В сегодняшней статье я хочу вернуться к основам, и расскажу о модели взаимодействия открытых систем OSI . Данный материал будет полезен начинающим системным администраторам и всем тем, кто интересуется построением компьютерных сетей.

Все составляющие сети, начиная со среды передачи данных и заканчивая оборудованием, функционируют и взаимодействуют друг с другом согласно своду правил, которые описаны в так называемой модели взаимодействия открытых систем .

Модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection) разработана международной организацией по стандартам ISO (Inernational Standarts Organization).

Согласно модели OSI, данные, передаваемые от источника к адресату, проходят семь уровней . На каждом уровне выполняется определенная задача, что в итоге не только гарантирует доставку данных в конечный пункт, но и делает их передачу независимой от применяемых для этого средств. Таким образом, достигается совместимость между сетями с разными топологиями и сетевым оборудованием.

Разделение всех сетевых средств по уровням упрощает их разработку и применение. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает. Первые три уровня модели OSI (физический, канальный, сетевой ) тесно связаны с сетью и используемым сетевым оборудованием. Последние три уровня (сеансовый, уровень представления данных, прикладной ) реализуются средствами операционной системы и прикладных программ. Транспортный уровень выступает в качестве посредника между этими двумя группами.

Перед пересылкой через сеть, данные разбиваются на пакеты , т.е. порции информации, организованные определенным образом, чтобы они были понятны принимающим и передающим устройствам. При отправке данных пакет последовательно обрабатывается средствами всех уровней модели OSI, начиная с прикладного и заканчивая физическим. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (называемая заголовком пакета ), которая необходима для успешной передачи данных по сети.

В результате это сетевое послание начинает напоминать многослойный бутерброд, который должен быть “съедобным” для получившего его компьютера. Для этого необходимо придерживаться определенных правил обмена данными между сетевыми компьютерами. Такие правила получили названия протоколов .

На принимающей стороне пакет проходит обработку средствами всех уровней модели OSI в обратном порядке, начиная с физического и заканчивая прикладным. На каждом уровне соответствующие средства, руководствуясь протоколом уровня, читают информацию пакета, затем удаляют информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передают пакет средствами следующего уровня. Когда пакет дойдет до прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.

Теперь рассмотрим работу каждого уровня модели OSI подробнее:

Физический уровень – самый нижний, за ним находится непосредственно канал связи, через который осуществляется передача информации. Он участвует в организации связи, учитывая особенности среды передачи данных. Так, он содержит все сведения о среде передачи данных: уровень и частоту сигнала, наличие помех, уровень затухания сигнала, сопротивление канала и т.д. Кроме того, именно он отвечает за передачу потока информации и преобразование ее в соответствии с существующими методами кодирования. Работа физического уровня изначально возлагается на сетевое оборудование.
Стоит отметить, что именно с помощью физического уровня определяется проводная и беспроводная сеть. В первом случае в качестве физической среды используется кабель, во втором – любой вид беспроводной связи, например радиоволны или инфракрасное излучение.

Канальный уровень выполняет самую сложную задачу – обеспечивает гарантированную передачу данных с помощью алгоритмов физического уровня и проверяет корректность полученных данных.

Прежде чем инициировать передачу данных, определяется доступность канала их передачи. Информация передается блоками, которые носят название кадров , или фреймов . Каждый такой кадр снабжается последовательностью бит в конце и начале блока, а также дополняется контрольной суммой. При приеме такого блока на канальный уровень получатель должен проверить целостность блока и сравнить принятую контрольную сумму с контрольной суммой, идущей в его составе. Если они совпадают, данные считаются корректными, иначе фиксируется ошибка и требуется повторная передача. В любом случае отправителю отсылается сигнал с результатом выполнения операции, и так происходит с каждым кадром. Таким образом, вторая важная задача канального уровня – проверка корректности данных.

Канальный уровень может реализовываться как аппаратно (например, с помощью коммутаторов), так и с помощью программного обеспечения (например, драйвера сетевого адаптера).

Сетевой уровень необходим для выполнения работы по передаче данных с предварительным определением оптимального пути движения пакетов. Поскольку сеть может состоять из сегментов с разными топологиями, главная задача сетевого уровня – определить кратчайший путь, попутно преобразовывая логические адреса и имена сетевых устройств в их физическое представление. Этот процесс носит название маршрутизации , и важность его трудно переоценить. Обладая схемой маршрутизации, которая постоянно обновляется в связи с возникновением разного рода “заторов” в сети, передача данных осуществляется в максимально короткие сроки и с максимальной скоростью.

Транспортный уровень используется для организации надежной передачи данных, которая исключает потерю информации, ее некорректность или дублирование. При этом контролируются соблюдение правильной последовательности при передаче-получении данных, деление их на более мелкие пакеты или объединение в более крупные для сохранения целостности информации.

Сеансовый уровень отвечает за создание, сопровождение и поддержание сеанса связи на время, необходимое для завершения передачи всего объема данных. Кроме того, он производит синхронизацию передачи пакетов, осуществляя проверку доставки и целостности пакета. В процессе передачи данных создаются специальные контрольные точки. Если при передаче-приеме произошел сбой, недостающие пакеты отправляются заново, начиная с ближайшей контрольной точки, что позволяет передать весь объем данных в максимально короткий срок, обеспечивая в целом хорошую скорость.

Уровень представления данных (или, как его еще называют, представительский уровень ) является промежуточным, его основная задача – преобразование данных из формата для передачи по сети в формат, понятный более высокому уровню, и наоборот. Кроме того, он отвечает за приведение данных к единому формату: когда информация передается между двумя абсолютно разными сетями с разным форматом данных, то прежде, чем их обработать, необходимо привести их к такому виду, который будет понятен как получателю, так и отправителю. Именно на этом уровне применяются алгоритмы шифрования и сжатия данных.

Прикладной уровень – последний и самый верхний в модели OSI. Отвечает за связь сети с пользователями – приложениями, которым требуется информация от сетевых служб всех уровней. С его помощью можно узнать все, что происходило в процессе передачи данных, а также информацию об ошибках, возникших в процессе их передачи. Кроме того, данный уровень обеспечивает работу всех внешних процессов, осуществляемых за счет доступа к сети – баз данных, почтовых клиентов, менеджеров загрузки файлов и т.д.

На просторах сети интернет я нашел картинку, на которой неизвестный автор представил сетевую модель OSI в виде бургера. Считаю, это очень запоминающийся образ. Если вдруг в какой-то ситуации (например, на собеседовании при устройстве на работу) вам понадобиться по памяти перечислить все семь уровней модели OSI в правильном порядке – просто вспомните данную картинку, и это вам поможет. Для удобства я перевел названия уровней с английского на русский язык:На сегодня это всё. В следующей статье я продолжу тему и расскажу про .

