Как работают сетевые устройства согласно сетевой модели OSI. Модель взаимодействия открытых систем (OSI)

Сетевая модель OSI (англ.open systems interconnection basic reference model - базовая эталонная модельвзаимодействия открытых систем) -сетевая модельстекасетевых протоколовOSI/ISO.

В связи с затянувшейся разработкой протоколов OSI, в настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, он был разработан ещё до принятия модели OSI и вне связи с ней.

Уровни модели osi

В литературе наиболее часто принято начинать описание уровней модели OSI с 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем - физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.),

тип модуляции сигнала,

сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже - вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню с некоторой долей условности соответствует свой операнд - логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица - бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом - в пакеты (датаграммы), на транспортном - в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи - кадр, пакет, датаграмма - считается сообщением. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней.

К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (уровень приложений) - верхний уровень модели, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

позволяет приложениям использовать сетевые службы:

• удалённый доступ к файлам и базам данных,

  пересылка электронной почты;

отвечает за передачу служебной информации;

предоставляет приложениям информацию об ошибках;

формирует запросы к уровню представления.

Протоколы прикладного уровня: RDP HTTP (HyperText Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), SNMP (Simple Network Management Protocol), POP3 (Post Office Protocol Version 3), FTP (File Transfer Protocol), XMPP, OSCAR,Modbus, SIP,TELNETи другие.

Представительский уровень

Представительский уровень (уровень представления; англ.presentation layer ) обеспечивает преобразование протоколов и шифрование/дешифрование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень представлений обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.

Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы. Одна использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC, например, это может бытьмейнфреймкомпанииIBM, а другая - американский стандартный код обмена информациейASCII(его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.

Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными получателями. Чтобы решить эту задачу, процессы и коды, находящиеся на уровне представлений, должны выполнить преобразование данных.

Стандарты уровня представлений также определяют способы представления графических изображений. Для этих целей может использоваться формат PICT- формат изображений, применяемый для передачи графики QuickDraw между программами. Другим форматом представлений является тэгированный формат файлов изображенийTIFF, который обычно используется для растровых изображений с высокимразрешением. Следующим стандартом уровня представлений, который может использоваться для графических изображений, является стандартJPEG.

Существует другая группа стандартов уровня представлений, которая определяет представление звука и кинофрагментов. Сюда входят интерфейс электронных музыкальных инструментов (MIDI) для цифрового представления музыки, разработанный Экспертной группой по кинематографии стандартMPEG.

Протоколы уровня представления: AFP - Apple Filing Protocol, ICA -Independent Computing Architecture, LPP - Lightweight Presentation Protocol, NCP -NetWare Core Protocol, NDR -Network Data Representation, XDR -eXternal Data Representation, X.25 PAD -Packet Assembler/Disassembler Protocol.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (англ.session layer ) модели обеспечивает поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений.

Протоколы сеансового уровня: ADSP, ASP, H.245, ISO-SP (OSI Session Layer Protocol (X.225, ISO 8327)), iSNS, L2F, L2TP, NetBIOS, PAP (Password Authentication Protocol), PPTP, RPC, RTCP, SMPP, SCP (Session Control Protocol), ZIP (Zone Information Protocol), SDP (Sockets Direct Protocol)..

Транспортный уровень

Транспортный уровень (англ.transport layer ) модели предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю. При этом уровень надёжности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных. Например, UDPограничивается контролем целостности данных в рамках одной датаграммы и не исключает возможности потери пакета целиком или дублирования пакетов, нарушения порядка получения пакетов данных;TCPобеспечивает надёжную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и, наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

Протоколы транспортного уровня: ATP, CUDP, DCCP, FCP, IL, NBF, NCP, RTP, SCTP, SPX, SST, TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сетевой уровень

Сетевой уровень (англ.network layer ) модели предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства (маршрутизаторы) условно называют устройствами третьего уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX, X.25, CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколы маршрутизации - RIP, OSPF.

Канальный уровень

Канальный уровень (англ.data link layer ) предназначен для обеспечения взаимодействия сетей по физическому уровню и контролем над ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.

