4.3โมเดลโพรโตคอลแบบอื่น ๆ
แม้ TCP/IP จะได้รับความนิยมมากที่สุด แต่ยังมีโมเดลโปรโตคอลอื่นที่พัฒนาขึ้นเพื่อความเหมาะสมกับระบบเฉพาะ:
| โมเดล | พัฒนาเพื่อระบบ |
|---|---|
| NetBIOS / NetBEUI | Windows |
| IPX / SPX | NetWare |
| AppleTalk | Macintosh |
NetBIOS / NetBEUI บน Windows
NetBIOS (Network Basic Input/Output System) พัฒนาขึ้นในปี ค.ศ. 1983 โดยบริษัท Sytek ตามการว่าจ้างของ IBM สำหรับเน็ตเวิร์กในยุคแรก
ต่อมา Microsoft, 3Com และ IBM ร่วมกันพัฒนา NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) เพื่อทำงานในส่วนเลเยอร์ล่าง เทียบได้กับ Layer 2–4 ของ OSI · ปัจจุบัน Microsoft ยกเลิกการสนับสนุน NetBEUI ตั้งแต่ Windows XP
องค์ประกอบหลักของโมเดล Microsoft มีดังนี้:
- Redirector — ตรวจสอบการร้องขอว่าเป็นแบบ Local หรือ Remote ถ้าเป็น Local ส่งต่อไปยังระบบปฏิบัติการ ถ้าเป็น Remote ส่งต่อไปยัง SMB
- Server Message Block (SMB) — ส่งข้อมูลระหว่างคอมพิวเตอร์ในรูปแบบเมสเสจ สำหรับใช้ไฟล์ ไดเร็กทอรี และอุปกรณ์ร่วมกัน · ปัจจุบัน Linux และ UNIX ส่วนใหญ่ก็รองรับ SMB เช่นกัน
- NetBIOS — ทำหน้าที่คล้าย Session Layer ของ OSI สร้างและรักษาสถานะการเชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอร์ รองรับทั้งแบบ Connection-oriented และ Connectionless และทำงานบน TCP/IP และ IPX/SPX ได้
- NetBEUI — ทำหน้าที่คล้าย Transport Layer ของ OSI จัดการการสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์ · แต่ไม่รองรับการค้นหาเส้นทาง (non-routable) จึงเหมาะกับเน็ตเวิร์กขนาดเล็กเท่านั้น Microsoft จึงหันมาใช้ TCP/IP เป็นหลักแทน
เหตุผลที่ NetBEUI ตาย = ไม่รองรับ routing ขยายข้ามเน็ตเวิร์กไม่ได้ · ส่วนที่รอดมาถึงทุกวันนี้คือ SMB (แชร์ไฟล์บน Windows/macOS/Linux ก็ยังใช้อยู่)
4.4ดาต้าเอ็นแคปซูเลทชัน (Data Encapsulation)
การส่งข้อมูลบนอินเทอร์เน็ต นอกจากจะส่งผ่านจากเลเยอร์หนึ่งไปยังอีกเลเยอร์หนึ่งแล้ว การเรียกชื่อข้อมูลในแต่ละเลเยอร์ยังแตกต่างกันด้วย
แต่ละเลเยอร์จะรับข้อมูลจากเลเยอร์ด้านบน แล้วเพิ่มเฮดเดอร์ (Header) — และบางครั้งมี Trailer — ของโปรโตคอลตัวเองลงไป เรียกรูปแบบข้อมูลในแต่ละเลเยอร์ว่า Protocol Data Unit (PDU)
กระบวนการเอ็นแคปซูเลทชัน 5 ขั้น
- Application Layer — ข้อมูลจากแอปพลิเคชัน เรียกว่า เมสเสจ (Message)
- Transport Layer — เพิ่มเฮดเดอร์ของ TCP หรือ UDP · TCP ส่งในรูปของ เซกเมนต์ (Segment) · UDP ส่งในรูปของ ดาต้าแกรม (Datagram)
- Network Layer — เพิ่มเฮดเดอร์ของ IP ระบุแอดเดรสต้นทางและปลายทาง เรียกข้อมูลชั้นนี้ว่า แพ็กเก็ต (Packet)
- Data Link Layer — เพิ่มเฮดเดอร์ที่ระบุ Hardware Address (MAC Address) ต้นทางและปลายทาง และเพิ่ม Trailer สำหรับตรวจสอบความผิดพลาด เรียกข้อมูลชั้นนี้ว่า เฟรม (Frame)
- Physical Layer — แปลงเฟรมให้อยู่ในรูปแบบสัญญาณที่เหมาะสมกับสื่อกลางที่ใช้
ตารางสรุป PDU ที่ต้องท่องให้ได้
| เลเยอร์ | ชื่อ PDU | เพิ่มอะไรลงไป | แอดเดรสที่เพิ่ม | อุปกรณ์ที่อ่านเฮดเดอร์นี้ |
|---|---|---|---|---|
