В данной статье, мы разберемся, что такое сетевая модель OSI, из каких уровней она состоит, и какие функции выполняет. Итак, предмет разговора является некой моделью взаимодействия эталонов, определяющих последовательность обмена данных, и программ.
Аббревиатура OSI Open Systems Interconnection, означает модель взаимодействия открытых систем. Для решения задачи совместимости разнообразных систем, организация по стандартизации выпустила в 1983 г. эталон модели OSI. Она описывает структуру открытых систем, их требования, и их взаимодействие.
Open system – это система, составлена согласно открытым спецификациям, которые доступны каждому, а также соответствуют определенным стандартам. Например, ОС Windows считается open system, потому что она создана на основе открытых спецификаций, которые описывают деятельность интернета, но начальные коды системы закрыты.
Достоинство в том, что есть возможность построить сеть из устройств от разных изготовителей, если нужно, заменить ее отдельные компоненты. Можно без проблем, объединить несколько сетей в одну целую.
Согласно рассматриваемой нами модели, необходимо, чтобы вычислительные сети состояли из семи уровней. Вследствие того, что модель не описывает протоколы, определяемые отдельными стандартами, она не является сетевой архитектурой.
К сожалению, с практической точки зрения, модель взаимодействия открытых систем не применяется. Её особенность заключается в овладении теоретическими вопросами сетевого взаимодействия. Именно поэтому в качестве простого языка для описания построения разных видов сети используется эта модель.
Уровни модели OSI
Базовая структура представляет собой систему, состоящую из 7 уровней. Возникает вопрос, за что отвечают семь этапов и зачем модели, такое количество уровней? Все они отвечают за определенную ступень процесса отправки сетевого сообщения, а также содержат в себе определенную смысловую нагрузку. Шаги выполняются, сепаративно друг от друга и не требует повышенного контроля, со стороны пользователя. Не правда ли, удобно?
Нижние ступени системы с первой по третью, управляют физической доставкой данных по сети, их называют media layers.
Остальные, уровни способствуют обеспечению точной доставки данных между компьютерами в сети, их называют хост-машины.
Прикладной – это ближайший уровень к юзеру. Его отличие от других в том, что он не предоставляет услуги другим ступеням. Обеспечивает услугами прикладные процессы, которые лежат за пределами масштаба модели, например, передача базы данных, голоса, и другое.
Физический уровень (PHYSICAL)
Данный этап устроен сравнительно проще других, ведь кроме единиц и нулей в нем нет других систем измерений, данный уровень не анализирует информацию и именно поэтому является самым нижним из уровней. На нем в основном осуществляется передача информации. Главный параметр загруженности – бит.
Основная цель физического уровня представить нуль и единицу в качестве сигналов, передаваемые по среде передачи данных.
Например, есть некий канал связи (КС), отправляемое сообщение, отправитель и соответственно получатель. У КС есть свои характеристики:
- Пропускная способность, измеряемая, в бит/c, то есть, сколько данных мы можем передать за единицу времени.
- Задержка, сколько времени пройдет, прежде чем сообщение дойдет от отправителя к получателю.
- Количество ошибок, если ошибки возникают часто, то протоколы должны обеспечивать исправление ошибок. А если редко, то их можно исправлять на вышестоящих уровнях, на пример на транспортном.
В качестве канала передачи информации используются:
- Кабели: телефонный, коаксиал, витая пара, оптический.
- Беспроводные технологии, такие как, радиоволны, инфракрасное излучение.
- Спутниковые КС
- Беспроводная оптика или лазеры, применяются редко, из-за низкой скорости и большого количества помех.
Очень редко возникают ошибки в оптических кабелях, так как повлиять на распространение света сложно. В медных кабелях, ошибки возникают, но достаточно редко, а в беспроводной среде, ошибки возникают очень часто.
Канальный уровень (DATA LINK)
Следующая станция, которую посетит информация, напомнит таможню. А именно IP-адрес будет сравнен на совместимость со средой передачи. Здесь также выявляются и исправляются недочеты системы. Для удобства дальнейших операций, биты группируются в кадры – frame.
Цель канального уровня – передача сообщений по КС – кадров.
Задачи data link
- Найти, где в потоке бит, начинается и оканчивается сообщение
- Обнаружить и скорректировать ошибки при отправке информации
- Адресация, необходимо знать, какому компьютеру отправлять информацию, потому что к разделяемой среде в основном, подключается несколько компьютеров
- Обеспечить согласованный доступ к разделяемой среде, чтобы в одно и то же время, информацию передавал один компьютер.
На канальном уровне выявляются и исправляются ошибки. При обнаружении таковой проводится проверка правильности доставки данных, если неправильно, то кадр отбрасывается.