Спецификация IEEE 802разделяет этот уровень на два подуровня:MAC(англ.media access control ) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC(англ.logical link control ) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают коммутаторы,мостыи другие устройства. Эти устройства используют адресацию второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы канального уровня- ARCnet,ATMEthernet,Ethernet Automatic Protection Switching(EAPS),IEEE 802.2,IEEE 802.11wireless LAN,LocalTalk, (MPLS),Point-to-Point Protocol(PPP),Point-to-Point Protocol over Ethernet(PPPoE),StarLan,Token ring,Unidirectional Link Detection(UDLD),x.25.

Физический уровень

Физический уровень (англ.physical layer ) - нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства (компьютера) к другому. Осуществляют передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов.

На этом уровне также работают концентраторы,повторителисигнала имедиаконвертеры.

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие виды сред передачи данных как оптоволокно,витая пара,коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются:V.35,RS-232,RS-485, RJ-11,RJ-45, разъемыAUIиBNC.

Протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth),IRDA,EIARS-232,EIA-422,EIA-423,RS-449,RS-485,DSL,ISDN,SONET/SDH,802.11Wi-Fi,Etherloop,GSMUm radio interface,ITUиITU-T,TransferJet,ARINC 818,G.hn/G.9960.

Семейство TCP/IP

Семейство TCP/IPимеет три транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий OSI, обеспечивающий проверку получения данных;UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмендатаграммамимежду приложениями, не гарантирующий получения данных; иSCTP, разработанный для устранения некоторых недостатков TCP, в который добавлены некоторые новшества. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является служебный протоколICMP, используемый для внутренних нужд обеспечения работы; остальные также не являются транспортными протоколами).

Семейство IPX/SPX

В семействе IPX/SPXпорты (называемые сокетами или гнёздами) появляются в протоколе сетевого уровня IPX, обеспечивая обмендатаграммамимежду приложениями (операционная система резервирует часть сокетов для себя). Протокол SPX, в свою очередь, дополняет IPX всеми остальными возможностями транспортного уровня в полном соответствии с OSI.

В качестве адреса хоста IPX использует идентификатор, образованный из четырёхбайтного номера сети (назначаемого маршрутизаторами) и MAC-адреса сетевого адаптера.

Модель TCP/IP (5 уровней)

Прикладной (5) уровень (Application Layer) или уровень приложений обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например, программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет всеми остальными уровнями. Например, если пользователь работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своей директории на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает перемещение файла с рабочего компьютера на сетевой диск прозрачно для пользователя.

Транспортный (4) уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, а также в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка на блоки передаваемых данных, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Доставка пакетов возможна как с установлением соединения (виртуального канала), так и без. Транспортный уровень является пограничным и связующим между верхними тремя, сильно зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, сильно привязанными к конкретной сети.

Сетевой (3) уровень (Network Layer) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен (логических адресов, например, IP-адресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно). На этом же уровне решается задача выбора маршрута (пути), по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов). На сетевом уровне действуют такие сложные промежуточные сетевые устройства, как маршрутизаторы.

Канальный (2) уровень или уровень управления линией передачи (Data link Layer) отвечает за формирование пакетов (кадров) стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи путем подсчета контрольных сумм, и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов. Канальный уровень делится на два подуровня: верхний LLC и нижний MAC. На канальном уровне работают такие промежуточные сетевые устройства, как, например, коммутаторы.

Физический (1) уровень (Physical Layer) – это самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в используемой среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д. На физическом уровне работают такие сетевые устройства, как трансиверы, репитеры и репитерные концентраторы.

Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) - абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов.

Модель состоит из 7-ми уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции. Несмотря на существование других моделей, большинство сетевых производителей сегодня разрабатывают свои продукты на основе этой структуры.

Уровни OSI

Каждый уровень модели OSI отвечает за часть процесса обработки по подготовке данных к передаче по сети.

Согласно модели OSI в процессе передачи данные буквально проходят сверху вниз по уровням модели OSI отправляющего компьютера и вверх по уровням модели OSI принимающего компьютера. На принимающем компьютере происходит процесс, обратный инкапсуляции. Биты прибывают на физический уровень модели OSI принимающего компьютера. В процессе перемещения вверх по уровням OSI принимающего компьютера данные поступят на прикладной уровень.

