Главная › Телефон › Модель взаимодействия открытых систем структура и уровни. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI)

Модель взаимодействия открытых систем структура и уровни. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI)

Понятие «открытая система»

В широком смысле открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.

Напомним, что под термином «спецификация» (в вычислительной технике) понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Понятно, что не всякая спецификация является стандартом. В свою очередь, под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

Использование при разработке систем открытых спецификаций позволяет третьим сторонам разрабатывать для этих систем различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей.

Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом. Как правило, даже в системах, называемых открытыми, этому определению соответствуют лишь некоторые части, поддерживающие внешние интерфейсы. Например, открытость семейства операционных систем Unix заключается, кроме всего прочего, в наличии стандартизованного программного интерфейса между ядром и приложениями, что позволяет легко переносить приложения из среды одной версии Unix в среду другой версии. Еще одним примером частичной открытости является применение в достаточно закрытой операционной системе Novell NetWare открытого интерфейса Open Driver Interface (ODI) для включения в систему драйверов сетевых адаптеров независимых производителей. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем более открытой она является.

Модель OSI касается только одного аспекта открытости, а именно открытости средств взаимодействия устройств, связанных в вычислительную сеть. Здесь под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.

Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества:

возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;

возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами;

возможность легкого сопряжения одной сети с другой;

простота освоения и обслуживания сети.

Ярким примером открытой системы является международная сеть Internet. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке ее стандартов принимали участие тысячи специалистов-пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм-производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения, работающих в разных странах. Само название стандартов, определяющих работу сети Internet - Request For Comments (RFC), что можно перевести как «запрос на комментарии», - показывает гласный и открытый характер принимаемых стандартов. В результате сеть Internet сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру.

Модель OSI

Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI.

В модели OSI взаимодействие делится на семь уровней или слоев (рис. 1.1). Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия. Таким образом, проблема взаимодействия декомпозирована на 7 частных проблем, каждая из которых может быть решена независимо от других. Каждый уровень поддерживает интерфейсы с выше- и нижележащими уровнями.

Рис. 1.1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Следует иметь в виду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, в таком случае, при необходимости межсетевого обмена оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.

Приложение конечного пользователя может использовать системные средства взаимодействия не только для организации диалога с другим приложением, выполняющимся на другой машине, но и просто для получения услуг того или иного сетевого сервиса, например, доступа к удаленным файлам, получение почты или печати на разделяемом принтере.

Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловому сервису. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата, в которое помещает служебную информацию (заголовок) и, возможно, передаваемые данные. Затем это сообщение направляется представительному уровню. Представительный уровень добавляет к сообщению свой заголовок и передает результат вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. Некоторые реализации протоколов предусматривают наличие в сообщении не только заголовка, но и концевика. Наконец, сообщение достигает самого низкого, физического уровня, который действительно передает его по линиям связи.

Когда сообщение по сети поступает на другую машину, оно последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет заголовок своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции и передает сообщение вышележащему уровню.

Кроме термина "сообщение" (message) существуют и другие названия, используемые сетевыми специалистами для обозначения единицы обмена данными. В стандартах ISO для протоколов любого уровня используется такой термин как "протокольный блок данных" - Protocol Data Unit (PDU). Кроме этого, часто используются названия кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram).

Функции уровней модели ISO/OSI

Физический уровень . Этот уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, такие как требования к фронтам импульсов, уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

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

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

Канальный уровень. На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

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

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка - точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP-B.

Сетевой уровень. Этот уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами. Рассмотрим функции сетевого уровня на примере локальных сетей. Протокол канального уровня локальных сетей обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующейтиповой топологией . Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, используется дополнительный сетевой уровень. На этом уровне вводится понятие "сеть". 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.

Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень.

Сообщения сетевого уровня принято называтьпакетами (packets) . При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие"номер сети" . В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.

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

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

На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. К сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией . С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

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

Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить 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 вся система транспортировки данных в сети. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое, и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок - с помощью предварительного установления логического соединения, контроля доставки сообщений с помощью контрольных сумм и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т.п.

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

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

Уровень представления. Этот уровень обеспечивает гарантию того, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. При необходимости уровень представления выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером протокола, работающего на уровне представления, является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

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

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

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

Общие положения. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС, модель OSI Open Systems Interconnection) была разработана Международной организацией по стандартизации (МОС, OSI) и принята в виде стандарта в 1983 г. Она поддержана Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ), ныне Международным союзом электросвязи, секция Телекоммуникаций (МСЭ-Т, ITU-T) Рекомендацией Х. 200. Эта модель является основополагающей при рассмотрении любых вопросов, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией систем связи. Она следует принципам АОС и имеет уровневую структуру.

Количество уровней может быть, в общем случае, произвольным. Однако при малом их числе дискредитируется идея упрощения понимания действия системы, а при их большом числе возникает потребность в большом количестве правил стыковки отдельных подсистем.