взаимодействия открытых систем. Иными словами - это определённый стандарт, по которому действуют сетевые технологии.

Упомянутая система состоит из семи уровней модели OSI. Каждый протокол работает с протоколами своего уровня либо уровнем ниже, либо выше от себя.

Каждый уровень оперирует определённым типом данных:

1. Физический - бит;
2. Канальный - кадр;
3. Сетевой - пакет;
4. Транспортный - сегменты/дейтаграммы;
5. Сеансовый - сеанс;
6. Представительский - поток;
7. Прикладной - данные

Уровни модели OSI

Прикладной уровень (application layer )

Это самый верхний уровень сетевой модели OSI . Его ещё называют уровень приложений. Предназначен для взаимодействия пользователя с сетью. Уровень предоставляет приложениям возможность использования различных сетевых служб.

Функции:

• удалённый доступ;
• почтовый сервис;
• формирование запросов к следующему уровню (уровень представления )

Сетевые протоколы уровня:

• BitTorrent
• HTTP
• SMTP
• SNMP
• TELNET

Уровень представления (presentation layer )

Это второй уровень. По другому называют представительским уровнем. Предназначен для преобразование протоколов, а так же для кодировки и декодировки данных. На данном этапе, запросы доставленные с прикладного уровня, формируются в в вид данных для передачи по сети и наоборот.

Функции:

• сжатие/распаковка данных;
• кодирование/декодирование данных;
• перенаправление запросов

Сетевые протоколы уровня :

• LPP
• NDR

Сеансовый уровень (session layer )

Этот уровень сетевой модели OSI отвечает за поддержание сеанса связи. Благодаря данному уровню приложения могут взаимодействовать друг с другом на протяжении долгого времени.

Функции:

• предоставление прав
• создание/приостановление/восстановление/завершение связи

Сетевые протоколы уровня :

• ISO-SP
• L2TP
• NetBIOS
• PPTP
• SMPP

Транспортный уровень (transport layer )

Это четвёртый уровень, если вести отсчёт сверху. Предназначен для надёжной передачи данных. При этом, передача не всегда может быть надёжной. Возможны дублирование и недоставка посылки данных.

Сетевые протоколы уровня:

• UDP
• SST
• RTP

Сетевой уровень (network layer )

Данный уровень сетевой модели OSI отвечает за определение наилучшего и кратчайшего маршрута для передачи данных.

Функции:

• присвоение адреса
• отслеживание коллизий
• определение маршрута
• коммутация

Сетевые протоколы уровня:

• IPv4/IPv6
  
• CLNP
• IPsec
• RIP
• OSPF

Канальный уровень (Data Link layer )

Это шестой уровень, который отвечает за доставку данных между устройствами которые находятся в одной сетевой области.

Функции:

• адресация на уровне аппаратного обеспечения
• контроль за ошибками
• исправление ошибок

Сетевые протоколы уровня:

• SLIP
• LAPD
• IEEE 802.11 wireless LAN,
• FDDI
• ARCnet

Физический уровень (physical layer )

Самый нижний и самый последний уровень сетевой модели OSI . Служит для определения метода передачи данных в физической/электрической среде. Допустим, любой сайт, например "играть онлайн казино http://bestforplay.net ", расположен на каком то сервере, интерфейсы которого тоже передают какой нибудь электрический сигнал по кабелям и проводам.

Функции:

• определение вида передачи данных
• передача данных

Сетевые протоколы уровня:

• IEEE 802.15 (Bluetooth)
• 802.11Wi-Fi
• GSMUm radio interface
• ITU и ITU-T
• EIARS-232

Таблица 7-и уровневой модели OSI

Модель OSI
Тип данных	Уровень	Функции
Данные	Прикладной	Доступ к сетевым службам
Поток	Представительский	Представление и шифрование данных
Сеансы	Сеансовый	Управление сеансом связи
Сегменты/Дейтаграммы	Транспортный	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
Пакеты	Сетевой	Определение маршрута и логическая адресация
Кадры	Канальный	Физическая адресация
Биты	Физический	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

На практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы, которые могут быть фирменные, национальные или международные стандарты.

В период с 1977 по 1984 год профессионалы разработали модель сетевой архитектуры под названием «рекомендуемая модель взаимодействия открытых систем» (the Reference Model of Open Systems Interconnection, 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 нанимает более 1000 страниц текста.

Термин «рекомендуемая модель взаимодействия открытых систем» часто встре­чается в литературе под названием «модельISO/ OSI», отмечая вклад ISO в ее формирование. Для некоторых профессиональных сетевых программистов эта модель представляет собой образец идеальной сетевой архитектуры.

Модель ISO/OSI использует деление на уровни, чтобы организовать общее представление о структуре сети в виде четко определенных, взаимосвязанных модулей. В сети, поделенной на уровни, каждый уровень служит для исполнения опре­деленной функции или службы сети по отношению к окружающим соседним уровням. Каждый уровень как бы защищает соседний от избыточной информа­ции, способной просочиться от более низкого уровня наверх. Гра­мотно спроектированный уровень должен скрывать все особенности своего функционирования от вышележащего. Опираясь на эти положения, можно создавать сеть, состоящую их функциональных модулей с четко описанным интерфейсом.

В модели ISO/OSI (рис. 22) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительский (уровень представления), сеансовый, транспортный, сетевой, канальный (уровень соединения) и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств. Модель описывает системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает спецификации взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.

На рисунке 22 изображена простая сеть, созданная на основе модели ISO/OSI. Сеть состоит из двух компьютеров, которые, в свою очередь, составлены из уровней. Стрелки, соединяющие уровни, показывают путь следо­вания данных в сети. Для каждого уровня существует соответствующий протокол (транспортный протокол, сетевой протокол).

Каждый уровень пользуется различными единицами измерения количества данных. Уровни приложения (прикладной уровень), представления, сеансовый, транспортный, - используют термин « сообщением» в качестве единицы измере­ния. Сетевой уровень трактует данные как « пакеты» , а уровень соединения - как « кадр» . Физический уровень имеет дело с битами - последовательностью нулей и единиц

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 coобщения, прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и дополняет к полученному сообщению 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. Рисунок 23 иллюстрирует вложенность сообщений различных уровней.

Некоторые peализации протоколов помещают служебную информацию не только в начале сообщения, но и в конце, в виде так называемого «концевика ». Наконец, сообщение достигает нижнего, физическою уровня, который собственно и передает его по сетям машине-адресату. К этому моменту сообщение «обрастает» заголовками всех уровней (рис. 22). Когда cooбщение попадает на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и передается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему yровню.

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

В модели OSI различаются два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения, перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать некоторые параметры протокола, которые они будут использовать при обмене данными. После завершения диалога они должны разорвать соединение. Телефон - это пример взаимодействия, основанного на установлении соединения.

Вторая группа протоколов - протоколы без предварительного установления соединения . 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.