Мы видим, что, чем выше уровень - тем выше степень абстракции от передачи данных, к работе с самими данными. Это и есть смысл всей модели OSI: поднимаясь все выше и выше по ступенькам ее лестницы, мы все меньше и меньше заботимся о том, как данные передаются, мы все больше и больше становимся заинтересованными в самих данных, нежели в средствах для их передачи. Нас, как программистов, интересуют уровни 3, 4 и 5. Мы должны использовать средства, которые они предоставляют, для того чтобы построить 6 и 7 уровни, с которыми смогут работать конечные пользователи.

Сетевой уровень

На сетевом уровне OSI реализованы протоколы IP(Структура межсетевого протокола IPv4 ,IPv6), IPX, IGMP, ICMP, ARP.

Нужно понимать почему возникла необходимость к построению сетевого уровня, почему сети построенные с помощью средств канального и физического уровня не смогли удовлетворять требования пользователей.

Создать сложную, структурированную сеть с интеграцией различных базовых сетевых технологий, можно и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Естественно в целом трафик в такой сети складывается случайным образом, но с другой стороны он характеризуется и некоторыми закономерностями. Как правило, в такой сети некоторые пользователи, работающие над общей задачей, (например, сотрудники одного отдела) чаще всего обращаются с запросами либо друг к другу, либо к общему серверу, и только иногда им необходим доступ к ресурсам компьютеров другого отдела. Поэтому в зависимости от сетевого трафика компьютеры в сети разделяют на группы, которые называют сегменты сети. Компьютеры объединяются в группу, если большая часть их сообщений предназначена (адресована) компьютерам этой же группы. Разделение сети на сегменты, могут осуществлять мосты и коммутаторы. Они экранируют локальный трафик внутри сегмента, не передавая за его пределы никаких кадров, кроме тех, которые адресованы компьютерам, находящимся в других сегментах. Таким образом, одна сеть распадается на отдельные подсети. Из этих подсетей в дальнейшем могут быть построены составные сети достаточно крупных размеров.

Идея разбиения на подсети - это основа построения составных сетей.

Сеть называется составной (internetwork или internet), если она может быть представлена в виде совокупности нескольких сетей. Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями, каждая из которых может работать на основе собственной технологии канального уровня (хотя это и не обязательно).

Но, воплощение этой идеи в жизнь с помощью повторителей, мостов, и коммутаторов имеет очень существенные ограничения и недостатки.

В топологии сети построенной как с помощью повторителей, так и мостов или коммутаторов, должны отсутствовать петли. Действительно, мост или коммутатор может решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. Хотя в то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет образования резервных путей.

Логические сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами, слабо изолированы друг от друга. Они не защищены от широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Администратор должен вручную ограничивать количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу в единицу времени. В принципе некоторым образом удалось ликвидировать проблему широковещательных штормов с использованием механизма виртуальных сетей(Настройка VLAN Debian D-Link), реализованного во многих коммутаторах. Но в этом случае, хотя и возможно достаточно гибко создавать изолированные по трафику группы станций, но при этом они изолированы полностью, то есть узлы одной виртуальной сети не могут взаимодействовать с узлами другой виртуальной сети.

В сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете. В таких сетях это возможно только с помощью пользовательских фильтров, для задания которых администратору приходится иметь дело с двоичным представлением содержимого пакетов.

Реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровней, к которым относятся мосты и коммутаторы, приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации: в качестве адреса станции получателя используется MAC -адрес - адрес, который жестко связан с сетевым адаптером.

Все приведенные недостатки мостов и коммутаторов связаны только с тем, что они работают по протоколам канального уровня. Все дело в том, что эти протоколы в явном виде не определяют понятие часть сети (или подсеть, или сегмент), которое можно было бы использовать при структуризации большой сети. Поэтому разработчики сетевых технологий решили поручить задачу построения составной сети новому уровню - сетевому.

