Многоуровневая модель открытых систем osi. Эталонная модель OSI. Терминология при обозначении блока данных

29.06.2020

Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (Open System Interconnection) . Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения. На рис. 1.10 представлена структура базовой модели.

Каждый уровень модели OSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам.

Рис. 1.10. Модель OSI

Если приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, то для обмена данными оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.

Взаимодействие уровней модели OSI

Модель OSI можно разделить на две различных модели, как показано на рис. 1.11:

Горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;

Вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.

Каждый уровень компьютера-отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютера-получателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера.

Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера-получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе.

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface).

Рис. 1.11. Схема взаимодействия компьютеров в базовой эталонной модели OSI

Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети.

При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рис. 1.12, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета.

На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.

Рис. 1.12. Формирование пакета каждого уровня семиуровневой модели

Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

Отдельные уровни модели OSI удобно рассматривать как группы программ, предназначенных для выполнения конкретных функций. Один уровень, к примеру, отвечает за обеспечение преобразования данных из ASCII в EBCDIC и содержит программы, необходимые для выполнения этой задачи.

Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь сервис у нижестоящего уровня. Верхние уровни запрашивают сервис почти одинаково: как правило, это требование маршрутизации каких-то данных из одной сети в другую. Практическая реализация принципов адресации данных возложена на нижние уровни. На рис. 1.13 приведено краткое описание функций всех уровней.

Рис. 1.13. Функции уровней модели OSI

Рассматриваемая модель определяет взаимодействие открытых систем разных производителей в одной сети. Поэтому она выполняет для них координирующие действия по:

Взаимодействию прикладных процессов;

Формам представления данных;

Единообразному хранению данных;

Управлению сетевыми ресурсами;

Безопасности данных и защите информации;

Диагностике программ и технических средств.

Прикладной уровень (Application layer)

Прикладной уровень обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия, является верхним (седьмым) уровнем и непосредственно примыкает к прикладным процессам.

В действительности прикладной уровень – это 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. Специальные элементы прикладного сервиса обеспечивают сервис для конкретных прикладных программ, таких как программы пересылки файлов и эмуляции терминалов. Если, например программе необходимо переслать файлы, то обязательно будет использован протокол передачи, доступа и управления файлами FTAM (File Transfer, Access, and Management). В модели OSI прикладная программа, которой нужно выполнить конкретную задачу (например, обновить базу данных на компьютере), посылает конкретные данные в виде Дейтаграммы на прикладной уровень. Одна из основных задач этого уровня – определить, как следует обрабатывать запрос прикладной программы, другими словами, какой вид должен принять данный запрос.

Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Прикладной уровень выполняет следующие функции:

1. Выполнение различных видов работ.

Передача файлов;

Управление заданиями;

Управление системой и т. д;

2. Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям;

3. Определение функционирующих абонентов и возможности доступа к новым прикладным процессам;

4. Определение достаточности имеющихся ресурсов;

5. Организация запросов на соединение с другими прикладными процессами;

6. Передача заявок представительскому уровню на необходимые методы описания информации;

7. Выбор процедур планируемого диалога процессов;

8. Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов;

9. Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок);

10. Соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных;

11. Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).

Указанные функции определяют виды сервиса, которые прикладной уровень предоставляет прикладным процессам. Кроме этого, прикладной уровень передает прикладным процессам сервис, предоставляемый физическим, канальным, сетевым, транспортным, сеансовым и представительским уровнями.

На прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское программное обеспечение.

Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

К числу наиболее распространенных протоколов верхних трех уровней относятся:

FTP (File Transfer Protocol) протокол передачи файлов;

TFTP (Trivial File Transfer Protocol) простейший протокол пересылки файлов;

X.400 электронная почта;

Telnet работа с удаленным терминалом;

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) простой протокол почтового обмена;

CMIP (Common Management Information Protocol) общий протокол управления информацией;

SLIP (Serial Line IP) IP для последовательных линий. Протокол последовательной посимвольной передачи данных;

SNMP (Simple Network Management Protocol) простой протокол сетевого управления;

FTAM (File Transfer, Access, and Management) протокол передачи, доступа и управления файлами.