Рассмотрим более подробно функции каждого уровня.

Физический уровень состоит из физических элементов (hardware), служащих непосредственно для передачи информации по сетевым каналам связи. Поэтому линии связи - кабели, соединяющие компьютеры, - относятся к физическому уровню. К нему же относятся и методы электрического преобразования сигна­лов. Различные сетевые технологии, такие как Ethernet, ARCNET, или token ring, относятся к физическому уровню, как задающие параметры преобразова­ния сигналов для передачи по сети. Физический уровень передает данные по битам.

На физическом уровне определяется тип передачи данных: симплексный, полудуплексный или дуплексный.

Канальный уровень или уровень соединения. Задача уровня соединения - передать данные от физического уровня к сетевому и наоборот. Канальный уровеньпревращает данные из последовательности битов в нечто более понятное для сетевого уровня, часто называемое «кадр данных» (кадром данных обычно называют отформатированный уровнем соединения поток битов, поступающий от физического уровня).

Наоборот, канальный уровеньпринимает кадры от сетевого с целью преобразовать их в поток битов, соблюдая правильный формат, для физического уровня. Основная функция уровня соединения - обеспечивать целостность данных, поэтому формат кадра включает необходимую для этого информацию.

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 все байты кадра определенным способом и добавляя контрольнуюсумму 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 уровень может 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.

Кадр данных содержит также информацию, необходимую для его правильной идентификации и маршрутизации .

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. Сетевая карта в компьютере - пример реализации уровня соединения.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, каналь­ный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседни­ми компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи.

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.

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 это внутрисетевая первичная служба доставки и служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей , причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Поскольку сетевой уровень заведует общесетевой информацией о маршрутиза­ции, ему и принадлежит функция подсчетаколичестваданных . Он также следит за трафиком , возможными столкновениями и скоростями передачи по каналам связи.

На сетевомуровне 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, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, марш­рут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые про­ходит пакет.

На рис. 24 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 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.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сооб­щений по связям с нестандартной структурой. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, 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 (routed protocols) - 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.

Транспортный уровень так же, как сетевой уровень доставляет пакеты по сети. Транспортный уровень доставляет (транспортирует) данные между самими компьютерами. Как только сетевой уровень доставит данные компьютеру-получателю, в работу вступает транспортный протокол, доставляя данные к прикладному процессу.

Транспортный уровень обеспечивает приложениям или верх­ним уровням 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 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.

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.

В сети с переключением пакетов транспортный уровень должен фрагментировать данные, поступающие с сеансового уровня на пакеты меньшего размера, с тем, чтобы передать их дальше на сетевой уровень. Принимающая сторона, наоборот, должна собрать данные из пакетов меньшего размера в большие, с тем, чтобы передать на вышележащий уровень.

От транспортного уровня зависит количество пакетов, путешествующих по сети. Другими словами, транспортный уровень генерирует трафик пакетов данных, которым должен управлять сетевой уровень.

Транспортный уровень управляет пропускной способностью сети. Под пропускной способностью (bandwidth) подразумевается максимальное количество данных, проходящих в заданный интервал времени по каналу связи. Для увеличения пропускной способности (и производительности) транспортный уровень открывает несколько сетевых соединений для одного и того же транс­портного соединения. Чтобы сделать это, транспортному уровню требуется мультиплексировать и демультиплексировать передаваемые данные. Термин «мультиплексирование» означает процесс, укладывающий несколько потоков данных в один коммуникационный канал. Термин «демультиплексирование» означает обратное действие. Транспортный уровень передающего компьютера мультиплексирует (объединяет) множество сообщений в одно транспортное соединение. Принимающий данные транспортный уровень, наоборот, демультиплексирует одно соединение во множество сообщений.

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 в качестве пользовательского сетевого интерфейса решает такие задачи по обработке соединений между процессами и приложениями на различных компьютерах, как обработка имен, паролей и прав доступа. Сеансовый уровень преобразует формат данных, подготовленных для передачи по сети, в формат, годный для передачи приложениям. В дополнение он обрабатывает запросы на изменение таких параметров соединения, как скорость передачи и контроль ошибок. Сеансо­вый уровень устраняет возможность потери данных приложением.

С этого момента непосредственный обмен байтов приобретает внутренний смысл. Лишь этот уровень позволяет выполнять такие функции, как обращение к каталогу сервера.

Сеансовый уровень обеспечивает также управление обменом, фиксируя, 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.

Уровень представления объединяет в себе некоторые общие функции, которые сеть неоднократно использует при сетевых соединениях. Уровень представления образует интерфейс сети к устройствам компьютера, таким как принтеры, мониторы, форматы файлов. Уровень представления определяет, как сеть выглядит с точки зрения программного обеспечения и аппаратуры сетевого компьютера. Сообщения, поступающие от нижних уровней, подготавливаются необходимым образом для приложения.

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 происходит, к примеру, преобразование данных, если принимающий компьютер использует другой формат числа, чем посылающий компьютер. На этом уровне может выполняться шифрование и де­шифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечи­вается сразу для всех прикладных служб.

Уровень приложения. На этом уровне сконцентрированы функции, относящиеся к общесетевым при­ложениям и 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 помощыо протокола электронной почты. Приклад­ные программы вроде электронной почты, браузера или распределенной базы данных - образец использования функций уровня приложения.

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

Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Функции всех уровней модели ISO/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 (рис. 25).

Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетизависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализаци­ей сети и используемым коммуникационным оборудованием. Переход на другое оборудование 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 изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию 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.

Контрольные вопросы:

1. Что такое модель ISO\OSI?

2. Сколько и какие уровни включает в себя модель ISO\OSI?

3. Опишите функции каждого уровня модели ISO\OSI.

4. Из чего состоят сообщения на каждом уровне.

5. Поясните понятие «вложенность сообщений различных уровней»

Александр Горячев, Алексей Нисковский

Для того чтобы серверы и клиенты сети могли общаться, они должны работать с использованием одного протокола обмена информацией, то есть должны «говорить» на одном языке. Протокол определяет набор правил для организации обмена информацией на всех уровнях взаимодействия сетевых объектов.

Существует эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection Reference Model), часто называемая моделью OSI. Эта модель разработана Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO). Модель OSI описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных. Она включает в себя семь уровней: физический (Physical - 1), канальный (Data-Link - 2), сетевой (Network - 3), транспортный (Transport - 4), сеансовый (Session - 5), представления данных (Presentation - 6) и прикладной (Application - 7). Считается, что два компьютера могут взаимодействовать друг с другом на конкретном уровне модели OSI, если их программное обеспечение, реализующее сетевые функции этого уровня, одинаково интерпретирует одни и те же данные. В этом случае устанавливается прямое взаимодействие между двумя компьютерами, называемое «точка-точка».