Стандартом № 7498 предусмотрена семиуровневая организация открытых систем. Каждый уровень имеет свое название и номер от У1 до У7 , изменяющийся снизу вверх (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Семиуровневая организация открытых систем

Международное и российскоенаименование уровней и принятые сокращения приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Классификация уровней открытых систем

Номер уровня	Международное наименование уровня	Сокращение	Российское наименование уровня	Сокращение
			Прикладной
			Представительный
			Сеансовый
			Транспортный

			Канальный
			Физический

При взаимодействии прикладных процессов между собой с использованием открытых систем работа происходит посредством обмена специальными командами в определенной последовательности, составляющими основу соответствующих уровневых протоколов.

Каждую открытую систему можно структурировать по некоторым признакам (рис. 1.14). С одной стороны, условно все уровни можно разбить на две группы: уровни сети связи (У1 –У4) и уровни пользователя (У5 –У7) .Первой группой уровней обеспечивается передача сообщений средствами электрической связи по сети. Вторая группа уровней составляет информационное обеспечение передачи (приема) сообщений с точки зрения их содержания, формы и моментов представления.

Рис. 1.14. Структурирование открытой системы

С другой стороны, на двух верхних уровнях (У7, У6) происходят процессы подготовки сообщений к передаче (информационные процедуры), на двух последующих (У5, У4) - формирование процесса передачи и "вхождение" сообщения в сеть связи (транспортные процедуры), а на трех нижних (У3, У2, У1) - выбор маршрута передачи,преобразование сообщений в электрические сигналы и обратно, контроль правильности передачи (сетевые процедуры).

Стандартизация ЭМ ВОС предусматривает три основных шага: независимость существования и развития уровней; определение функций (процедур) каждого уровня, определение порядка взаимодействия уровней внутри ОС и между ВС. Каждый из этих шагов предусматривает некоторые базовые понятия и определения.

К первому шагу относятся следующие понятия:

– система – совокупность технических, алгоритмических и программных средств, обеспечивающая возможность взаимодействия пользователей между собой через сеть связи;

– подсистема – часть системы, выполняющая определенные функции в общей стратегии работы всей системы;

– уровень – логическое понятие, определяющее порядок следования подсистем в системе.

Эти понятия определяют архитектуру ЭМ ВОС, утверждая основной ее принцип – раздельность и независимость уровней. Это яркий пример использования принципа декомпозиции для упрощения понимания работы сложных систем.

Каждому из уровней присущи специфические функции, определяющие потребительские свойства подсистемы и положенные в основу наименования уровней. В случае необходимости предусматривается организация подуровней внутри каждого уровня. Их количество не оговорено.

Уровневая организация дает возможность независимого развития и изменения каждого слоя, модульного построения аппаратуры упрощение понимания работы отдельных подсистем. Вместе с тем она несколько увеличивает накладные расходы из-за необходимости повторения системных функций на каждом из уровней и иногда приводит к дублированию некоторых потребительских функций.

Второй шаг стандартизации включает в себя следующие понятия:

– процессы (механизмы, функции) – набор определенных логических процедур, специфичных для данной подсистемы, выполняемых ее активными элементами;

– услуга – результат логически законченных действий, который необходим надуровню для выполнения его функций. Совокупность услуг составляет сервис N-уровня для (N + 1)-уровня.

Эти понятия определяют внутренние процедуры на каждом уровне, его задачи и результат работы в общей совокупности задач ОС.

И, наконец, третий шаг стандартизации содержит следующие понятия:

– протокол – регламентированный набор команд и ответов, определяющий взаимодействие одноименных уровней разных ОС в штатных и нештатных ситуациях;

– интерфейс – совокупность устройств и логических процедур на стыке смежных подсистем, определяющая механическое, электрическое, функциональное и логическое взаимодействие разных подсистем в одной ОС.

В противовес понятиям "подсистема" и "уровень", являющимися разделяющими, понятия "протокол" и "интерфейс" объединяющие, интегрируют работу отдельных подсистем разных ОС; позволяя им осуществить взаимосвязь на логическом и физическом уровнях.

Потребительские функции уровней ЭМ ВОС. Каждый уровень ЭМ ВОС выполняет свои задачи в общей стратегии работы всей системы. Любой уровень (кроме физического) пользуется выполненными функциями других уровней и решает свою задачу. Таким образом, потребительские функции специфичны для каждого уровня, они гарантируют потребителю исполнение одного из этапов сложного процесса взаимодействия его через сеть связи с аналогичной ОС и через нее – с удаленным пользователем. Потребительские функции ясны и понятны пользователю и от их сущности и произошли названия уровней.

Рассмотрим вкратце эти функции, определяя для каждого уровня их суть и называя услугу, выдаваемую данным уровнем надуровню.

Физический уровень – взаимодействие ОС с физической средой, формирование и контроль сигнала, синхронизация, организация физического канала на звене и контроль за его целостностью.

Услуга уровню У2 – наличие физического канала на звене сети, возможность передачи информационного сигнала по нему.

Канальный уровень – форматирование блока данных (фазирование), управление каналом на звене, контроль качества передачи на звене (исправление ошибок).

Услуга уровню У3 – наличие качественного канала передачи данных на звене, гарантия обеспечения требуемой точности передачи.

Сетевой уровень – выбор оптимального маршрута передачи сообщения, управление потоком информации, организация обходных маршрутов.

