Эталонная сетевая модель OSI

Сетевая модель OSI и ее 7 уровней: обзор с примерами от Бородача

Всем привет, и с вами снова Бородач! У нас очередной курс «Для самых маленьких», и поговорим мы про модель OSI. Многие системные администраторы и юные IT инженеры что-то слышали про это, но боялись спросить. Сразу скажу, что любой специалист, программист, инженер или администратор, работающий с сетями и интернетом, должен на зубок знать всё то, о чем я расскажу ниже. Статья подойдет как для специалистов, так и для чайников.

OSI модель, или модель стека протоколов TCP/IP, или модель открытых систем, или модель сетевого взаимодействия – это ядро, на котором управляется и взаимодействует любая современная сеть и подключенные к ней устройства. Поэтому её желательно знать всем тем, кто работает в «сетевой» индустрии. Без данных знаний даже в том же программировании будет достаточно тяжело.

Модели OSI позволяют взаимодействовать устройствам в компьютерной сети по определенным правилам и протоколам. Если раскрыть расшифровку аббревиатуры термина, то получится английская надпись: «Open Systems Interconnection Basic Reference Model», – что дословно можно перевести как: «Эталонная Модель Взаимодействия Открытых Систем». В модели существует 7 уровней, которые используются для передачи информации от одного устройства к другому.

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 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.

2 уровень – канальный (L2)

К сети кроме отправителя и получателя практически всегда подключены другие устройства. Второй уровень отвечает за процедуру адресации, т. е. передачу информации нужному пользователю. При поступлении на L2 биты конвертируются в кадры. В результате процедуры преобразования получаются фреймы с адресом отправителя и получателя. Готовые кадры отправляются далее.

MAC и LLC – два подуровня L2. На MAC-подуровне происходит присвоение MAC-адресов пользовательским устройствам. LLC проверяет правильность передаваемой информации и автоматически если исправляет при наличии нарушений. На этом уровне работают мосты, коммутаторы и другая аппаратура.

На рынке до сих пор встречаются коммутаторы второго уровня. Они работают с MAC-адресами и не способны обрабатывать IP-адреса. Для обеспечения маршрутизации внутри виртуальных локальных сетей потребуется коммутатор третьего уровня. Их также называют многослойными. Кроме работы с MAC такие устройства могут распознавать IP-адреса и проводить тегирование ЛВС.

Сетевой уровень (Network)

Над канальным уровнем находится следующий – сетевой. На этой ступени вводятся понятия «маршрутизация» и «IP-адрес». Для трансформации MAC-адресов в IP применяется протокол ARP.

Здесь осуществляется маршрутизация трафика. Когда пользователь, к примеру, желает перейти на сайт и вводит его адрес, отправляется DNS-запрос. Ответом на него будет IP-адрес, который подставляется в пакет. Пакет данных – это новый термин, который появляется на 3-м сетевом уровне.

Устройствами здесь являются роутер или маршрутизатор.

Сетевой уровень

Сетевой уровень отвечает за передачу данных между различными сетями и определяет кратчайшие маршруты для передачи данных. Обеспечивает отслеживание неполадок и «заторов» в сети. На сетевом уровне единицей пересылаемых данных является пакет. Пакет состоит из заголовка и поля данных. Протоколы сетевого уровня обеспечивают маршрутизацию данных от источника к получателю по IP адресу (IPv4/IPv6). Стоит отметить, что многим знакомая утилита “ping” работает как раз на сетевом уровне.

На этом уровне обитают протоколы ICMP, OSPF, RIP, OSPF и так далее. Устройства работающие на этом уровне, а именно маршрутизаторы, так и называют – устройствами третьего уровня.

Функции транспортного уровня модели osi

• обеспечивает приложениям (или прикладному и сеансовому уровням) передачу данных с требуемой степенью надежности, компенсирует недостатки надёжности более низких уровней;
• мультиплексирование и демультиплексирование т.е. сбора и разборка пакетов;
• протоколы предназначены для взаимодействия типа «точка—точка»;
• начиная с данного уровня, протоколы реализуются программными средствами конечных узлов сети — компонентами их сетевых ОС;
• примеры: протоколы TCP , UDP .