Уровень представления данных (Presentation layer)

Функции данного уровня – представление данных, передаваемых между прикладными процессами, в нужной форме.

Этот уровень обеспечивает то, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. В случаях необходимости уровень представления в момент передачи информации выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а в момент приема, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. Такая ситуация может возникнуть в ЛВС с неоднотипными компьютерами (IBM PC и Macintosh), которым необходимо обмениваться данными. Так, в полях баз данных информация должна быть представлена в виде букв и цифр, а зачастую и в виде графического изображения. Обрабатывать же эти данные нужно, например, как числа с плавающей запятой.

В основу общего представления данных положена единая для всех уровней модели система ASN.1. Эта система служит для описания структуры файлов, а также позволяет решить проблему шифрования данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня.

Представительный уровень выполняет следующие основные функции:

1. Генерация запросов на установление сеансов взаимодействия прикладных процессов.

2. Согласование представления данных между прикладными процессами.

3. Реализация форм представления данных.

4. Представление графического материала (чертежей, рисунков, схем).

5. Засекречивание данных.

6. Передача запросов на прекращение сеансов.

Протоколы уровня представления данных обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.

Сеансовый уровень (Session layer)

Сеансовый уровень – это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами.

Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того чтобы начинать все сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.

Сеансовый уровень управляет передачей информации между прикладными процессами, координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений во время сеанса и завершение сеанса.

На сеансовом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процессами:

Полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди);

Дуплексной (процессы будут передавать данные, и принимать их одновременно).

В полудуплексном режиме сеансовый уровень выдает тому процессу, который начинает передачу, маркер данных. Когда второму процессу приходит время отвечать, маркер данных передается ему. Сеансовый уровень разрешает передачу только той стороне, которая обладает маркером данных.

Сеансовый уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Установление и завершение на сеансовом уровне соединения между взаимодействующими системами.

2. Выполнение нормального и срочного обмена данными между прикладными процессами.

3. Управление взаимодействием прикладных процессов.

4. Синхронизация сеансовых соединений.

5. Извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях.

6. Установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки.

7. Прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его корректное возобновление.

8. Прекращение сеанса без потери данных.

9. Передача особых сообщений о ходе проведения сеанса.

Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.

Транспортный уровень (Transport Layer)

Транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки.

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 надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням модели (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.

Транспортный уровень определяет адресацию физических устройств (систем, их частей) в сети. Этот уровень гарантирует доставку блоков информации адресатам и управляет этой доставкой. Его главной задачей является обеспечение эффективных, удобных и надежных форм передачи информации между системами. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения пакетов. Если проходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

В функции транспортного уровня входят:

1. Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных.

2. Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация и сообщение о неисправленных ошибках.

3. Восстановление передачи после отказов и неисправностей.

4. Укрупнение или разделение блоков данных.

5. Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная).

6. Подтверждение передачи.

7. Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.

Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают в себя:

TCP (Transmission Control Protocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;

UDP (User Datagram Protocol) пользовательский протокол дейтаграмм стека TCP/IP;

NCP (NetWare Core Protocol) базовый протокол сетей NetWare;

SPX (Sequenced Packet eXchange) упорядоченный обмен пакетами стека Novell;

TP4 (Transmission Protocol) – протокол передачи класса 4.

Сетевой уровень (Network Layer)

Сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих абонентские и административные системы через коммуникационную сеть, выбор маршрута наиболее быстрого и надежного пути.

Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя системами и обеспечивает прокладку виртуальных каналов между ними. Виртуальный или логический канал – это такое функционирование компонентов сети, которое создает взаимодействующим компонентам иллюзию прокладки между ними нужного тракта. Кроме этого, сетевой уровень сообщает транспортному уровню о появляющихся ошибках. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). В них помещаются фрагменты данных. Сетевой уровень отвечает за их адресацию и доставку.

Прокладка наилучшего пути для передачи данных называется маршрутизацией, и ее решение является главной задачей 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 трафика, 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.

Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. 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.

Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие номер сети. В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.

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. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач (hops) между сетями, каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, по которым проходит пакет.

Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы и маршрутизацию пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Сетевой уровень выполняет функции:

1. Создание сетевых соединений и идентификация их портов.

2. Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть.