Услуга уровню У4 – предоставление возможности организации оптимального маршрута, обеспечение заданного качества обслуживания пользователей, возможность управления потоками и нагрузкой.

Транспортный уровень – контроль качества обмена информацией между ОС на выбранном маршруте, контроль за соблюдением параметров соединения (обязательств перед пользователем), контроль передачи «из конца в конец».

Услуга уровню У5 – гарантия надежной передачи данных по сети от одного пользователя к другому, возможность выбора параметров соединения (верность, время доставки, приоритет и др.).

Сеансовый уровень – организация сеансов связи (начало, конец), синхронизация диалога между прикладными процессами.

Услуга уровню У6 – выбор временного отрезка для организации обмена, контроль за началом и окончанием сеанса, Представительный уровень - определяет способ превращения информации, представленной в произвольном виде, в стандартный: первичное кодирование информации.

Услуга уровню У7 – возможность представления информации в произвольном виде.

Прикладной уровень – определяет способ взаимодействия с прикладным процессом, предоставление прикладному процессу набора служб сети.

Услуга пользователю (прикладному процессу) – возможность выбора той или иной службы сети и возможность пользоваться услугами системы связи.

ВВЕДЕНИЕ

Раздел 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Раздел 2. Уровень сетевого взаимодействия интерфейсов сети

Раздел 3. Стек протокола TCP/IP

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной проблемой, она включает много аспектов, начиная с согласования уровней электрических сигналов, формирования кадров, проверки контрольных сумм и кончая вопросами аутентификации приложений. Для ее решения используется универсальный прием - разбиение одной сложной задачи на несколько частных, более простых задач. Средства решения отдельных задач упорядочены в виде иерархии уровней. Для решения задачи некоторого уровня могут быть использованы средства непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы средств некоторого уровня могут быть переданы только средствам соседнего вышележащего уровня.

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

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

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

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

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

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

Раздел 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

В начале 80-х годов - ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU-T и некоторые другие - разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System interconnection, OSI), или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

В модели OSI (рис. 1) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств .

Рис. 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

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

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

) Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи кадров, помещая для выделения каждого кадра специальную последовательность бит в его начало и конец, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру.

В глобальных сетях, которые в отличие от локальных сетей редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов «точка-точка» (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР и LAP-B.

) Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer) 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.

Сети соединяются между Собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор- это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщения сетевого уровня, или, как их принято называть, пакеты (packets), от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня.

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.

) Транспортный уровень

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня (Transport layer) заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов услуг, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды услуг отличаются качеством: 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.

) Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке вместо того, чтобы начинать все 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

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

) Прикладной уровень

Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня. Приведем в качестве примеров протоколов прикладного уровня хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, 8MB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

кодирование коммуникационный протокол интерфейс

Раздел 2. Уровень сетевого взаимодействия интерфейсов сети

Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Именно этот уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Этот уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию - передачу данных через составную сеть.

Основным протоколом сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Так как протокол IP является дейтаграммным протоколом, он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Основной уровень

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу - обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами - решает основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части - сегменты, и передает их ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.

Прикладной уровень

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.

Уровень сетевых интерфейсов

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой организации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей, причем задача ставится так: сеть TCP/IP должна иметь средства включения в себя любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Для каждой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны собственные интерфейсные средства. К таким интерфейсным средствам относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных технологий. Например, документ RFC 1042 определяет способы инкапсуляции IP-пакетов в кадры технологий IEEE 802. Для этих целей должен использоваться заголовок LLC/SNAP, причем в поле Type заголовка SNAP должен быть указан код 0х0800. Только для протокола Ethernet в RFC 1042 сделано исключение - помимо заголовка LLC/SNAP разрешается использовать кадр Ethernet DIX, не имеющий заголовка LLC, зато имеющий поле Type. В сетях Ethernet предпочтительным является инкапсуляция IP-пакета в кадр Ethernet DIX.

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (спецификация RFC 1577, определяющая работу IP через сети АТМ, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов этой технологии) .

Раздел 3. Стек протокола TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей.

Стандарты TCP/IP опубликованы в серии документов, названных Request for Comment (RFC). Документы RFC описывают внутреннюю работу сети Internet. Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения. Стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC определяют стандарты.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.

Большой вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Широкое распространение ОС UNIX привело и к широкому распространению протокола IP и других протоколов стека. На этом же стеке работает всемирная информационная сеть Internet, чье подразделение Internet Engineering Task Force (IETF) вносит основной вклад в совершенствование стандартов стека, публикуемых в форме спецификаций RFC .

Итак, лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами:

·Это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю.

·Почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP.

·Это метод получения доступа к сети Internet.

·Этот стек служит основой для создания intranet- корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet.

·Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.

·Это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов.

·Это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке 2. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня .

Рис. 2. Стек TCP/IP

Самый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами - концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т.д. Действительно, в общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Бройдо В.Л. «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»: Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006 г.

Олифер В.Г., Олифер Н.А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы»: изд. 4-ое, Учебник для ВУЗов - Питер, 2010 г.

Таненбаум Э. «Компьютерные сети»: 4-е изд. - СПб.: Питер, 2003 г.