Реализации модели OSI протоколами называются стеками (наборами) протоколов. В рамках одного конкретного протокола невозможно реализовать все функции модели OSI. Обычно задачи конкретного уровня реализуются одним или несколькими протоколами. На одном компьютере должны работать протоколы из одного стека. При этом компьютер одновременно может использовать несколько стеков протоколов.

Рассмотрим задачи, решаемые на каждом из уровней модели OSI.

Физический уровень

На этом уровне модели OSI определяются следующие характеристики сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические топологии сети, способы передачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов), виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи с использованием частотного и временного мультиплексирования.

Реализации протоколов физического уровня модели OSI координируют правила передачи битов.

Физический уровень не включает описание среды передачи. Однако реализации протоколов физического уровня специфичны для конкретной среды передачи. С физическим уровнем обычно ассоциируется подключение следующего сетевого оборудования:

• концентраторов, хабов и повторителей, регенерирующих электрические сигналы;
• соединительных разъемов среды передачи, обеспечивающих механический интерфейс для связи устройства со средой передачи;
• модемов и различных преобразующих устройств, выполняющих цифровые и аналоговые преобразования.

Этот уровень модели определяет физические топологии в корпоративной сети, которые строятся с использованием базового набора стандартных топологий.

Первой в базовом наборе является шинная (bus) топология. В этом случае все сетевые устройства и компьютеры подключаются к общей шине передачи данных, которая чаще всего формируется с использованием коаксиального кабеля. Кабель, формирующий общую шину, называется магистральным (backbone). От каждого из устройств, подключенных к шине, сигнал передается в обе стороны. Для удаления сигнала из кабеля на концах шины должны использоваться специальные прерыватели (terminator). Механическое повреждение магистрали сказывается на работе всех устройств, подключенных к ней.

Кольцевая топология предусматривает соединение всех сетевых устройств и компьютеров в физическое кольцо (ring). В этой топологии информация всегда передается по кольцу в одну сторону - от станции к станции. Каждое сетевое устройство должно иметь приемник информации на входном кабеле и передатчик на выходном. Механическое повреждение среды передачи информации в одинарном кольце повлияет на работу всех устройств, однако сети, построенные с использованием двойного кольца, как правило, имеют запас по отказоустойчивости и функции самовосстановления. В сетях, построенных на двойном кольце, одна и та же информация передается по кольцу в обе стороны. В случае повреждения кабеля кольцо будет продолжать работать в режиме одинарного кольца на двойной длине (функции самовосстановления определяются используемыми аппаратными средствами).

Следующей топологией является звездообразная топология, или звезда (star). Она предусматривает наличие центрального устройства, к которому лучами (отдельными кабелями) подключаются другие сетевые устройства и компьютеры. Сети, построенные на звездообразной топологии, имеют одиночную точку отказа. Этой точкой является центральное устройство. В случае выхода из строя центрального устройства все остальные участники сети не смогут обмениваться информацией между собой, поскольку весь обмен осуществлялся только через центральное устройство. В зависимости от типа центрального устройства принимаемый с одного входа сигнал может транслироваться (с усилением или без) на все выходы либо на конкретный выход, к которому подключено устройство - получатель информации.

Полносвязанная (mesh) топология обладает высокой отказоустойчивостью. При построении сетей с подобной топологией каждое из сетевых устройств или компьютеров соединяется с каждым другим компонентом сети. Эта топология обладает избыточностью, за счет чего кажется непрактичной. Действительно, в малых сетях эта топология применяется редко, однако в больших корпоративных сетях полносвязанная топология может использоваться для соединения наиболее важных узлов.

Рассмотренные топологии чаще всего строятся с применением кабельных соединений.

Существует еще одна топология, использующая беспроводные соединения, - сотовая (cellular). В ней сетевые устройства и компьютеры объединяются в зоны - ячейки (cell), взаимодействуя только с приемо-передающим устройством ячейки. Передача информации между ячейками осуществляется приемо-передающими устройствами.

Канальный уровень

Этот уровень определяет логическую топологию сети, правила получения доступа к среде передачи данных, решает вопросы, связанные с адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением передачей информации (синхронизация передачи и сервис соединений) между сетевыми устройствами.

Протоколами канального уровня определяются:

• правила организации битов физического уровня (двоичные единицы и нули) в логические группы информации, называемые фреймами (frame), или кадрами. Фрейм является единицей данных канального уровня, состоящей из непрерывной последовательности сгруппированных битов, имеющей заголовок и окончание;
• правила обнаружения (и иногда исправления) ошибок при передаче;
• правила управления потоками данных (для устройств, работающих на этом уровне модели OSI, например, мостов);
• правила идентификации компьютеров в сети по их физическим адресам.

Подобно большинству других уровней канальный уровень добавляет собственную управляющую информацию в начало пакета данных. Эта информация может включать адрес источника и адрес назначения (физический или аппаратный), информацию о длине фрейма и индикацию активных протоколов верхнего уровня.

С канальным уровнем обычно связаны следующие сетевые соединительные устройства:

• мосты;
• интеллектуальные концентраторы;
• коммутаторы;
• сетевые интерфейсные платы (сетевые интерфейсные карты, адаптеры и т.д.).

Функции канального уровня подразделяются на два подуровня (табл. 1):

• управление доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC);
• управление логическим соединением (Logical Link Control, LLC).

Подуровень MAC определяет такие элементы канального уровня, как логическая топология сети, метод доступа к среде передачи информации и правила физической адресации между сетевыми объектами.

Аббревиатура MAC также используется при определении физического адреса сетевого устройства: физический адрес устройства (который определяется внутри сетевого устройства или сетевой карты на этапе производства) часто называют MAC-адресом этого устройства. Для большого количества сетевых устройств, особенно сетевых карт, существует возможность программно изменить MAC-адрес. При этом необходимо помнить, что канальный уровень модели OSI накладывает ограничения на использование MAC-адресов: в одной физической сети (сегменте большей по размеру сети) не может быть двух или более устройств, использующих одинаковые MAC-адреса. Для определения физического адреса сетевого объекта может быть использовано понятие «адрес узла» (node address). Адрес узла чаще всего совпадает с MAC-адресом или определяется логически при программном переназначении адреса.

Подуровень LLC определяет правила синхронизации передачи и сервиса соединений. Этот подуровень канального уровня тесно взаимодействует с сетевым уровнем модели OSI и отвечает за надежность физических (с использованием MAC-адресов) соединений. Логическая топология (logical topology) сети определяет способ и правила (последовательность) передачи данных между компьютерами в сети. Сетевые объекты передают данные в зависимости от логической топологии сети. Физическая топология определяет физический путь данных; при этом в некоторых случаях физическая топология не отражает способ функционирования сети. Фактический путь данных определяется логической топологией. Для передачи данных по логическому пути, который может отличаться от пути в физической среде, используются сетевые устройства подключения и схемы доступа к среде передачи. Хороший пример различий между физической и логической топологиями - сеть Token Ring фирмы IBM. В локальных сетях Token Ring часто используется медный кабель, который прокладывается в звездообразную схему с центральным разветвителем (хабом). В отличие от нормальной звездообразной топологии хаб не пересылает входящие сигналы всем другим подключенным устройствам. Внутренняя схема хаба последовательно отправляет каждый входящий сигнал следующему устройству в заранее предопределенном логическом кольце, то есть по круговой схеме. Физической топологией этой сети является звезда, а логической - кольцо.