3. Управление потоками пакетов.

4. Организация (упорядочение) последовательностей пакетов.

5. Маршрутизация и коммутация.

6. Сегментирование и объединение пакетов.

На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами. 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. 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.

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

IP (Internet Protocol) протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP, который предоставляет адресную и маршрутную информацию;

IPX (Internetwork Packet Exchange) протокол межсетевого обмена пакетами, предназначенный для адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell;

X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов (частично этот протокол реализован на уровне 2);

CLNP (Connection Less Network Protocol) сетевой протокол без организации соединений.

Канальный уровень (Data Link)

Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Задача канального уровня – передавать кадры от сетевого уровня к физическому уровню.

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит, в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, 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.

Задача канального уровня – брать пакеты, поступающие с сетевого уровня и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Этот уровень обязан определить, где начинается и где заканчивается блок, а также обнаруживать ошибки передачи.

На этом же уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной передачи данных) ошибки.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.Х делят канальный уровень на два подуровня:

LLC (Logical Link Control) управление логическим каналом осуществляет логический контроль связи. Подуровень LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня и связан с передачей и приемом пользовательских сообщений.

MAC (Media Assess Control) контроль доступа к среде. Подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и управляет доступом к каналу связи. Подуровень LLC находится выше подуровня МАC.

Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей посредством процедуры передачи данных по каналу.

При больших размерах передаваемых блоков данных канальный уровень делит их на кадры и передает кадры в виде последовательностей.

При получении кадров уровень формирует из них переданные блоки данных. Размер блока данных зависит от способа передачи, качества канала, по которому он передается.

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.

Канальный уровень может выполнять следующие виды функций:

1. Организация (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификация их портов.

2. Организация и передача кадров.

3. Обнаружение и исправление ошибок.

4. Управление потоками данных.

5. Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

Наиболее часто используемые протоколы на канальном уровне включают:

HDLC (High Level Data Link Control) протокол управления каналом передачи данных высокого уровня, для последовательных соединений;

IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x;

Ethernet сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликтов;

Token ring сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;

FDDI (Fiber Distributed Date Interface Station) сетевая технология по стандарту IEEE 802.6, использующая оптоволоконный носитель;

X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов;

Frame relay сеть, организованная из технологий Х25 и ISDN.

Физический уровень (Physical Layer)

Физический уровень предназначен для сопряжения с физическими средствами соединения. Физические средства соединения – это совокупность физической среды, аппаратных и программных средств, обеспечивающая передачу сигналов между системами.

Физическая среда – это материальная субстанция, через которую осуществляется передача сигналов. Физическая среда является основой, на которой строятся физические средства соединения. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц.

Физический уровень состоит из Подуровня стыковки со средой и Подуровня преобразования передачи.

Первый из них обеспечивает сопряжение потока данных с используемым физическим каналом связи. Второй осуществляет преобразования, связанные с применяемыми протоколами. Физический уровень обеспечивает физический интерфейс с каналом передачи данных, а также описывает процедуры передачи сигналов в канал и получения их из канала. На этом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:

Тип кабелей и разъемов;

Разводку контактов в разъемах;

Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.

Физический уровень выполняет следующие функции:

1. Установление и разъединение физических соединений.

2. Передача сигналов в последовательном коде и прием.

3. Прослушивание, в нужных случаях, каналов.

4. Идентификация каналов.

5. Оповещение о появлении неисправностей и отказов.

Оповещение о появлении неисправностей и отказов связано с тем, что на физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий, мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря механического контакта и т.д.). Виды сервиса, предоставляемого канальному уровню, определяются протоколами физического уровня. Прослушивание канала необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем, но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи. В ряде случаев для более четкого определения структуры физический уровень разбивается на несколько подуровней. Например, физический уровень беспроводной сети делится на три подуровня (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Физический уровень беспроводной локальной сети

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером. Повторители являются единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне.

Физический уровень может обеспечивать как асинхронную (последовательную) так и синхронную (параллельную) передачу, которая применяется для некоторых мэйнфреймов и мини-компьютеров. На Физическом уровне должна быть определена схема кодирования для представления двоичных значений с целью их передачи по каналу связи. Во многих локальных сетях используется манчестерское кодирование.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных и другие характеристики среды и электрических сигналов.