Разработана эта модель была в далеком 1984 году Международной организацией по стандартизации (International Standard Organization, ISO), и в оригинале называется Open Systems Interconnection, OSI.
Модель взаимодействия открытых систем (по факту - модель сетевого взаимодействия) является стандартом для проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению сетей.
Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия. Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу оборудования и программного обеспечения. Модель OSI разделяет сетевые функции на семь уровней: прикладной, уровень представления, сессионный, транспортный, сетевой, канальный и физический.

Физический уровень (Physical layer) - определяет способ физического соединения компьютеров в сети. Функциями средств, относящихся к данному уровню, являются побитовое преобразование цифровых данных в сигналы, передаваемые по физической среде (например, по кабелю), а также собственно передача сигналов.
Канальный уровень (Data Link layer) - отвечает за организацию передачи данных между абонентами через физический уровень, поэтому на данном уровне предусмотрены средства адресации, позволяющие однозначно идентифицировать отправителя и получателя во всем множестве абонентов, подключенных к обще линии связи. В функции данного уровня также входит упорядочивание передачи с целью параллельного использования одной линии связи несколькими парами абонентов. Кроме того, средства канального уровня обеспечивают проверку ошибок, которые могут возникать при передаче данных физическим уровнем.
Сетевой уровень (Network layer) - обеспечивает доставку данных между компьютерами сети, представляющей собой объединение различных физических сетей. Данный уровень предполагает наличие средств логической адресации, позволяющих однозначно идентифицировать компьютер в объединенной сети. Одной из главных функций, выполняемых средствами данного уровня, является целенаправленная передача данных конкретному получателю.
Транспортный уровень (Transport layer) - реализует передачу данных между двумя программами, функционирующими на разных компьютерах, обеспечивая при этом отсутствие потерь и дублирования информации, которые могут возникать в результате ошибок передачи нижних уровней. В случае, если данные, передаваемые через транспортный уровень, подвергаются фрагментации, то средства данного уровня гарантируют сборку фрагментов в правильном порядке.
Сессионный (или сеансовый) уровень (Session layer) - позволяет двум программам поддерживать продолжительное взаимодействие по сети, называемое сессией (session) или сеансом. Этот уровень управляет установлением сеанса, обменом информацией и завершением сеанса. Он также отвечает за идентификацию, позволяя тем самым только определенным абонентам принимать участие в сеансе, и обеспечивает работу служб безопасности с целью упорядочивания доступа к информации сессии.
Уровень представления (Presentation layer) - осуществляет промежуточное преобразование данных исходящего сообщения в общий формат, который предусмотрен средствами нижних уровней, а также обратное преобразование входящих данных из общего формата в формат, понятный получающей программе.
Прикладной уровень (Application layer) - предоставляет высокоуровневые функции сетевого взаимодействия, такие, как передача файлов, отправка сообщений по электронной почте и т.п.

Модель OSI простым языком

Модель OSI – это аббревиатура от английского Open System Interconnection, то есть модель взаимодействия открытых систем. Под открытыми системами можно понимать сетевое оборудование (компьютеры с сетевыми картами, коммутаторы, маршрутизаторы).
Сетевая модель OSI представляет собой схему работы (или план действий по обмену данными) для сетевых устройств. Также OSI играет роль в создании новых сетевых протоколов, так как служит эталоном взаимодействия.
OSI состоит из 7 блоков (уровней). Каждый блок выполняет свою уникальную роль в сетевом взаимодействии различных сетевых устройств.
7 уровней модели OSI: 1 - Физический, 2 - Канальный, 3 - Сетевой, 4 - Транспортный, 5 - Сеансовый, 6 - Представления, 7 - Приложений.
На каждом уровне модели есть собственный набор сетевых протоколов (стандартов передачи данных), с помощью которых устройства в сети обмениваются данными.
Запомните, чем сложнее сетевое устройство, тем больше возможностей оно предоставляет, но и больше уровней занимает, и как следствие – медленней работает.

Сетевые модели. Часть 1. OSI.

Определенно начинать лучше с теории, и затем, плавно, переходить к практике. Поэтому сначала рассмотрим сетевую модель (теоретическая модель), а затем приоткроем занавес на то, как теоретическая сетевая модель вписывается в сетевую инфраструктуру (на сетевое оборудование, компьютеры пользователей, кабели, радиоволны и т.д.).
Итак, сетевая модель - это модель взаимодействия сетевых протоколов. А протоколы в свою очередь, это стандарты, которые определяют каким образом, будут обмениваться данными различные программы.
Поясню на примере: открывая любую страничку в интернете, сервер (где находится открываемая страничка) пересылает в Ваш браузер данные (гипертекстовый документ) по протоколу HTTP. Благодаря протоколу HTTP Ваш браузер, получая данные с сервера, знает, как их требуется обработать, и успешно обрабатывает их, показывая Вам запрашиваемую страничку.
Если Вы еще не в курсе что из себя представляет страничка в интернете, то объясню в двух словах: любой текст на веб-страничке заключен в специальные теги, которые указывают браузеру какой размер текста использовать, его цвет, расположение на странице (слева, справа или по центру). Это касается не только текста, но и картинок, форм, активных элементов и вообще всего контента, т.е. того, что есть на страничке. Браузер, обнаруживая теги, действует согласно их предписанию, и показывает Вам обработанные данные, которые заключены в эти теги. Вы и сами можете увидеть теги этой странички (и этот текст между тегами), для этого зайдите в меню вашего браузера и выберите - просмотр исходного кода.
Не будем сильно отвлекаться, "Сетевая модель" нужная тема для тех, кто хочет стать специалистом. Эта статья состоит из 3х частей и для Вас, Я постарался написать не скучно, понятливо и коротко. Для получения подробностей, или получения дополнительного разъяснения отпишитесь в комментариях внизу страницы, и я непременно помогу Вам.
Мы, как и в Сетевой Академии Cisco рассмотрим две сетевые модели: модель OSI и модель TCP/IP (иногда её называют DOD), а заодно и сравним их.