Исправление ошибок, требует применение специальных кодов, которые добавляют избыточную информацию в передаваемые данные.
Повторная отправка данных, применяется совместно с методом обнаружения ошибок. Если в кадре обнаружена ошибка, он отбрасывается, и отправитель направляет этот кадр заново.
Обнаружить и исправить ошибки
Практика показала эффективность следующих методов, если используется надежная среда для передачи данных (проводная) и ошибки возникают редко, то исправлять их лучше на верхнем уровне. Если в КС ошибки происходят часто, то ошибки необходимо исправлять сразу на канальном уровне.
Функции данного этапа в компьютере осуществляют сетевые адаптеры и драйверы, подходящие к ним. Через них и происходит непосредственный обмен данными.
Некоторые протоколы, используемые на канальном уровне, это HDLC, Ethernet применяющая шинную топологию и другие.
Сетевой уровень (NETWORK)
Этап напоминает процесс распределения информации. К примеру, все пользователя делиться на группы, а пакеты данных расходятся в соответствии с IP адресами, состоящими из 32 битов. Именно благодаря работе маршрутизаторов на этой инстанции, устраняются все различия сетей. Это процесс так называемой логической маршрутизации.
Основная задача состоит в создании составных сетей построенных на основе сетевых технологий разного канального уровня: Ethernet, Wi-Fi, MPLS. Сетевой уровень — это «основа» интернета.
Назначение сетевого уровня
Мы можем передавать информацию от одного компьютера к другому через Ethernet и Wi-Fi, тогда зачем нужен еще один уровень? У технологии канального уровня (КУ) есть две проблемы, во-первых, технологии КУ отличаются друг от друга, во-вторых, есть ограничение по масштабированию.
Какие могут быть различия в технологиях канального уровня?
Различный уровень предоставляемого сервиса, некоторые уровни гарантируют доставку и необходимый порядок следования сообщений. Wi-Fi просто гарантирует доставку сообщения, а Ethernet нет.
Разная адресация, по размеру, иерархии. Сетевые технологии могут поддерживать широковещание, т.е. есть возможность отправить информацию всем компьютерам в сети.
Может различаться максимальный размер кадра (MTU), например, в изернете 1500, а в вай-фай 2300. Как можно согласовывать такие различия на сетевом уровне?
Можно предоставлять разный тип сервиса, например, кадры из Вай-Фай принимаются с отправкой подтверждения, а в Ethernet отправляются без подтверждения.
Для того чтобы согласовать разницу адресаций, на сетевом уровне, вводятся глобальные адреса, которые не зависят от адресов конкретных технологий (ARP для TCP/IP) канального уровня.
Чтобы передавать данные через составные сети, у которых разный размер передаваемого кадра, используется фрагментация. Рассмотрим пример, первый компьютер передает данные второму, через 4 промежуточные сети, объединенные 3-ми маршрутизаторами. У каждой сети разный MTU.
Компьютер сформировал первый кадр и передал его на маршрутизатор, маршрутизатор проанализировал размер кадра, и понял, что передать полностью его через сеть 2 нельзя, потому что mtu2 у него слишком мал.
Маршрутизатор разбивает данные на 3 части и передает их отдельно.
Следующий маршрутизатор объединяет данные в один, большой пакет, определяет его размер и сравнивает с mtu сети 3. И видит, что один пакет MTU3 целиком передать нельзя (MTU3 больше, чем MTU2, но меньше, чем MTU1) и маршрутизатор разбивает пакет на 2 части и отправляет следующему маршрутизатору.
Последний маршрутизатор объединяет пакет и отправляет получателю целиком. Фрагментация занимается объединением сетей и это скрыто от отправителя и получателя.
Как решается проблема масштабируемости на сетевом уровне?
Работа ведется не с отдельными адресами, как на канальном уровне, а с блоками адресов. Пакеты, для которых не известен путь следования отбрасываются, а не пересылаются обратно на все порты. И существенное отличие от канального, возможность нескольких соединений между устройствами сетевого уровня и все эти соединения будут активными.
Задачи сетевого уровня:
- Объединить сети, построенные разными технологиями;
- Обеспечить качественное обслуживание;
- Маршрутизация, поиск пути от отправителя информации к получателю, через промежуточные узлы сети.
Маршрутизация
Поиск пути отправки пакета между сетями через транзитные узлы – маршрутизаторы. Рассмотрим пример выполнения маршрутизации. Схема состоит из 5 маршрутизаторов и двух компьютеров. Как могут передаваться данные от одного компьютера к другому?
В следующий раз данные могут быть отправлены другим путем.