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:

EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 – механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса;

EIA-RS-422/449, CCITT V.10 – механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса;

Ethernet – сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов;

Token ring – сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера.

Начну с определения, как это принято. Модель OSI - это теоретическая идеальная модель передачи данных по сети. Это означает, что на практике вы никогда не встретите точного совпадения с этой моделью, это эталон, которого придерживаются разработчики сетевых программ и производители сетевого оборудования с целью поддержки совместимости своих продуктов. Можно сравнить это с представлениями людей об идеальном человеке - нигде не встретишь, но все знают, к чему нужно стремиться.

Сразу хочу обозначить один ньюанс - то, что передаётся по сети в пределах модели OSI, я буду называть данными, что не совсем корректно, но чтобы не путать начинающего читателя терминами, я пошёл на компромис с совестью.

Ниже представлена наиболее известная и наиболее понятная схема модели OSI. В статье будут ещё рисунки, но первый предлагаю считать основным:

Таблица состоит из двух колонок, на первоначальном этапе нас интересует лишь правая. Читать таблицу будем снизу вверх (а как иначе:)). На самом деле это не моя прихоть, а делаю так для удобства усвоения информации - от простого к сложному. Поехали!

В правой части вышеозначенной таблицы снизу вверх показн путь данных, передаваемых по сети (например, от вашего домашнего роутера до вашего комьютера). Уточнение - уровни OSI снизу вверх, то это будет путь данных на принимающей стороне, если сверху вниз, то наоборот - отправляющей. Надеюсь, пока понятно. Чтобы развеять окончательно сомнения, вот вам ещё схемка для наглядности:

Чтобы проследить путь данных и происходящие с ними изменения по уровням, достаточно представить, как они движутся вдоль синей линии на схеме, сначала продвигаясь сверху вниз по уровням OSI от первого компьютера, затем снизу вверх ко второму. Теперь более детально разберём каждый из уровней.

1) Физический (phisical) - к нему относится так называемая "среда передачи данных", т.е. провода, оптический кабель, радиоволна (в случае безпроводных соединений) и подобные. Например, если ваш компьютер подключен к интернету по кабелю, то за качество передачи данных на первом, физическом уровне, отвечают провода, контакты на конце провода, контакты разъёма сетевой карты вашего компьютера, а также внутренние электрические схемы на платах компьютера. У сетевых инженеров есть понятие "проблема с физикой" - это означает, что специалист усмотрел виновником "непередачи" данных устройство физического уровня, например где-то оборван сетевой кабель, или низкий уровень сигнала.

2) Канальный (datalink) - тут уже намного интереснее. Для понимания канального уровня нам придётся сначала усвоить понятие MAC-адреса, поскольку именно он будет главным действующим лицом в этой главе:). MAC-адрес ещё называют "физическим адресом", "аппаратным адресом". Представляет он собой набор из 12-и символов в шестнадцатиричной системе исчисления, разделённые на 6 октетов тире или двоеточием, например 08:00:27:b4:88:c1. Нужен он для однозначной идентификации сетевого устройства в сети. Теоритически, MAC-адрес является глобально уникальным, т.е. нигде в мире такого адреса быть не может и он "зашивается" в сетевое устройство на стадии производства. Однако, есть несложные способы его сменить на произвольный, да к тому же некоторые недобросовестные и малоизвестные производители не гнушаются тем, что клепают например, партию из 5000 сетевых карт с ровно одним и тем же MAC`ом. Соответственно, если как минимум два таких "брата-акробата" появятся в одной локальной сети, начнутся конфликты и проблемы.

Итак, на канальном уровне данные обрабатываются сетевым устройством, которое интересует лишь одно - наш пресловутый MAC-адрес, т.е. его интересует адресат доставки. К устройствам канального уровня относятся например, свитчи (они же коммутаторы) - они держат в своей памяти MAC-адреса сетевых устройств, с которыми у них есть непосредственная, прямая связь и при получении данных на свой принимающий порт сверяют MAC-адреса в данных с MAC-адресами, имеющимися в памяти. Если есть совпадения, то данные передаются адресату, остальные попросту игнорируются.