Эталонная сетевая модель OSI

OSI расшифровывается как Open System Interconnection. На русском языке это звучит следующим образом: Сетевая модель взаимодействия открытых систем (эталонная модель). Эту модель можно смело назвать стандартом. Именно этой модели придерживаются производители сетевых устройств, когда разрабатывают новые продукты.
Сетевая модель OSI состоит из 7 уровней, причем принято начинать отсчёт с нижнего.
Перечислим их:
7. Прикладной уровень (application layer)
6. Представительский уровень или уровень представления (presentation layer)
5. Сеансовый уровень (session layer)
4. Транспортный уровень (transport layer)
3. Сетевой уровень (network layer)
2. Канальный уровень (data link layer)
1. Физический уровень (physical layer)

Как говорилось выше, сетевая модель – это модель взаимодействия сетевых протоколов (стандартов), вот на каждом уровне и присутствуют свои протоколы. Перечислять их скучный процесс (да и не к чему), поэтому лучше разберем все на примере, ведь усваиваемость материала на примерах гораздо выше;)

Прикладной уровень

Прикладной уровень или уровень приложений(application layer) – это самый верхний уровень модели. Он осуществляет связь пользовательских приложений с сетью. Эти приложения нам всем знакомы: просмотр веб-страниц (HTTP), передача и приём почты (SMTP, POP3), приём и получение файлов (FTP, TFTP), удаленный доступ (Telnet) и т.д.

Представительский уровень

Представительский уровень или уровень представления данных (presentation layer) – он преобразует данные в соответствующий формат. На примере понять проще: те картинки (все изображения) которые вы видите на экране, передаются при пересылке файла в виде маленьких порций единиц и ноликов (битов). Так вот, когда Вы отправляете своему другу фотографию по электронной почте, протокол Прикладного уровня SMTP отправляет фотографию на нижний уровень, т.е. на уровень Представления. Где Ваша фотка преобразуется в удобный вид данных для более низких уровней, например в биты (единицы и нолики).
Именно таким же образом, когда Ваш друг начнет получать Ваше фото, ему оно будет поступать в виде все тех же единиц и нулей, и именно уровень Представления преобразует биты в полноценное фото, например JPEG.
Вот так и работает этот уровень с протоколами (стандартами) изображений (JPEG, GIF, PNG, TIFF), кодировок (ASCII, EBDIC), музыки и видео (MPEG) и т.д.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень или уровень сессий(session layer) – как видно из названия, он организует сеанс связи между компьютерами. Хорошим примером будут служить аудио и видеоконференции, на этом уровне устанавливается, каким кодеком будет кодироваться сигнал, причем этот кодек должен присутствовать на обеих машинах. Еще примером может служить протокол SMPP (Short message peer-to-peer protocol), с помощью него отправляются хорошо известные нам СМСки и USSD запросы. И последний пример: PAP (Password Authentication Protocol) – это старенький протокол для отправки имени пользователя и пароля на сервер без шифрования.
Больше про сеансовый уровень ничего не скажу, иначе углубимся в скучные особенности протоколов. А если они (особенности) Вас интересуют, пишите письма мне или оставляйте сообщение в комментариях с просьбой раскрыть тему более подробно, и новая статья не заставит себя долго ждать;)

Транспортный уровень

Транспортный уровень (transport layer) – этот уровень обеспечивает надёжность передачи данных от отправителя к получателю. На самом деле всё очень просто, например вы общаетесь с помощью веб-камеры со своим другом или преподавателем. Нужна ли здесь надежная доставка каждого бита переданного изображения? Конечно нет, если потеряется несколько битов из потокового видео Вы даже этого не заметите, даже картинка не изменится (м.б. изменится цвет одного пикселя из 900000 пикселей, который промелькнет со скоростью 24 кадра в секунду).
А теперь приведем такой пример: Вам друг пересылает (например, через почту) в архиве важную информацию или программу. Вы скачиваете себе на компьютер этот архив. Вот здесь надёжность нужна 100%, т.к. если пару бит при закачке архива потеряются – Вы не сможете затем его разархивировать, т.е. извлечь необходимые данные. Или представьте себе отправку пароля на сервер, и в пути один бит потерялся – пароль уже потеряет свой вид и значение изменится.
Таким образом, когда мы смотрим видеоролики в интернете, иногда мы видим некоторые артефакты, задержки, шумы и т.п. А когда мы читаем текст с веб-страницы – потеря (или скжение) букв не допустима, и когда скачиваем программы – тоже все проходит без ошибок.
На этом уровне я выделю два протокола: UDP и TCP. UDP протокол (User Datagram Protocol) передает данные без установления соединения, не подтверждает доставку данных и не делает повторы. TCP протокол (Transmission Control Protocol), который перед передачей устанавливает соединение, подтверждает доставку данных, при необходимости делает повтор, гарантирует целостность и правильную последовательность загружаемых данных.
Следовательно, для музыки, видео, видеоконференций и звонков используем UDP (передаем данные без проверки и без задержек), а для текста, программ, паролей, архивов и т.п. – TCP (передача данных с подтверждением о получении, затрачивается больше времени).