В случае поломки одного из маршрутизатора, ничего страшного не произойдет, можно найти путь в обход сломанного маршрутизатора.
Протоколы, применяемые на этом этапе: интернет протокол IP; IPX, необходимый для маршрутизации пакетов в сетях и др.
Транспортный уровень (TRANSPORT)
Есть следующая задача, на компьютер, который соединен с составной сетью приходит пакет, на компьютере работает много сетевых приложений (веб-браузер, скайп, почта), нам необходимо понять какому приложению нужно передать этот пакет. Взаимодействием сетевых приложений занимается транспортный уровень.
Задачи транспортного уровня
Отправка данных между процессами на разных хостах. Обеспечение адресации, нужно знать для какого процесса предназначен тот или другой пакет. Обеспечение надежности передачи информации.
Модель взаимодействия open system
Хосты — это устройства где функционируют полезные пользовательские программы и сетевое оборудование, например, коммутаторы, маршрутизаторы.
Особенностью транспортного уровня является прямое взаимодействие одного компьютера с транспортным уровнем на другом компьютере, на остальных уровнях взаимодействие идет по звеньям цепи.
Такой уровень обеспечивает сквозное соединение между двумя взаимодействующими хостами. Данный уровень независим от сети, он позволяет скрыть от разработчиков приложений детали сетевого взаимодействия.
Для адресации на транспортном уровне используются порты, это числа от 1 до 65 535. Порты записываются вот так: 192.168.1.3:80 (IP адрес и порт).
Особенности транспортного уровня
Обеспечение более высокой надежности, в отличии от сети, которая используется для передачи данных. Применяются надежные каналы связи, ошибки в этих КС происходят редко, следовательно, можно строить надежную сеть, которая будет стоить дешево, а ошибки можно исправлять программно на хостах.
Транспортный уровень гарантирует доставку данных, он использует подтверждение от получателя, если подтверждение не пришло транспортный снова отправляет подтверждение данных. Гарантия следования сообщений.
Сеансовый уровень (SESSION)
Сеансовый (сессия) – это набор сетевых взаимодействий, целенаправленных на решение единственной задачи.
Сейчас сетевое взаимодействие усложнилось и не состоит из простых вопросов и ответов, как было раньше. Например, Вы загружаете веб страничку, чтобы показать в браузере, сначала нужно загрузить сам текст веб страницы (.html), стилевой файл (.css), который описывает элементы оформления веб страницы, загрузка изображений. Таким образом, чтобы выполнить задачу, загрузить веб страницу, необходимо реализовать несколько, отдельных сетевых операций.
Сеансовый определяет, какая будет передача информации между 2-мя прикладными процессами: полудуплексной (по очередная передача и прием данных); или дуплексной (одновременная передача и прием информации).
Уровень представления данных (PRESENTATION)
Функции – представить данные, передаваемых между прикладными процессами, в необходимой форме.
Для описания этого уровня, используют автоматический перевод в сети с различных языков. Например, Вы набираете номер телефона, говорите на русском, сеть автоматом переводит на французский язык, передает информацию в Испанию, там человек поднимает трубку и слышит Ваш вопрос на испанском языке. Это задача, пока не реализована.
Для защиты отправляемых данных по сети используется шифрование: secure sockets layer, а также transport layer security, эти технологии позволяют шифровать данные которые отправляются по сети.
Протоколы прикладного уровня используют TSL/SSL и их можно отличить по букве s в конце. Например, https, ftps и другие. Если в браузере Вы видите, что используется протокол https и замок, это значит, что производится защита данных по сети при помощи шифрования.
Прикладной уровень (APPLICATION)
Необходим для взаимодействия между собой сетевых приложений, таких как web, e-mail, skype и тд.
По сути, представляет собой комплект спецификаций, позволяющих пользователю осуществлять вход на страницы для поиска нужной ему информации. Проще говоря, задачей application является обеспечение доступа к сетевым службам. Содержимое этого уровня очень разнообразно.
Функции application:
- Решение задач, отправка файлов; управление заданиями и системой;
- Определение пользователей по их логину, e-mail адресу, паролям, электронным подписям;
- Запросы на соединение с иными прикладными процессами;
Видео о всех уровнях модели OSI
Заключение
Анализ проблем с помощью сетевых моделей OSI поможет быстро найти и устранить их. Недаром работа над проектом программы, способной выявить недочеты имея при этом сложное ступенчатое устройство, велась достаточно долго. Данная модель является в действительности эталоном. Ведь в одно время с ней велись работы по созданию других протоколов. Например, TCP/IP. На сегодняшний день, они довольно часто применяются.