3) Сетевой (network) - "священный" уровень, понимание принципа функционирования которого большей частью и делает сетевого инженера таковым. Здесь уже железной рукой правит "IP-адрес", здесь он - основа основ. Благодаря ниличию IP-адреса становится возможным передача данных между компьютерами, не входящими в одну локальную сеть. Передача данных между разными локальными сетями называется маршрутизацией, а устройства, позволяющие это делать - маршрутизаторами (они же роутеры, хотя в последние годы понятие роутера сильно извратилось).

Итак, IP-адрес - если не вдаваться в детали, то это некий набор 12 цифр в десятеричной ("обычной") системе исчисления, разделённые на 4 октета, разделённых точкой, который присваиватеся сетевому устройству при подключении к сети. Тут нужно немного углубиться: например, многим известен адрес из ряда 192.168.1.23. Вполне очевидно, что тут никак не 12 цифр. Однако, если написать адрес в полном формате, всё становится на свои места - 192.168.001.023. Ещё глубже копать не будем на данном этапе, поскольку IP-адресация - это отдельная тема для рассказа и показа.

4) Транспортный уровень (transport) - как следует из названия, нужен именно для доставки и отправки данных до адресата. Проведя аналогию с нашей многострадальной почтой, то IP-адрес это собственно адрес доставки или получения, а транспортный протокол - это почтальон, который умеет читать и знает, как доставить письмо. Протоколы бывают разные, для разных целей, но смысл у них один - доставка.

Транспортный уровень последний, который по большому счёту интересует сетевых инженеров, системных администраторов. Если все 4 нижних уровня отработали как надо, но данные не дошли до пункта назначения, значит проблему нужно искать уже в программном обеспечении конкретного компьютера. Протоколы так называемых верхних уровней сильно волнуют программистов и иногда всё же системных администраторов (если он занимается обслуживанием серверов, например) . Поэтому дальше я опишу назначение этих уровней вскользь. К тому же, если посмотреть на ситуацию объективно, чаще всего на практике функции сразу нескольких верхних уровней модели OSI берёт на себя одно приложение или служба, и невозможно однозначно сказать, куда её отнести.

5) Сеансовый (session) - управляет открытием, закрытием сеанса передачи данных, проверяет права доступа, контролиует синхронизацию начала и окончания передачи. Например, если вы качаете какой-нибудь файл из интернета, то ваш браузер (или через что вы там скачиваете) отправляет запрос серверу, на котором находится файл. На этом моменте включаются сеансовые протоколы, которые и обеспечивают успешное скачивание файла, после чего по идее автоматически выключаютя, хотя есть варианты.

6) Представительский (presentation) - подготавливает данные к обработке конечным приложением. Например, если это текстовый файл, то нужно проверить кодировку (чтобы не получилось "крякозябров"), возможно распаковать из архива.... но тут как-раз явно прослеживается то, о чём я писал ранее - очень тяжело отделить, где заканчивается представительский уровень, а где начинается следующий:

7) Прикладной (Приложения (application)) - как видно из названия, уровень приложений, которые пользуются полученными данными и мы видим результат трудов всех уровней модели OSI. Например, вы читаете этот текст, потому что его открыл в верной кодировке, нужным шрифтом и т.д. ваш браузер.

И вот теперь, когда у нас есть хотя бы общее понимание технологии процесса, считаю необходимым поведать о том, биты, кадры, пакеты, блоки и данные. Если помните, в начале статьи я просил вас не обращать внимание на левую колонку в основной таблице. Итак, настало её время! Сейчас мы пробежимся снова по всем уровням модели OSI и узрим, как простые биты (нули и единицы) превращаются в данные. Идти будем так же снизу вверх, дабы не нарушать последовательности усвоения материала.

На физическом уровне мы имеем сигнал. Он может быть электрическим, оптическим, радиоволновым и т.п. Пока что это даже не биты, но сетевое устройство анализирует получаемый сигнал и преобразует его в нули е единицы. Этот процесс называется "аппаратное преобразование". Дальше, уже внутри сетевого устройства, биты объединяются в (в одном байте восемь бит), обрабатываются и передаются на канальный уровень.