Сетевой уровень

Сетевой уровень (network layer) – этот уровень определяет путь, по которому данные будут переданы. И, между прочим, это третий уровень Сетевой модели OSI, а ведь существуют такие устройства, которые как раз и называют устройствами третьего уровня – маршрутизаторы.
Все мы слышали об IP-адресе, вот это и осуществляет протокол IP (Internet Protocol). IP-адрес – это логический адрес в сети.
На этом уровне достаточно много протоколов и все эти протоколы мы разберем более подробно позже, в отдельных статьях и на примерах. Сейчас же только перечислю несколько популярных.
Как об IP-адресе все слышали и о команде ping – это работает протокол ICMP.
Те самые маршрутизаторы (с которыми мы и будет работать в дальнейшем) используют протоколы этого уровня для маршрутизации пакетов (RIP, EIGRP, OSPF).
Вся вторая часть курса CCNA (Exploration 2) о маршрутизации.

Канальный уровень

Канальный уровень (data link layer) – он нам нужен для взаимодействия сетей на физическом уровне. Наверное, все слышали о MAC-адресе, вот он является физическим адресом. Устройства канального уровня – коммутаторы, концентраторы и т.п.
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers - Институт инженеров по электротехнике и электронике) определяет канальный уровень двумя подуровнями: LLC и MAC.
LLC – управление логическим каналом (Logical Link Control), создан для взаимодействия с верхним уровнем.
MAC – управление доступом к передающей среде (Media Access Control), создан для взаимодействия с нижним уровнем.
Объясню на примере: в Вашем компьютере (ноутбуке, коммуникаторе) имеется сетевая карта (или какой-то другой адаптер), так вот для взаимодействия с ней (с картой) существует драйвер. Драйвер – это некоторая программа - верхний подуровень канального уровня, через которую как раз и можно связаться с нижними уровнями, а точнее с микропроцессором (железо) – нижний подуровень канального уровня.
Типичных представителей на этом уровне много. PPP (Point-to-Point) – это протокол для связи двух компьютеров напрямую. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – стандарт передаёт данные на расстояние до 200 километров. CDP (Cisco Discovery Protocol) – это проприетарный (собственный) протокол принадлежащий компании Cisco Systems, с помощью него можно обнаружить соседние устройства и получить информацию об этих устройствах.
Вся третья часть курса CCNA (Exploration 3) об устройствах второго уровня.

Физический уровень

Физический уровень (physical layer) – самый нижний уровень, непосредственно осуществляющий передачу потока данных. Протоколы нам всем хорошо известны: Bluetooth, IRDA (Инфракрасная связь), медные провода (витая пара, телефонная линия), Wi-Fi, и т.д.
Подробности и спецификации ждите в следующих статьях и в курсе CCNA. Вся первая часть курса CCNA (Exploration 1) посвящена модели OSI.

Заключение

Вот мы и разобрали сетевую модель OSI. В следующей части приступим к Сетевой модели TCP/IP, она меньше и протоколы те же. Для успешной сдачи тестов CCNA надо провести сравнение и выявить отличия, что и будет сделано.

После недолгих размышлений решил поместить сюда статью с сайта Сетевых заморочек . Чтобы всё лежало в одном месте.

И снова здравствуйте дорогие друзья, сегодня мы с вами разберемся в том, что же такое сетевая модель OSI, зачем она, собственно говоря, предназначена.

Как вы уже наверное понимаете, современные сети устроены очень и очень сложно, в них протекает множество различных процессов, выполняются сотни действий. Для того чтобы упростить процесс описания данного многообразия функций сети (а что еще более важно упростить процесс дальнейшей разработки данных функций) были предприняты попытке их структурирования. В результате структурирования все функции, выполняемые компьютерной сетью, разделяются на несколько уровней, каждый из которых отвечает только за определенный, узкоспециализированый круг задач. Здесь сетевую модель можно сравнить со структурой компании. Компания разделена на отделы. Каждый отдел выполняет свои функции, но во время работы контактирует с другими отделами.