Понятие “открытая система” и проблемы стандартизации

Универсальный тезис о пользе стандартизации, справедливый для всех отраслей, в компьютерных сетях приобретает особое значение. Суть сети - это соединение разного оборудования, а значит, проблема совместимости является одной из наи­более острых. Без принятия всеми производителями общепринятых правил пост­роения оборудования прогресс в деле “строительства” сетей был бы невозможен. Поэтому все развитие компьютерной отрасли в конечном счете отражено в стан­дартах - любая новая технология только тогда приобретает “законный” статус, когда ее содержание закрепляется в соответствующем стандарте.

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является мно­гоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаи­модействия открытых систем, ставшая своего рода универсальным языком сетевых специалистов.

Многоуровневый подход. Протокол. Интерфейс. Стек протоколов

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной зада­чей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный при­ем - декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей (рис. 1.20). Процедура декомпозиции включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, и интер­фейсов между ними. В результате достигается логическое упрощение задачи, а кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

При декомпозиции часто используют многоуровневый подход. Он заключается в следующем. Все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерар­хию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни (рис. 1.21). Множе­ство модулей, составляющих каждый уровень, сформировано таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям не­посредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результа­ты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню,могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такая иерархическая деком­позиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и воз­можность их легкой замены.

При этом модули нижне­го уровня могут, например, решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня. А на верхнем уровне работают модули, предоставляющие пользователям доступ к различным службам - файловой, печати и т. п. Конечно, это только один из множествавозможных вариантов деления общей задачи организации сетевого взаимодействия на частные под­задачи.

Многоуровневый подход к описанию и реализации функций системы применя­ется не только в отношении сетевых средств. Такая модель функционирования используется, например, в локальных файловых системах, когда поступивший за­прос на доступ к файлу последовательно обрабатывается несколькими программ­ными уровнями (рис. 1.22). Запрос вначале анализируется верхним уровнем, на котором осуществляется последовательный разбор составного символьного имени файла и определение уникального идентификатора файла. Следующий уровень находит по уникальному имени все основные характеристики файла: адрес, атри­буты доступа и т. п. Затем на более низком уровне осуществляется проверка прав доступа к этому файлу, а далее, после расчета координат области файла, содержа­щей требуемые данные, выполняется физический обмен с внешним устройством с помощью драйвера диска.

Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют две машины, то есть в данном случае необходимо организовать согласованную работу двух “иерархий”. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т. п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого - уровня передачи битов - до самого высокого, реализующего сервис для пользователей сети.

На рис. 1.23 показана модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимо­действия этих двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодей­ствия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон.

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предо­ставляемый данным уровнем соседнему уровню.

В сущности, протокол и интер­фейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия моду­лей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы - модулей соседних уровней в одном узле.

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организа­ции взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных прото­колов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программ­ных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней - как правило, чисто программными средствами.

Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют “протоколом”.При этом соотношение между протоколом - фор­мально определенной процедурой и протоколом - программным модулем, реали­зующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.

Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно так же и протокол может иметь несколько про­граммных реализации. Именно поэтому при сравнении протоколов следует учиты­вать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокуп­ности протоколов, составляющих стек, в частности, насколько рационально рас­пределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы междуними.

Модель OSI

Из того, что протокол является соглашением, принятым двумя взаимодействую­щими объектами, в данном случае двумя работающими в сети компьютерами, со­всем не следует, что он обязательно является стандартным. Но на практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты.

В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU-T и некоторые другие, разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection , OSI ) или моделью OSI. Модель OSI определя­ет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указы­вает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель OSI была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютер­ных сетей, в основном глобальных, в 70-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

В модели OSI (рис. 1.25) средства взаимодействия делятся на семь уровней:

Прикладной

Представительный

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический.

Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимо­действия сетевых устройств.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуе­мые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реали­зуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.

Следует также иметь в виду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI. Например, некоторые СУБД имеют встро­енные средства удаленного доступа к файлам. В этом случае приложение, выпол­няя доступ к удаленным ресурсам, не использует системную файловую службу: оно обходит верхние уровни модели OSI и обращается напрямую к системным средствам, ответственным за транспортировку сообщений по сети, которые распо­лагаются на нижних уровнях модели OSI.

Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, напри­мер к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сооб­щение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню ма­шины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. В нашем слу­чае заголовок, очевидно, должен содержать информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить. Поле данных сообще­ния может быть пустым или содержать какие-либо данные, например те, которые необходимо записать в удаленный файл. Но для того чтобы доставить эту ин­формацию по назначению, предстоит решить еще много задач, ответственность за которые несут нижележащие уровни.

После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основа­нии информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требу­емые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протоко­ла представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообще­ние передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. (Некоторые реализации протоколов помещают служебную ин­формацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого “концевика”-.) Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение “обрастает” заголовками всех уровней (рис. 1.26).

Когда сообщение по сети поступает на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатываетзаголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и пе­редает сообщение вышележащему уровню.

Наряду с термином сообщение (message ) существуют и другие термины, приме­няемые сетевыми специалистами для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которымиимеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных ( Protocol Data Unit , PDU ). Для обозначения блоков данных определенныхуровней- часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейта­грамма (datagram), сегмент (segment).

В модели OSI различаются два основных типа протоколов.В протоколах с установлением соединения (connection - oriented ) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать неко­торые параметры протокола, которые они будут использовать приобмене данны­ми.После завершения диалога они должны разорвать этосоединение. Телефон - это примервзаимодействия, основанного на установлениисоединения.

Вторая группа протоколов - протоколы без предварительного установления со­единения (connectionless ). Такие протоколы называются также дейтаграммнылш про­токолами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово. Опускание письма в почтовый ящик - это пример связи без предварительного установления соединения. При взаимодействии компьютеров используются протоколы обоих типов.

Уровни модели OSI

Физический уровень

физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволо­конный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих диск­ретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряже­ния или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключен­ных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровнявыполняютсясетевым адаптером или последовательным портом.

Примером протокола физического уровняможет служить спецификация1OBase- Tтехнологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкра­нированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением100 Ом, разъемRJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров,манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.

Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) поперемен­но несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда пе­редачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канальногоуровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.Дляэтого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames ). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая всебайтыкадра определенным способом и добавлял контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпада­ют, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровеньможет не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обя­зательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay.

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологи­ей связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типо­вым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уров­ня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, lOOVG-AnyLAN.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канально­го уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, каналь­ный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседни­ми компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов “точка-точка” (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР и LAP-B. В таких случаях для достав­ки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня. Именно так организованы сети Х.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий АТМ и frame relay.

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу поверх них непосредственно протоколов при­кладного уровня или приложений, без привлечения средств сетевого и транспорт­ного уровней. Например, существует реализация протокола управления сетью SNMP непосредственно поверх Ethernet, хотя стандартно этот протокол работает поверх сетевого протокола IP и транспортного протокола UDP. Естественно, что примене­ние такой реализации будет ограниченным - она не подходит для составных сетей разных технологий, например Ethernet и Х.25, и даже для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между сегментами существуют петлевид-ные связи. А вот в двухсегментной сети Ethernet, объединенной мостом, реализа­ция SNMP над канальным уровнем будет вполне работоспособна.

Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в се­тях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недо­статочно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причемэти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Начнем их рассмотрение на примере объединения локальных сетей.

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, на­пример топологией иерархической звезды. Это очень жесткое ограничение, кото­рое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Можно было бы усложнять прото­колы канального уровня для поддержания петлевидных избыточных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы с одной стороны сохранить простоту процедур передачи данных для типо­вых топологии, а с другой допустить использование произвольных топологий, вво­дится дополнительный сетевой уровень.

На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. В дан­ном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уров­нем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает инфор­мацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно со­вершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от hop - прыжок), каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, марш­рут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые про­ходит пакет.

На рис. 1.27 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Меж­ду узлами А и В данной сети пролегают два маршрута: первый через маршрутиза­торы 1 и 3, а второй через маршрутизаторы 1,2 и 3.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности графика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осу­ществляться и по другим критериям, например надежности передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сооб­щений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологии, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets ). При органи­зации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие “номер сети”. В этом случае адрес получателя состоит из старшей части - номера сети и млад­шей - номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину “сеть” на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть - это совокупность узлов, сетевой ад­рес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид - сетевые протоколы (routedprotocols ) - реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршру­тизации (routing protocols ). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собира­ют информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также" программ­ными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаи­модействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Транспортный уровень