На канальном уровне мы имеем так называемый кадр. Если грубо, то это пачка байт, от 64 до 1518-и в одной пачке, из которых коммутатор читатет заголовок, в котором записаны MAC-адреса получателя и отправителя, а также техническая информация. Увидев совпадения MAC-адреса в заголовке и в своей таблице коммутации (памяти), коммутатор передаёт кадры с такими совпадениями устройству назначения

На сетевом уровне ко всему этому добру ещё добавляются IP-адреса получателя и отправителя, которые извлекаются всё из того же заголовка и называется это пакет.

На транпортном уровне пакет адресуется соответствующему протоколу, код которому указан в служебной информации заголовка и отдаётся на обслуживание протоколам верхних уровней, для которых уже это и есть полноценные данные, т.е. информация в удобоваримой, пригодной для использования приложениями форме.

На схеме ниже это будет видно более наглядно:

Модель OSI является концептуальной моделью, созданной международной организацией по стандартизации, которая позволяет различным системам связи общаться с использованием стандартных протоколов. Простым языком, OSI обеспечивает стандарт для различных компьютерных систем, чтобы иметь возможность общаться друг с другом.

Модели OSI можно рассматривать как универсальный язык для компьютерных сетей. Он основан на концепции разделения коммуникационной системы на семь абстрактных слоев, каждый из которых укладывается на последний.
Каждый уровень модели OSI выполняет определенную работу и взаимодействует со слоями выше и ниже себя. нацелены на определенные уровни сетевого подключения. Уровень приложений атакует целевой уровень 7 и уровень протокола атакует целевые уровни 3 и 4.

Почему модели OSI имеет значение

Несмотря на то, что современный интернет не строго соответствует модели OSI (он более точно соответствует более простому набору интернет-протоколов), модель OSI по-прежнему очень полезна для устранения неполадок сети. Будь то один человек, который не может получить свой порт в интернете, или веб-сайт не работает для тысяч пользователей, модель OSI может решить проблему и изолировать ее источник. Если проблему можно сузить до одного конкретного слоя модели, можно избежать большого количества ненужной работы.

Семь уровней абстракции модели OSI можно определить следующим образом, сверху вниз:

7. Прикладной уровень

Это единственный слой, который напрямую взаимодействует с данными пользователя. Программные приложения, такие как веб-браузеры и почтовые клиенты, используют уровень приложений для инициирования связи. Однако следует четко указать, что клиентские программные приложения не являются частью прикладного уровня. Скорее, прикладной уровень отвечает за протоколы и обработку данных, на которые опирается программное обеспечение для представления значимых данных пользователю. Протоколы прикладного уровня включают HTTP, а также SMTP – один из протоколов, который обеспечивает связь по электронной почте.

6. Уровень представления

Этот уровень в первую очередь отвечает за подготовку данных, чтобы они могли использоваться прикладным уровнем. Другими словами, уровень 6 делает данные презентабельными для приложений. Уровень представления данных отвечает за перевод, шифрование и сжатие данных.

Два взаимодействующих устройства могут использовать разные методы кодирования, поэтому уровень 6 отвечает за преобразование входящих данных в синтаксис, понятный прикладному уровню принимающего устройства.
Если устройства обмениваются данными через зашифрованное соединение, уровень 6 отвечает за добавление шифрования на стороне отправителя, а также за декодирование шифрования на стороне получателя, чтобы он мог представить уровень приложения с незашифрованными, читаемыми данными.

Наконец, уровень представления также отвечает за сжатие данных, получаемых от прикладного уровня, перед их доставкой на уровень Это помогает повысить скорость и эффективность связи за счет минимизации объема передаваемых данных.

5. Сеансовый уровень

Этот слой ответственен за открытие и закрытие связи между двумя устройствами. Время между открытием и закрытием связи называется сеансом. Уровень сеанса гарантирует, что сеанс остается открытым достаточно долго для передачи всех обмениваемых данных, а затем быстро закрывает сеанс, чтобы избежать потери ресурсов.
Уровень сеанса также синхронизирует передачу данных с контрольными точками. Например, при передаче файла размером 100 мегабайт слой сеанса может устанавливать контрольную точку каждые 5 мегабайт. В случае отключения или сбоя после передачи 52 мегабайт сеанс может быть возобновлен с последней контрольной точки, что означает, что необходимо передать еще 50 мегабайт данных. Без контрольно-пропускных пунктов вся передача должна была бы начаться с нуля.