Еще одним примером различий между физической и логической топологиями может служить сеть Ethernet. Физическая сеть может быть построена с использованием медных кабелей и центрального хаба. Образуется физическая сеть, выполненная по топологии звезды. Однако технология Ethernet предусматривает передачу информации от одного компьютера ко всем остальным, находящимся в сети. Хаб должен ретранслировать принятый с одного своего порта сигнал на все остальные порты. Образована логическая сеть с шинной топологией.

Чтобы определить логическую топологию сети, необходимо понять, как в ней принимаются сигналы:

• в логических шинных топологиях каждый сигнал принимается всеми устройствами;
• в логических кольцевых топологиях каждое устройство получает только те сигналы, которые были посланы конкретно ему.

Также важно знать, каким образом сетевые устройства получают доступ к среде передачи информации.

Доступ к среде передачи

Логические топологии используют специальные правила, управляющие разрешением на передачу информации другим сетевым объектам. Процесс управления контролирует доступ к среде передачи данных. Рассмотрим сеть, в которой всем устройствам позволено функционировать безо всяких правил получения доступа к среде передачи. Все устройства в такой сети передают информацию по мере готовности данных; эти передачи могут иногда накладываться во времени. В результате наложения сигналы искажаются, происходит потеря передаваемых данных. Такая ситуация называется коллизией (collision). Коллизии не позволяют организовать надежную и эффективную передачу информации между сетевыми объектами.

Коллизии в сети распространяются на физические сегменты сети, к которым подключаются сетевые объекты. Такие соединения образуют единое пространство коллизий (collision space), в котором влияние коллизий распространяется на всех. Для уменьшения размеров пространств коллизий путем сегментации физической сети можно использовать мосты и другие сетевые устройства, обладающие функциями фильтрации трафика на канальном уровне.

Сеть не может нормально работать до тех пор, пока все сетевые объекты не смогут контролировать коллизии, управлять ими или устранять их влияние. В сетях необходим некоторый метод снижения числа коллизий, интерференции (наложения) одновременных сигналов.

Существуют стандартные методы доступа к среде передачи, описывающие правила, по которым осуществляется управление разрешением на передачу информации для сетевых устройств: состязание, передача маркера и опрос.

Перед тем как выбрать протокол, в котором реализован один из этих методов доступа к среде передачи данных, следует обратить особое внимание на следующие факторы:

• характер передач - непрерывный или импульсный;
• количество передач данных;
• необходимость передачи данных в строго определенные интервалы времени;
• количество активных устройств в сети.

Каждый из этих факторов в комбинации с преимуществами и недостатками поможет определить, какой из методов доступа к среде передачи является наиболее подходящим.

Состязание. Системы на основе состязания (конкуренции) предполагают, что доступ к среде передачи реализуется на основе принципа «первый пришел - первым обслужен». Другими словами, каждое сетевое устройство борется за контроль над средой передачи. Системы, использующие метод состязания, разработаны таким образом, чтобы все устройства в сети могли передавать данные лишь по мере необходимости. Эта практика в конечном счете приводит к частичной или полной потере данных, потому что в действительности происходят коллизии. По мере добавления к сети каждого нового устройства количество коллизий может возрастать в геометрической прогрессии. Увеличение количества коллизий снижает производительность сети, а в случае полного насыщения среды передачи информации - снижает работоспособность сети до нуля.

Для снижения количества коллизий разработаны специальные протоколы, в которых реализована функция прослушивания среды передачи информации до начала передачи данных станцией. Если прослушивающая станция обнаруживает передачу сигнала (от другой станции), то она воздерживается от передачи информации и будет пытаться повторить ее позже. Эти протоколы называются протоколами множественного доступа с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA). Протоколы CSMA значительно снижают число коллизий, но не устраняют их полностью. Коллизии тем не менее происходят, когда две станции опрашивают кабель: не обнаруживают никаких сигналов, решают, что среда передачи данных свободна, а затем одновременно начинают передачу данных.

Примерами таких состязательных протоколов являются:

• множественный доступ с контролем несущей/обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD);
• множественный доступ с контролем несущей/предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA).

Протоколы CSMA/CD. Протоколы CSMA/CD не только прослушивают кабель перед передачей, но также обнаруживают коллизии и инициализируют повторные передачи. При обнаружении коллизии станции, передававшие данные, инициализируют специальные внутренние таймеры случайными значениями. Таймеры начинают обратный отсчет, и при достижении нуля станции должны попытаться повторить передачу данных. Поскольку таймеры были инициализированы случайными значениями, то одна из станций будет пытаться повторить передачу данных раньше другой. Соответственно, вторая станция определит, что среда передачи данных уже занята, и дождется ее освобождения.

Примерами протоколов CSMA/CD являются Ethernet version 2 (Ethernet II, разработанный в корпорации DEC) и IEEE802.3.

Протоколы CSMA/CA. CSMA/CA использует такие схемы, как доступ с квантованием времени (time slicing) или посылка запроса на получение доступа к среде. При использовании квантования времени каждая станция может передавать информацию только в строго определенные для этой станции моменты времени. При этом в сети должен реализовываться механизм управления квантами времени. Каждая новая станция, подключаемая к сети, оповещает о своем появлении, тем самым инициируя процесс перераспределения квантов времени для передачи информации. В случае использования централизованного управления доступом к среде передачи каждая станция формирует специальный запрос на передачу, который адресуется к управляющей станции. Центральная станция регулирует доступ к среде передачи для всех сетевых объектов.

Примером CSMA/CA является протокол LocalTalk фирмы Apple Computer.

Системы на основе метода состязания больше всего подходят для использования при импульсном трафике (при передаче больших файлов) в сетях с относительно небольшим количеством пользователей.

Системы с передачей маркера. В системах с передачей маркера (token passing) небольшой фрейм (маркер) передается в определенном порядке от одного устройства к другому. Маркер - это специальное сообщение, которое передает временное управление средой передачи устройству, владеющему маркером. Передача маркера распределяет управление доступом между устройствами сети.

Каждое устройство знает, от какого устройства оно получает маркер и какому устройству должно его передать. Обычно такими устройствами являются ближайшие соседи владельца маркера. Каждое устройство периодически получает контроль над маркером, выполняет свои действия (передает информацию), а затем передает маркер для использования следующему устройству. Протоколы ограничивают время контроля маркера каждым устройством.