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие,которые предпочитают сразу иметь дело с надежнымсоедине­нием. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верх­нимуровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между раз­личными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а глав­ное - способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи,таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими прило­жениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного - сетевым, канальным и физическим. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уров­ня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства нижних уровней изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя макси­мум средств, для обнаружения и устранения ошибок, - с помощью предвари­тельного установления логического соединения, контроля доставки сообщений по контрольным суммам и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т. п.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализу­ются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно при­вести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым транспор­том или транспортной подсистемой, так как они полностью решают задачу транс­портировки сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имею­щейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень

Сеансовыйуровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней конт­рольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоко­лов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень

Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представле­ния передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной си­стемы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и де­шифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечи­вается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сооб­щениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application layer) - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают до­ступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помо­щью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует приклад­ной уровень, обычно называется сообщением (message ).

Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня. Приведем в качестве примера хотя бы несколько наиболее распространенных реализации файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп:

либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализаци­ей сети и используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и каналь­ного уровней во всех узлах сети.

Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый - ориенти­рованы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию lOOVG-AnyLAN не по­требует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции при­кладного, представительного и сеансового уровней.

Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функ­ционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать прило­жения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений.

На рис. 1.28 показаны уровни моделиOSI, на которых работают различные элементы сети. Компьютер с установленной на нем сетевой ОС взаимодейству­ет с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней.Этовзаимодействие компьютеры осуществляют опосредовано через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор).

На рис. 1.29 показано соответствие функций различных коммуникационных устройств уровням модели OSI.

Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих мо­делей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, службами, поддерживаемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

Разработка которого не была связана с моделью OSI.

Уровни модели OSI

Модель состоит из 7-ми уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции. Подробнее можно посмотреть на рисунке.

Прикладной (Приложений) уровень (англ. Application layer )

Верхний уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалённый доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления . Пример: HTTP , POP3 , SMTP , FTP , XMPP , OSCAR , BitTorrent , MODBUS, SIP

Представительский (Уровень представления) (англ. Presentation layer )

Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой. Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы. Одна использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC , например, это может быть мэйнфрейм компании IBM, а другая - американский стандартный код обмена информацией ASCII (его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.

Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными получателями. Чтобы решить эту задачу, процессы и коды, находящиеся на уровне представлений, должны выполнить преобразование данных. На этом уровне существуют и другие подпрограммы, которые сжимают тексты и преобразовывают графические изображения в битовые потоки, так что они могут передаваться по сети.

Стандарты уровня представлений также определяют способы представления графических изображений. Для этих целей может использоваться формат PICT - формат изображений, применяемый для передачи графики QuickDraw между программами для компьютеров Macintosh и PowerPC. Другим форматом представлений является тэгированный формат файлов изображений TIFF , который обычно используется для растровых изображений с высоким разрешением. Следующим стандартом уровня представлений, который может использоваться для графических изображений, является стандарт, разработанный Объединенной экспертной группой по фотографии (Joint Photographic Expert Group); в повседневном пользовании этот стандарт называют просто JPEG .

Существует другая группа стандартов уровня представлений, которая определяет представление звука и кинофрагментов. Сюда входят интерфейс электронных музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) для цифрового представления музыки, разработанный Экспертной группой по кинематографии стандарт MPEG , используемый для сжатия и кодирования видеороликов на компакт-дисках, хранения в оцифрованном виде и передачи со скоростями до 1,5 Мбит/с, и QuickTime - стандарт, описывающий звуковые и видео элементы для программ, выполняемых на компьютерах Macintosh и PowerPC.

Сеансовый уровень (англ. Session layer )

5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.

Транспортный уровень (англ. Transport layer )

4-й уровень модели предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Пример: TCP , UDP .

Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Некоторые протоколы сетевого уровня, называемые протоколами без установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень. Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных - это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

Описать работу протоколов с установкой соединения можно на примере работы обычного телефона. Протоколы этого класса начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь.

Протоколы без установки соединения, которые посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете, работают аналогично почтовой системе. Каждое письмо или пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждый промежуточный почтамт или сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена. За установку данных в соответствующем порядке при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы.