Разделение функций с помощью сетевой модели

Сетевая модель OSI разработана таким образом, чтобы вышестоящие уровни сетевой модели использовали нижестоящие уровни сетевой модели, для передачи своей информации. Правила, с помощью которых общаются уровни модели, называются сетевыми протоколами. Сетевой протокол определенного уровня модели может общаться либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами соседних уровней. Здесь опять же можно провести аналогию с работой компании. В компании всегда есть четко установленная иерархия, хотя и не такая строгая как в сетевой модели. Работники одной ступени иерархии выполняют поручения, полученные от работников более высокого уровня иерархии.

Взаимодействие между уровнями сетевой модели OSI

Каждое устройство, работающее в сети, можно представить в виде системы работающей на соответствующих уровнях модели OSI. Причем данное устройство может использовать в своей работе, как все уровни модели OSI, так и только некоторые нижние ее уровни. Обычно когда говорят, что устройство работает на некотором уровне модели, то подразумевают, что оно работает на данном уровне сетевой модели и на всех лежащих ниже уровнях.

Работа не некоторых уровнях сетевой модели OSI

Когда два различных устройства сети общаются между собой, они используют протоколы одних и тех же уровней сетевой модели, при этом в процесс взаимодействия вовлекается как протоколы уровня на котором непосредственно происходит взаимодействие, так и необходимые протоколы всех нижележащих уровней, так как они используются для передачи данных, полученных от верхних уровней.

Общение двух систем с позиции модели OSI

При передачи информации от верхнего уровня сетевой модели к нижнему уровню сетевой модели, к данной полезной информации добавляется некоторая служебная информация, называемая заголовком (на 2 уровне добавляется не только заголовок, но еще и концевик). Данный процесс добавления служебной информации называется инкапсуляцией. При приеме (передачи информации от нижнего уровня к верхнему) происходит отделение данной служебной информации и получение исходных данных. Такой процесс называется деинкапсуляцией. По своей сути этот процесс очень похож на процесс отправки письма по почте. Представьте, что вы хотите отправить письмо своему другу. Вы пишите письмо – это полезная информация. Отправляя ее по почте, вы упаковываете ее в конверт, надписывая на нем адрес получателя, то есть добавляете к полезной информации некоторый заголовок. По сути это и есть инкапсуляция. Получая ваше письмо, ваш друг его деинкапсулирует – то есть разрывает конверт и достает из него полезную информацию – ваше письмо.

Демонстрация принципа инкапсуляции

Модель OSI подразделяет все функции, выполняемые при взаимодействии систем на 7 уровней: Физический(Physical) - 1, Канальный(Data link) -2, Сетевой(network) – 3, Транспортный(transport) – 4, Сеансовый(Session) -5, Представительский(Presentation) -6 и Прикладной (Application) - 7.

Уровни модели взаимодействия открытых систем

Кратенько рассмотрим назначение каждого из уровней модели взаимодействия открытых систем.

Прикладной уровень является точкой, через которую приложения общаются с сетью (точка входа в модель OSI). С помощью данного уровня модели OSI выполняется следующие задачи: управление сетью, управление занятостью системы, управление передачей файлов, идентификация пользователей по их паролям. Примерами протоколов данного уровня являются: HTTP, SMTP, RDP и д.р. Очень часто протоколы прикладного уровня выполняют одновременно функции протоколов представительского и сеансового уровней.

Данный уровень отвечает за формат представления данных. Грубо говоря, он преобразует данные полученные от уровня приложений к формату пригодному для передачи по сети (ну и соответственно выполняет обратную операцию преобразуя информацию, полученную из сети, к формату пригодному для обработки приложениями).

На данном уровне происходит установление, поддержание и управление сеансом связи между двумя системами. Именно данный уровень отвечает за поддержание связи между системами на весь промежуток времени в течение которого происходит их взаимодействие.

Протоколы данного уровня сетевой модели OSI отвечают за передачу данных от одной системы другой. На данном уровне большие блоки данных разделяются на более мелкие блоки, пригодные для обработки сетевым уровнем (очень мелкие блоки данных объединяются в более крупные), данные блоки соответствующим образом маркируются для их последующего восстановления на принимающей стороне. Так же при использовании соответствующих протоколов данный уровень способен обеспечить контроль доставки пакетов сетевого уровня. Блок данных, которым оперируют данный уровень обычно называется сегментом. Примерами протоколов данного уровня являются: TCP, UDP, SPX, ATP и д.р.

Данный уровень отвечает за маршрутизацию (определение оптимальных маршрутов от одной системы до другой) блоков данных данного уровня. Блок данных этого уровня обычно называется пакетом. Так же данный уровень отвечает за логическую адресацию систем (те самые IP адреса), на основе которой как раз и происходит маршрутизация. К протоколам данного уровня можно отнести: IP, IPX и др, к устройствам работающим на данном уровне – маршрутизаторы.

Данный уровень отвечает за физическую адресацию устройств сети (MAC адреса), управлением доступа к среде, а также коррекцией ошибок допущенных физическим уровнем. Блок данных, используемый на канальном уровне принято называть фреймом. К данному уровню относятся следующие устройства: коммутаторы (не все), мосты и д.р. Типичной технологией использующей данный уровень является Ethernet.

Осуществляет передачу оптических или электрических импульсов по выбранной среде передачи. К устройствам данного уровня можно отнести всевозможные повторители и концентраторы.