Имеется несколько протоколов передачи маркера. Двумя стандартами сетей, использующими передачу маркера, являются IEEE 802.4 Token Bus и IEEE 802.5 Token Ring. В сети Token Bus используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая шинная топология, в то время как в сети Token Ring используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая кольцевая топология.

Сети с передачей маркера следует использовать при наличии зависящего от времени приоритетного трафика, типа цифровых аудио- или видеоданных, или же при наличии очень большого количества пользователей.

Опрос. Опрос (polling) - это метод доступа, при котором выделяется одно устройство (называемое контроллером, первичным, или «мастер»-устройством) в качестве арбитра доступа к среде. Это устройство опрашивает все остальные устройства (вторичные) в некотором предопределенном порядке, чтобы узнать, имеют ли они информацию для передачи. Чтобы получить данные от вторичного устройства, первичное устройство направляет ему соответствующий запрос, а затем получает данные от вторичного устройства и направляет их устройству-получателю. Затем первичное устройство опрашивает другое вторичное устройство, принимает данные от него, и так далее. Протокол ограничивает количество данных, которое может передать после опроса каждое вторичное устройство. Опросные системы идеальны для сетевых устройств, чувствительных ко времени, например, при автоматизации оборудования.

Этот уровень также обеспечивает сервис соединений. Существует три типа сервиса соединений:

• сервис без подтверждения и без установления соединений (unacknowledged connectionless) - посылает и получает фреймы без управления потоком и без контроля ошибок или последовательности пакетов;
• сервис, ориентированный на соединение (connection-oriented), - обеспечивает управление потоком, контроль ошибок и последовательности пакетов посредством выдачи квитанций (подтверждений);
• сервис с подтверждением без установления соединения (acknowledged connectionless) - использует квитанции для управления потоком и контроля ошибок при передачах между двумя узлами сети.

Подуровень LLC канального уровня обеспечивает возможность одновременного использования нескольких сетевых протоколов (из разных стеков протоколов) при работе через один сетевой интерфейс. Другими словами, если в компьютере установлена только одна сетевая карта, но есть необходимость работать с различными сетевыми сервисами от разных производителей, то клиентское сетевое программное обеспечение именно на подуровне LLC обеспечивает возможность такой работы.

Сетевой уровень

Сетевой уровень определяет правила доставки данных между логическими сетями, формирование логических адресов сетевых устройств, определение, выбор и поддержание маршрутной информации, функционирование шлюзов (gateways).

Главной целью сетевого уровня является решение задачи перемещения (доставки) данных в заданные точки сети. Доставка данных на сетевом уровне в общем-то похожа на доставку данных на канальном уровне модели OSI, где для передачи данных используется физическая адресация устройств. Однако адресация на канальном уровне относится только к одной логической сети, действует только внутри этой сети. Сетевой уровень описывает методы и средства передачи информации между многими независимыми (и часто разнородными) логическими сетями, которые, соединенные вместе, формируют одну большую сеть. Такая сеть называется объединенной сетью (internetwork), а процессы передачи информации между сетями - межсетевым взаимодействием (internetworking).

С помощью физической адресации на канальном уровне данные доставляются всем устройствам, входящим в одну логическую сеть. Каждое сетевое устройство, каждый компьютер определяют назначение принятых данных. Если данные предназначены компьютеру, то он их обрабатывает, если же нет - игнорирует.

В отличие от канального сетевой уровень может выбирать конкретный маршрут в объединенной сети и избегать посылки данных в те логические сети, в которые данные не адресованы. Сетевой уровень осуществляет это путем коммутаций, адресации на сетевом уровне и с использованием алгоритмов маршрутизации. Сетевой уровень также отвечает за обеспечение правильных маршрутов для данных через объединенную сеть, состоящую из разнородных сетей.

Элементы и методы реализации сетевого уровня определяются следующим:

• все логически отдельные сети должны иметь уникальные сетевые адреса;
• коммутация определяет, как устанавливаются соединения через объединенную сеть;
• возможность реализовать маршрутизацию так, чтобы компьютеры и маршрутизаторы определяли наилучший путь прохождения данных через объединенную сеть;
• сеть будет выполнять различные уровни сервиса соединений в зависимости от ожидаемого в рамках объединенной сети количества ошибок.

На этом уровне модели OSI работают маршрутизаторы и некоторые из коммутаторов.

Сетевой уровень определяет правила формирования логических адресов (logical network address) сетевых объектов. В рамках большой объединенной сети каждый сетевой объект должен обладать уникальным логическим адресом. В формировании логического адреса участвуют два компонента: логический адрес сети, который является общим для всех объектов сети, и логический адрес сетевого объекта, который является уникальным для этого объекта. При формировании логического адреса сетевого объекта может либо использоваться физический адрес объекта, либо определяться произвольный логический адрес. Использование логической адресации позволяет организовать передачу данных между разными логическими сетями.

Каждый сетевой объект, каждый компьютер может выполнять много сетевых функций одновременно, обеспечивая работу различных сервисов. Для обращения к сервисам используется специальный идентификатор сервиса, который называется порт (port), или сокет (socket). При обращении к сервису идентификатор сервиса следует сразу за логическим адресом компьютера, обеспечивающего работу сервиса.

Во многих сетях резервируются группы логических адресов и идентификаторов сервисов с целью выполнения конкретных заранее определенных и общеизвестных действий. Например, в случае необходимости отправить данные всем сетевым объектам отправка будет произведена на специальный broadcast-адрес.

Сетевой уровень определяет правила передачи данных между двумя сетевыми объектами. Эта передача может осуществляться с использованием коммутации или маршрутизации.

Различают три метода коммутации при передаче данных: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов.

При использовании коммутации каналов устанавливается канал передачи данных между отправителем и получателем. Этот канал будет задействован в течение всего сеанса связи. При использовании этого метода возможны длительные задержки при выделении канала, связанные с отсутствием достаточной полосы пропускания, загруженностью коммутационного оборудования или занятостью получателя.

Коммутация сообщений позволяет передавать целое (неразбитое на части) сообщение по принципу «сохранить и передать дальше» (store-and-forward). Каждое промежуточное устройство принимает сообщение, локально его сохраняет и при освобождении канала связи, по которому это сообщение должно быть отправлено, отправляет его. Этот метод хорошо подходит для передачи сообщений электронной почты и организации электронного документооборота.

При использовании коммутации пакетов соединяются вместе преимущества двух предыдущих методов. Каждое большое сообщение разбивается на небольшие пакеты, каждый из которых последовательно отправляется получателю. При прохождении через объединенную сеть для каждого из пакетов определяется наилучший в этот момент времени путь. Получается, что части одного сообщения могут прийти к получателю в разное время и только после того, как все части будут собраны вместе, получатель сможет работать с полученными данными.