| Application (L7–L5) | เมสเสจ (Message) / Data | เฮดเดอร์ของแอปพลิเคชัน | Specific address (เช่น URL) | Gateway / Proxy |
| Transport (L4) | เซกเมนต์ (TCP) / ดาต้าแกรม (UDP) | TCP/UDP header | Port address | Firewall, L4 Load Balancer |
| Network (L3) | แพ็กเก็ต (Packet) | IP header | Logical address (IP) | เร้าเตอร์, L3 Switch |
| Data Link (L2) | เฟรม (Frame) | เฮดเดอร์ + Trailer | Physical address (MAC) | สวิตช์, บริดจ์, NIC |
| Physical (L1) | บิต (Bits) / สัญญาณ | ไม่มีเฮดเดอร์ — แปลงเป็นสัญญาณ | ไม่มี | ฮับ, รีพีตเตอร์, สาย |
คอลัมน์อุปกรณ์ไม่ได้อยู่ในบทที่ 4 (ตำราอธิบายอุปกรณ์ไว้ใน บทที่ 8) แต่ใส่ไว้ตรงนี้เพราะข้อสอบชอบถามคู่กับเลเยอร์ — ฮับ = L1, สวิตช์ = L2, เร้าเตอร์ = L3 ท่องแค่สามตัวนี้ก็พอสำหรับข้อ concept
- มีแค่ Data Link Layer เท่านั้นที่เพิ่มทั้ง Header และ Trailer เลเยอร์อื่นเพิ่มเฉพาะ Header
- ที่ Transport ชื่อ PDU ขึ้นกับโปรโตคอล — TCP = เซกเมนต์, UDP = ดาต้าแกรม ห้ามเรียก UDP ว่า "เซกเมนต์"
- คำว่า "แพ็กเก็ต" ในภาษาพูดหมายถึงอะไรก็ได้ที่วิ่งในเน็ตเวิร์ก แต่ในข้อสอบ แพ็กเก็ต = PDU ของ Layer 3 เท่านั้น
ตอนเปิดตำราหน้า 29 จะเจอว่าภาพที่พิมพ์อยู่ใต้คำบรรยาย "รูปที่ 4.6: กระบวนการเอ็นแคปซูเลทชันของ TCP/IP" เป็นภาพวาดการ์ตูนลายเส้น ไม่ได้แสดงกระบวนการห่อข้อมูลแต่อย่างใด (น่าจะเป็นภาพที่ค้างอยู่ตั้งแต่ตอนร่างแล้วลืมเปลี่ยน) — ให้ยึดรูปที่ 4.5 กับลำดับ 5 ขั้นข้างบนเป็นเนื้อหาของหัวข้อ 4.4 แทน ถ้าข้อสอบให้วาดกระบวนการเอ็นแคปซูเลทชัน ให้วาดแบบ "เมสเสจ → +TCP/UDP header = เซกเมนต์/ดาต้าแกรม → +IP header = แพ็กเก็ต → +MAC header/trailer = เฟรม → สัญญาณ"
เอ็นแคปซูเลทชันเมื่อส่งจริงข้ามเน็ตเวิร์ก
ลำดับ 5 ขั้นข้างบนคือการห่อ–แกะระหว่างต้นทางกับปลายทางสองเครื่อง แต่ในความเป็นจริงข้อมูลมักต้องผ่านเร้าเตอร์หลายตัวก่อนถึงปลายทาง และตรงนี้เองที่เกิดข้อเท็จจริงสำคัญที่สุดของบทนี้:
เหตุผล: MAC address ใช้ระบุ "เพื่อนบ้านที่ต่อกันโดยตรง" (โนดที่อยู่ติดกัน) ส่วน IP address ใช้ระบุ "ปลายทางสุดท้าย" ดังนั้นทุกครั้งที่เร้าเตอร์รับเฟรมเข้ามา มันจะแกะเฟรมทิ้ง อ่าน IP header เพื่อหาเส้นทาง แล้วสร้างเฟรมใหม่ด้วย MAC ของลิงก์ถัดไป
"เฟรมถูกสร้างใหม่ทุก hop เพราะ MAC address มีความหมายเฉพาะภายในลิงก์เดียว (local scope) แต่ IP address มีความหมายตลอดเส้นทาง (end-to-end scope) จึงไม่เปลี่ยนจนกว่าจะมี NAT เข้ามาเกี่ยวข้อง"
เช็คความเข้าใจ
- OSI 7 เลเยอร์ เรียงให้ถูก — Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application
- PDU 5 ชื่อ: Data/Message → Segment (หรือ Datagram) → Packet → Frame → Bits
- ตารางเทียบ TCP/IP 4 ชั้น: Application (L7+L6+L5), Transport (L4 + บางส่วน L5), Internet (L3), Host-to-Network (L2+L1)
- อุปกรณ์: ฮับ = L1 · สวิตช์ = L2 · เร้าเตอร์ = L3
- IP = Best Effort (Connectionless, Unreliable) · TCP = Connection-oriented + Error Recovery + Flow Control
- MAC เปลี่ยนทุก hop, IP ไม่เปลี่ยน — ใช้ตอบได้ทั้ง Q3 และข้อเกี่ยวกับเร้าเตอร์
- NetBEUI ตายเพราะ ไม่ routable · SMB ยังอยู่