Сетевой уровень (англ. Network layer )

3-й уровень сетевой модели OSI предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор .

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю.

Канальный уровень (англ. Data Link layer )

Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы , проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня - MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI , NDIS

Физический уровень (англ. Physical layer )

Самый нижний уровень модели предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов . Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

Протоколы: IRDA , USB , EIA RS-232 , EIA-422 , EIA-423 , RS-449 , RS-485 , Ethernet (включая 10BASE-T , 10BASE2 ,

Основная недоработка OSI - непродуманный транспортный уровень. На нём OSI позволяет осуществлять обмен данными между приложениями (вводя понятие порта - идентификатора приложения), однако, возможность обмена простыми датаграммами (по типу UDP) в OSI не предусмотрена - транспортный уровень должен образовывать соединения, обеспечивать доставку, управлять потоком и т. п. (по типу TCP). Реальные же протоколы реализуют такую возможность.

Семейство TCP/IP

Семейство TCP/IP имеет три транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий OSI, обеспечивающий проверку получения данных, UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмен датаграммами между приложениями, не гарантирующий получения данных и SCTP , разработанный для устранения некоторых недостатков TCP и в который добавлены некоторые новшества. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является служебный протокол ICMP , используемый для внутренних нужд обеспечения работы; остальные также не являются транспортными протоколами.)

Семейство IPX/SPX

В семействе IPX/SPX порты (называемые «сокеты» или «гнёзда») появляются в протоколе сетевого уровня IPX, обеспечивая обмен датаграммами между приложениями (операционная система резервирует часть сокетов для себя). Протокол SPX, в свою очередь, дополняет IPX всеми остальными возможностями транспортного уровня в полном соответствии с OSI.

В качестве адреса хоста IPX использует идентификатор, образованный из четырёхбайтного номера сети (назначаемого маршрутизаторами) и MAC-адреса сетевого адаптера.

Модель DOD

Стек протоколов TCP/IP, использующий упрощённую четырёхуровневую модель OSI.

Адресация в IPv6

Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:

• Unicast – индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел – компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.
• Cluster – адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).
• Multicast – адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.

Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast .

Адрес этого класса имеет следующую структуру:

Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы, и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.

Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.

Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, таких как телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.

Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адреса локальных сетей непосредственно.

Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.

Критика

Семиуровневая модель OSI критиковалась некоторыми специалистами. В частности в классической книге «UNIX. Руководство системного администратора» Эви Немет и другие пишут:

… Пока комитеты ISO спорили о своих стандартах, за их спиной менялась вся концепция организации сетей и по всему миру внедрялся протокол TCP/IP. …
…
И вот, когда протоколы ISO были наконец реализованы,выявился целый ряд проблем:
Эти протоколы основывались на концепциях, не имеющих в современных сетях никакого смысла.
Их спецификации были в некоторых случаях неполными.
По своим функциональным возможностям они уступали другим протоколам.
Наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации.
…
… Сейчас даже самые рьяные сторонники этих протоколов признают, что OSI постепенно движется к тому, чтобы стать маленькой сноской на страницах истории компьютеров.

Современный мир ИТ - огромная ветвящаяся сложная для понимания структура. Чтобы упростить понимание и улучшить отладку ещё на этапе проектирования протоколов и систем была использована архитектура модульности. Нам гораздо проще выяснить, что проблема в видеочипе, когда видеокарта идет отдельным от остального оборудования устройством. Или заметить проблему в отдельном участке сети, чем перелопачивать всю сеть целиком.

Отдельно взятый пласт ИТ - сеть - тоже построена модульно. Модель функционирования сети назывется сетевая модель базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI. Кратко - модель OSI.

Модель OSI состоит из 7 уровней. Каждый уровень абстрагирован от других и ничего не знает о их существовании. Модель OSI можно сравнить с устройством автомобиля: двигатель выполняет свою работу, создавая крутящий момент и отдавая его коробке передач. Двигателю абсолютно без разницы что дальше будет происходить с этим крутящим моментом. Будет он крутить колесо, гусеницу или пропеллер. Точно так же как и колесу нет никакого дела откуда к нему пришел этот крутящий момент - от двигателя или рукоятки, которую крутит механик.