Каждый раз при определении дальнейшего пути для данных необходимо выбрать наилучший маршрут. Задача определения наилучшего пути называется маршрутизацией (routing). Эту задачу выполняют маршрутизаторы (router). Задача маршрутизаторов - определение возможных путей передачи данных, поддержание маршрутной информации, выбор наилучших маршрутов. Маршрутизация может осуществляться статическим либо динамическим способом. При задании статической маршрутизации должны быть заданы все взаимосвязи между логическими сетями, которые остаются неизменными. Динамическая маршрутизация предполагает, что маршрутизатор может сам определять новые пути либо модифицировать информацию о старых. Динамическая маршрутизация использует специальные алгоритмы маршрутизации, наиболее распространенными из которых являются вектор дистанции (distance vector) и состояние канала (link state). В первом случае маршрутизатор использует информацию о структуре сети от соседних маршрутизаторов, из вторых рук. Во втором случае маршрутизатор оперирует информацией о собственных каналах связи и взаимодействует со специальным представительским маршрутизатором для построения полной карты сети.

На выбор наилучшего маршрута чаще всего влияют такие факторы, как количество переходов через маршрутизаторы (hop count) и количество тиков (единиц времени), необходимых для достижения сети назначения (tick count).

Сервис соединений сетевого уровня работает тогда, когда сервис соединений LLC-подуровня канального уровня модели OSI не используется.

При построении объединенной сети приходится соединять логические сети, построенные с использованием различных технологий и предоставляющие разнообразные сервисы. Для того чтобы сеть могла работать, логические сети должны уметь правильно интерпретировать данные и управляющую информацию. Эта задача решается с помощью шлюза, который представляет собой устройство, или прикладную программу, переводящую и интерпретирующую правила одной логической сети в правила другой. Вообще, шлюзы могут быть реализованы на любом уровне модели OSI, однако чаще всего они реализуются на верхних уровнях модели.

Транспортный уровень

Транспортный уровень позволяет спрятать физическую и логическую структуры сети от приложений верхних уровней модели OSI. Приложения работают только с сервисными функциями, которые достаточно универсальны и не зависят от физической и логической топологий сети. Особенности логической и физической сетей реализуются на предыдущих уровнях, куда транспортный уровень передает данные.

Транспортный уровень часто компенсирует отсутствие надежного или ориентированного на соединение сервиса соединений на нижних уровнях. Термин «надежный» (reliable) не означает, что все данные будут доставлены во всех случаях. Тем не менее надежные реализации протоколов транспортного уровня обычно могут подтверждать или отрицать доставку данных. Если данные не доставлены принимающему устройству правильно, транспортный уровень может осуществить повторную передачу или информировать верхние уровни о невозможности доставки. Верхние уровни могут затем предпринять необходимые корректирующие действия или обеспечить пользователя возможностью выбора.

Многие протоколы в вычислительных сетях обеспечивают пользователям возможность работы с простыми именами на естественном языке вместо сложных и тяжелых для запоминания алфавитно-цифровых адресов. Преобразование адресов в имена и обратно (Address/Name Resolution) является функцией идентификации или отображения имен и алфавитно-цифровых адресов друг в друга. Эта функция может выполняться каждым объектом в сети или поставщиками специального сервиса, называемыми каталоговыми серверами (directory server), серверами имен (name server) и т.п. Следующие определения классифицируют методы преобразования адресов/имен:

• инициация потребителем сервиса;
• инициация поставщиком сервиса.

В первом случае пользователь сети обращается к какому-либо сервису по его логическому имени, не зная точное расположение сервиса. Пользователь не знает, доступен ли этот сервис в данный момент. При обращении логическое имя ставится в соответствие физическому имени, и рабочая станция пользователя инициирует обращение непосредственно к сервису. Во втором случае каждый сервис извещает о себе всех клиентов сети на периодической основе. Каждый из клиентов в любой момент времени знает, доступен ли сервис, и умеет обратиться непосредственно к сервису.

Методы адресации

Адреса сервиса идентифицируют конкретные программные процессы, выполняемые на сетевых устройствах. В дополнение к этим адресам поставщики сервиса отслеживают различные диалоги, которые они ведут с устройствами, запрашивающими услуги. Два различных метода диалога используют следующие адреса:

• идентификатор соединения;
• идентификатор транзакции.

Идентификатор соединения (connection identifier), также называемый ID соединения (connection ID), портом (port), или сокетом (socket), идентифицирует каждый диалог. С помощью идентификатора соединения поставщик соединения может связываться более чем с одним клиентом. Поставщик сервиса обращается к каждому объекту коммутации по его номеру, а для координации других адресов нижнего уровня полагается на транспортный уровень. Идентификатор соединения связан с конкретным диалогом.

Идентификаторы транзакций подобны идентификаторам соединений, но оперируют единицами, меньшими, чем диалог. Транзакция составляется из запроса и ответа. Поставщики и потребители сервиса отслеживают отправление и прибытие каждой транзакции, а не диалога в целом.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень способствует взаимодействию между устройствами, запрашивающими и поставляющими услуги. Сеансы связи контролируются посредством механизмов, которые устанавливают, поддерживают, синхронизируют и управляют диалогом между поддерживающими связь объектами. Этот уровень также помогает верхним уровням идентифицировать доступный сетевой сервис и соединиться с ним.

Сеансовый уровень использует информацию о логических адресах, поставляемую нижними уровнями, для идентификации имен и адресов серверов, необходимых верхним уровням.

Сеансовый уровень также инициирует диалоги между устройствами-поставщиками сервиса и устройствами-потребителями. Выполняя эту функцию, сеансовый уровень часто осуществляет представление, или идентификацию, каждого объекта и координирует права доступа к нему.

Сеансовый уровень реализует управление диалогом с использованием одного из трех способов общения - симплекс (simplex), полудуплекс (half duplex) и полный дуплекс (full duplex).

Симплексное общение предполагает только однонаправленную передачу от источника к приемнику информации. Никакой обратной связи (от приемника к источнику) этот способ общения не обеспечивает. Полудуплекс позволяет использовать одну среду передачи данных для двунаправленных передач информации, однако в каждый момент времени информация может передаваться только в одну сторону. Полный дуплекс обеспечивает одновременную передачу информации в обе стороны по среде передачи данных.

Администрирование сеанса связи между двумя сетевыми объектами, состоящее из установления соединения, передачи данных, завершения соединения, также выполняется на этом уровне модели OSI. После установления сеанса программное обеспечение, реализующее функции данного уровня, может проверять работоспособность (поддерживать) соединения вплоть до его завершения.

Уровень представления данных

Основная задача уровня представления данных - преобразование данных во взаимно согласованные форматы (синтаксис обмена), понятные всем сетевым приложениям и компьютерам, на которых работают приложения. На этом уровне также решаются задачи компрессии и декомпрессии данных и их шифрование.