4. Транспортный уровень

Уровень 4 ответственен за сквозную связь между этими двумя устройствами. Это включает в себя получение данных из слоя сеанса и разбиение их на куски, называемые сегментами, перед отправкой на уровень 3. Транспортный уровень на принимающем устройстве отвечает за повторную сборку сегментов в данные, которые может использовать слой сеанса.
Транспортный уровень отвечает за управление потоком и контроль ошибок. Управление потоком определяет оптимальную скорость передачи, чтобы гарантировать, что отправитель с быстрым соединением не перегружает получателя с медленным соединением. Транспортный уровень выполняет контроль ошибок на принимающей стороне, гарантируя, что полученные данные завершены, и запрашивая повторную передачу, если это не так.

3. Сетевой уровень

Сетевой уровень отвечает за облегчение передачи данных между двумя различными сетями. Если два взаимодействующих устройства находятся в одной сети, то сетевой уровень не нужен. Сетевой уровень разбивает сегменты транспортного уровня на более мелкие блоки, называемые пакетами, на устройстве отправителя и повторно собирает эти пакеты на принимающем устройстве. Сетевой уровень также находит наилучший физический путь, по которому данные достигают места назначения. Это называется маршрутизацией.

2. Уровень канала передачи данных

Очень похож на уровень сети, за исключением того, что 2 уровень облегчает передачу данных между двумя устройствами в той же сети. Данный канальный уровень принимает пакеты от сетевого уровня и делит их на более мелкие части, называемые фреймами. Как и сетевой уровень, уровень канала передачи данных также отвечает за управление потоками и управление ошибками во внутрисетевой связи (транспортный уровень выполняет только управление потоками и управление ошибками для межсетевой связи).

1. Физический уровень

Этот уровень включает физическое оборудование, участвующее в передаче данных, такое как кабели и коммутаторы. Это также слой, на котором данные преобразуются в битовый поток, представляющий собой строку 1s и 0s. Физический уровень обоих устройств должен также согласовать соглашение о сигнале так, чтобы 1s можно было отличить от 0s на обоих устройствах.

Потоки данных через модель OSI

Для того чтобы считываемая человеком информация передавалась по сети с одного устройства на другое, данные должны перемещаться вниз по семи уровням модели OSI на передающем устройстве, а затем вверх по семи слоям на принимающей стороне.
Например, кто-то хочет отправить письмо подруге. Отправитель составляет свое сообщение в приложении электронной почты на своем ноутбуке, а затем нажимает “отправить”. Его почтовое приложение передаст сообщение электронной почты на уровень приложения, который выберет протокол (SMTP) и передаст данные на уровень представления. Затем данные сжимаются и попадают на уровень сеанса, который инициализирует сеанс связи.

Затем данные попадут на транспортный уровень отправителя, где они будут сегментированы, затем эти сегменты будут разбиты на пакеты на сетевом уровне, которые будут разбиты еще дальше на фреймы на уровне канала передачи данных. Этот уровень доставит их на физический уровень, который преобразует данные в битовый поток 1s и 0s и отправит его через физический носитель, такой как кабель.
Как только компьютер получателя получит битовый поток через физический носитель (например, wifi), данные будут проходить через ту же серию слоев на его устройстве, но в обратном порядке. Сначала физический уровень преобразует битовый поток из 1s и 0s в кадры, которые передаются на уровень канала передачи данных. Уровень канала передачи данных затем соберет кадры в пакеты для сетевого уровня. Сетевой уровень тогда сделает сегменты из пакетов для транспортного уровня, который соберет сегменты в одну часть данных.

Дальше данные поступают на уровень сеанса получателя, который передает данные на уровень представления, а затем завершает сеанс связи. Далее слой представления удаляет сжатие и передает необработанные данные на уровень приложения. Затем прикладной уровень будет передавать данные, читаемые человеком, вместе с почтовым программным обеспечением получателя, что позволит читать электронную почту отправителя на экране ноутбука.

На видео: Модель OSI и стек протоколов TCP IP. Основы Ethernet.