Здесь необходимо добавить понятие полезной нагрузки. Каждый уровень несет в себе какое-то количество информации. Часть этой информации является служебной для этого уровня, например, адрес. IP-адрес сайта не несет для нас никакой полезной информации. Нам важны только котики, которых нам показывает сайт. Так вот эта полезная нагрузка переносится в той части уровня, который называется protocol data unit (PDU).

Уровни Модели OSI

Рассмотрим каждый уровень Модели OSI подробнее.

1 уровень. Физический (physical ). Единицей нагрузки (PDU ) здесь является бит. Кроме единиц и нулей физический уровень не знает ничего. На этом уровне работают провода, патч панели, сетевые концентраторы (хабы, которые сейчас уже сложно найти в привычных нам сетях), сетевые адаптеры. Именно сетевые адаптеры и ничего более из компьютера. Сам сетевой адаптер принимает последовательность бит и передает её дальше.

2 уровень. Канальный (data link ). PDU - кадр (frame ). На этом уровне появляется адресация. Адресом является MAC адрес. Канальный уровень ответственен за доставку кадров адресату и их целостность. В привычных нам сетях на канальном уровне работает протокол ARP. Адресация второго уровня работает только в пределах одного сетевого сегмента и ничего не знает о маршрутизации - этим занимается вышестоящий уровень. Соответственно, устройства, работающие на L2 - коммутаторы, мосты и драйвер сетевого адаптера.

3 уровень. Сетевой (network ). PDU пакет (packet ). Наиболее распространенным протоколом (дальше не буду говорить про “наиболее распространенный” - статья для новичков и с экзотикой они, как правило, не сталкиваются) тут является IP. Адресация происходит по IP-адресам, которые состоят из 32 битов. Протокол маршрутизируемый, то есть пакет способен попасть в любую часть сети через какое-то количество маршрутизаторов. На L3 работают маршрутизаторы.

4 уровень. Транспортный (transport ). PDU сегмент (segment )/датаграмма (datagram ). На этом уровне появляются понятия портов. Тут трудятся TCP и UDP. Протоколы этого уровня отвечают за прямую связь между приложениями и за надежность доставки информации. Например, TCP умеет запрашивать повтор передачи данных в случае, если данные приняты неверно или не все. Так же TCP может менять скорость передачи данных, если сторона приема не успевает принять всё (TCP Window Size).

Следующие уровни “правильно” реализованы лишь в RFC. На практике же, протоколы описанные на следующих уровнях работают одновременно на нескольких уровнях модели OSI, поэтому нет четкого разделения на сеансовый и представительский уровни. В связи с этим в настоящее время основным используемым стеком является TCP/IP, о котором поговорим чуть ниже.

5 уровень. Сеансовый (session ). PDU данные (data ). Управляет сеансом связи, обменом информации, правами. Протоколы - L2TP, PPTP.

6 уровень. Представительский (presentation ). PDU данные (data ). Преставление и шифрование данных. JPEG, ASCII, MPEG.

7 уровень. Прикладной (application ). PDU данные (data ). Самый многочисленный и разнообразный уровень. На нем выполняются все высокоуровненвые протоколы. Такие как POP, SMTP, RDP, HTTP и т.д. Протоколы здесь не должны задумываться о маршрутизации или гарантии доставки информации - этим занимаются нижестоящие уровни. На 7 уровне необходима лишь реализации конкретных действий, например получение html-кода или email-сообщения конкретному адресату.

Заключение

Модульность модели OSI позволяет проводить быстрое нахождение проблемных мест. Ведь если нет пинга (3-4 уровни) до сайта, нет смысла копаться в вышележащих слоях (TCP-HTTP), когда не отображается сайт. Абстрагировавшись от других уровней проще найти ошибку в проблемной части. По аналогии с автомобилем - мы ведь не проверяем свечи, когда проткнули колесо.

Модель OSI является эталонной моделью - эдаким сферическим конем в вакууме. Разработка её велась очень долго. Параллельно с ней разрабатывался стек протоколов TCP/IP, акивно применяемый в сетях в настоящее время. Соответственно, можно провести аналогию между TCP/IP и OSI.