Под преобразованием понимается изменение порядка битов в байтах, порядка байтов в слове, кодов символов и синтаксиса имен файлов.

Необходимость изменения порядков битов и байтов обусловлена наличием большого количества разнообразных процессоров, вычислительных машин, комплексов и систем. Процессоры разных производителей могут по-разному трактовать нулевой и седьмой биты в байте (либо нулевой бит является старшим, либо - седьмой). Аналогично по-разному трактуются байты, из которых состоят большие единицы информации - слова.

Для того чтобы пользователи различных операционных систем могли получать информацию в виде файлов с корректными именами и содержимым, этот уровень обеспечивает корректное преобразование синтаксиса файлов. Различные операционные системы по-разному работают со своими файловыми системами, реализуют разные способы формирования имен файлов. Информация в файлах также хранится в определенной кодировке символов. При взаимодействии двух сетевых объектов важно, чтобы каждый из них мог интерпретировать файловую информацию по-своему, но смысл информации изменяться не должен.

Уровень представления данных преобразует данные во взаимно согласованный формат (синтаксис обмена), понятный всем сетевым приложениям и компьютерам, на которых работают приложения. Может, кроме того, сжимать и разворачивать, а также шифровать и расшифровывать данные.

Компьютеры используют различные правила представления данных с помощью двоичных нулей и единиц. Несмотря на то что все эти правила пытаются достичь общей цели - представить данные, понятные человеку, производители компьютеров и стандартизирующие организации создали правила, противоречащие друг другу. Когда два компьютера, использующие различные наборы правил, пытаются связаться друг с другом, им часто бывает необходимо выполнить некоторые преобразования.

Локальные и сетевые операционные системы часто шифруют данные для защиты их от несанкционированного использования. Шифрование - это общий термин, который описывает некоторые методы защиты данных. Защита зачастую выполняется с помощью перемешивания данных (data scrambling), при котором используется один или несколько методов из трех: перестановка, подстановка, алгебраический метод.

Каждый из подобных методов - это просто особый способ защиты данных таким образом, чтобы они могли быть поняты только тем, кто знает алгоритм шифрования. Шифрование данных может выполняться как аппаратно, так и программно. Однако сквозное шифрование данных обычно выполняется программным способом и считается частью функций уровня представления данных. Для оповещения объектов об используемом методе шифрования обычно применяется 2 метода - секретные ключи и открытые ключи.

Методы шифрования с секретным ключом используют единственный ключ. Сетевые объекты, владеющие ключом, могут шифровать и расшифровывать каждое сообщение. Следовательно, ключ должен сохраняться в секрете. Ключ может быть встроен в микросхемы оборудования или установлен администратором сети. При каждом изменении ключа все устройства должны быть модифицированы (желательно не использовать сеть для передачи значения нового ключа).

Сетевые объекты, использующие методы шифрования с открытым ключом, обеспечиваются секретным ключом и некоторым известным значением. Объект создает открытый ключ, манипулируя известным значением посредством секретного ключа. Объект, инициирующий коммуникацию, посылает свой открытый ключ приемнику. Другой объект затем математически комбинирует собственный секретный ключ с переданным ему открытым ключом для установки взаимоприемлемого значения шифрования.

Владение только открытым ключом мало полезно несанкционированным пользователям. Сложность результирующего ключа шифрования достаточно велика, чтобы его можно было вычислить за приемлемое время. Даже знание собственного секретного ключа и чьего-то открытого ключа не слишком поможет определить другой секретный ключ - из-за сложности логарифмических вычислений для больших чисел.

Прикладной уровень

Прикладной уровень содержит все элементы и функции, специфичные для каждого вида сетевого сервиса. Шесть нижних уровней объединяют задачи и технологии, обеспечивающие общую поддержку сетевого сервиса, в то время как прикладной уровень обеспечивает протоколы, необходимые для выполнения конкретных функций сетевого сервиса.

Серверы представляют клиентам сети информацию о том, какие виды сервиса они обеспечивают. Основные механизмы идентификации предлагаемых услуг обеспечивают такие элементы, как адреса сервиса. Кроме того, серверы используют такие методы представления своего сервиса, как активное и пассивное представление сервиса.

При осуществлении активного представления сервиса (Active service advertisement) каждый сервер периодически посылает сообщения (включающие адреса сервиса), объявляя о своей доступности. Клиенты также могут опрашивать сетевые устройства в поисках определенного типа сервиса. Клиенты сети собирают представления, сделанные серверами, и формируют таблицы доступных в настоящее время видов сервиса. Большинство сетей, использующих метод активного представления, определяют также конкретный период действия представлений сервиса. Например, если сетевой протокол определяет, что представления сервиса должны посылаться каждые пять минут, то клиенты будут удалять по тайм-ауту те виды сервиса, которые не были представлены в течение последних пяти минут. По истечении тайм-аута клиент удаляет сервис из своих таблиц.

Серверы осуществляют пассивное представление сервиса (Passive service advertisement) путем регистрации своего сервиса и адреса в каталоге. Когда клиенты хотят определить доступные виды сервиса, они просто запрашивают каталог о местоположении нужного сервиса и об его адресе.

Прежде чем сетевой сервис может быть использован, он должен стать доступным локальной операционной системе компьютера. Существует несколько методов решения этой задачи, однако каждый такой метод может быть определен положением или уровнем, на котором локальная операционная система распознает сетевую операционную систему. Предоставляемый сервис можно подразделить на три категории:

• перехват вызовов операционной системы;
• удаленный режим;
• совместная обработка данных.

При использовании перехвата вызовов ОС (OC Call Interception) локальная операционная система совершенно не подозревает о существовании сетевого сервиса. Например, когда приложение DOS пытается читать файл с сетевого файл-сервера, оно считает, что данный файл находится на локальном накопителе. В действительности специальный фрагмент программного обеспечения перехватывает запрос на чтение файла прежде, чем он достигнет локальной операционной системы (DOS), и направляет запрос сетевому файловому сервису.

В другом крайнем случае, при удаленном режиме (Remote Operation) работы локальная операционная система знает о сети и ответственна за передачу запросов к сетевому сервису. Однако сервер ничего не знает о клиенте. Для операционной системы сервера все запросы к сервису выглядят одинаково, независимо от того, являются ли они внутренними или переданы по сети.

Наконец, существуют операционные системы, которые знают о существовании сети. И потребитель сервиса, и поставщик сервиса распознают существование друг друга и работают вместе, координируя использование сервиса. Этот тип использования сервиса обычно требуется для одноранговой совместной обработки данных. Совместная обработка данных подразумевает разделение возможностей обработки данных для выполнения единой задачи. Это означает, что операционная система должна знать о существовании и возможностях других и быть способной кооперироваться с ними для выполнения нужной задачи.

КомпьютерПресс 6"1999

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.