Модель OSI сама по себе не является практической реализацией, она лишь предполагает некоторый набор правил по взаимодействию компонентов системы. Практическим примером реализации стека сетевых протоколов является стек протоколов TCP/IP (а так же другие менее распространенные стеки протоколов).
Уважаемый читатель!
Публикация данного документа не преследует за собой никакой коммерческой выгоды. Но такие документы способствуют профессиональному и духовному росту читателей и являются рекламой бумажных изданий таких документов. Все авторские права сохраняются за правообладателем.
За содержание статьи ответственность несут ее авторы.

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection , OSI ), предложенная Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization , ISO ) . Модель ISO / OSI предполагает, что все сетевые приложения можно подразделить на семь уровней, для каждого из которых созданы свои стандартыи общие модели. В результате задача сетевого взаимодействия делиться на меньшие и более легкие задачи, обеспечивается совместимость между продуктами разных производителей и упрощается разработка приложений за счёт создания отдельных уровней и использования уже существующих реализаций.

Рисунок 1. Семиуровневая модель

Теоретически, каждый уровень должен взаимодействовать с аналогичным уровнем удаленного компьютера. На практике каждый из них, за исключением физического, взаимодействует с выше – и нижележащими уровнями – представляет услуги вышележащему и пользуется услугами нижележащего. В реальной ситуации на одном компьютере независимо друг от друга иногда выполняется несколько реализаций одного уровня. Например, компьютер может иметь несколько сетевых адаптеров стандарта Ethernet или адаптеры стандартов Ethernet и Token -Ring и.т.д.

Рассмотрим подробнее каждый из семи уровней и их применение.

Физический уровень

Физический уровень описывает физические свойства (например, электромеханические характеристики) среды и сигналов, переносящих информацию. Это физические характеристики кабелей и разъемов, уровни напряжений и электрического сопротивления и.т.д., в том числе, например, спецификация кабеля «неэкранированная витая пара» (unshielded twisted pair , UTP )

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает перенос данных по физической среде. Он поделен на два подуровня: управления логическим каналом (logical link control , LLC ) и управления доступом к среде (media access control , MAC ). Такое деление позволяет одному уровню LLC использовать различные реализации уровня MAC . Уровень MAC работает с применяемым в Ethernet и Token -Ring физическими адресами, которые «вшиты» в сетевые адаптеры их производителями. Следует различать физические и логические (например, IP ) адреса. С последним работает сетевой уровень.

Сетевой уровень

В отличии от канального уровня, имеющего дело с физическими адресами, сетевой уровень работает с логическими адресами. Он обеспечивает подключение и маршрутизацию между двумя узлами сети. Сетевой уровень предоставляет транспортному уровню услуги с установлением соединения (connection -oriented ), например Х.25, или без установления такового (connectionless ) например IP (internet protocol ). Одна из основных функций сетевого уровня – маршрутизация.

К протоколам сетевого уровня относиться IP и ICMP (Internet Control Massage Protocol ).

Транспортный уровень

Транспортный уровень предоставляет услуги, аналогично услугам сетевого уровня. Надежность гарантируют лишь некоторые (не все) реализации сетевых уровней, поэтому ее относят к числу функций, выполняемых транспортным уровнем. Транспортный уровень должен существовать хотя бы потому, что иногда все три нижних уровня (физический, канальный и сетевой) предоставляет оператор услуг связи. В этом случае, используя соответствующий протокол транспортного уровня, потребитель услуг может обеспечить требуемую надежность услуг. TCP (Transmission Control Protocol) – широко распространенный протокол транспортного уровня.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень обеспечивает установление и разрыв сеансов, и управление ими. Сеанс – это логическое соединение между двумя конечными пунктами. Наилучший пример этой модели – телефонный звонок. При наборе номера Вы устанавливаете логическое соединение, в результате на другом конце провода звонит телефон. Когда один из собеседников говорит «аллё», начинается передача данных. После того как один из абонентов вешает трубку, телефонная компания выполняет некоторые действия для разрыва соединения. Сеансовый уровень следит также за очередностью передачи данных. Эту функцию называют «управление диалогом» (dialog management ). Вот примеры протоколов сеансового, представительного и прикладного уровней – SMTP (Simple Mail Transfer Protocol ), FTP (File Transfer Protocol ) и Telnet .

Представительный уровень

Представительный уровень позволяет двум стекам протоколов «договариваться» о синтаксисе (представлении) передаваемых друг другу данных. Поскольку гарантий одинакового представления информации нет, то этот уровень при необходимости переводит данные из одного вида в другой.

Прикладной уровень

Прикладной уровень – высший в модели ISO / OSI . На этом уровне выполняться конкретные приложения, которые пользуются услугами представительного уровня (и косвенно – всех остальных). Это может быть обмен электронной почтой, пересылка файлов и любое другое сетевое приложение.

Таблица 1. модель ISO / OSI и некоторые протоколы соответствующих уровней.

ПРИКЛАДНОЙ УРОВЕНЬ	SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol)
ПРЕДСТАВИТЕЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ
СЕАНСОВЫ УРОВЕНЬ
ТРАНСПОРТНЫЙ УРОВЕНЬ