Описание уровней модели OSI [ править ]

Уровень	Функции	PDU	Примеры
7. Прикладной	Некоторое высокоуровневое API	Данные	HTTP, FTP
6. Представительский	Представление данных между сетевым сервисом и приложением	Данные	ASCII, EBCDIC, JPEG
5. Сеансовый	Управление сеансами: продолжительный обмен информацией в виде множества передач между нодами	Данные	RPC, PAP
4. Транспортный	Надёжная передача сегментов между двумя нодами в сети	Сегменты/Датаграммы	TCP, UDP
3. Сетевой	Структуризация и управление множеством нод в сети	Пакеты	IPv4, IPv6
2. Канальный	Надёжная передача датафреймов между двумя нодами соединённых физическим уровнем	Фреймы	PPP, IEEE 802.2, Ethernet
1. Физический	Передача и приём потока байтов через физическое устройство	Биты	USB, витая пара

Прикладной уровень (Application layer) [ править ]

Самый верхний уровень модели, предоставляет набор интерфейсов для взаимодействия пользовательских процессов с сетью. Единицу информации, которой оперируют три верхних уровня модели OSI, принято называть сообщение (англ. message).

Прикладной уровень выполняет следующие функции:

• Позволяет приложениям использовать сетевые службы (например удалённый доступ к файлам)
• Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям
• Предоставление приложениям информации об ошибках
• Определение достаточности имеющихся ресурсов
• Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов

К числу наиболее распространенных протоколов верхних трех уровней относятся:

• FTP (File Transfer Protocol) протокол передачи файлов
• HTTP (HyperText Transfer Protocol)
• TELNET
• RDP (Remote Desktop Protocol)

Уровень представления (Presentation layer) [ править ]

Уровень представления занимается представлением данных, передаваемых прикладными процессами в нужной форме. Данные, полученные от приложений с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат подходящий для передачи их по сети, а полученные по сети данные преобразуются в формат приложений. Также кроме форматов и представления данных, данный уровень занимается конвертацией структур данных, используемых различными приложениями. Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от доступа несанкционированными получателями.

Как и прикладной уровень, уровень представления оперирует напрямую сообщениями. Уровень представления выполняет следующие основные функции:

• Генерация запросов на установление/завершение сеансов взаимодействия прикладных процессов
• Согласование представления данных между прикладными процессами
• Конвертация форм представления данных
• Шифрование данных

Примеры протоколов данного уровня:

• AFP — Apple Filing Protocol
• ICA — Independent Computing Architecture
• LPP — Lightweight Presentation Protocol
• NCP — NetWare Core Protocol

Сеансовый уровень (Session layer) [ править ]

Сеансовый уровень контролирует структуру проведения сеансов связи между пользователями. Он занимается установкой, поддержанием и прерыванием сеансов, фиксирует, какая из сторон является активной в данный момент, осуществляет синхронизацию обмена информацией между пользователями, что также позволяет устанавливать контрольные точки.

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

• полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди)
• дуплексной (процессы будут передавать данные, и принимать их одновременно)

Как 2 уровня над ним, сеансовый уровень использует сообщения в качестве PDU.

• Установление и завершение на сеансовом уровне соединения между взаимодействующими приложениями
• Синхронизация сеансовых соединений
• Установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки
• Прекращение сеанса без потери данных
• Передача особых сообщений о ходе проведения сеанса

Примеры протоколов сеансового уровня:

• ADSP (AppleTalk Data Stream)
• ASP (AppleTalk Session)
• RPC (Remote Procedure Call)
• PAP (Password Authentication Protocol)

Транспортный уровень (Transport layer) [ править ]

Транспортный уровень предназначен для передачи надежной последовательностей данных произвольной длины через коммуникационную сеть от отправителя к получателю. Уровень надежности может варьироваться в зависимости от класса протокола транспортного уровня. Так например UDP гарантирует только целостность данных в рамках одной датаграммы и не исключает возможности потери/дублирования пакета или нарушения порядка получения данных; TCP обеспечивает передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

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. В функции транспортного уровня входят:

• Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных
• Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация
• Восстановление передачи после отказов и неисправностей
• Разбиение данных на блоки определенного размера
• Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная)
• Подтверждение передачи.

Транспортный уровень использует сегменты или датаграммы в качестве основного типа данных.

• TCP (Transmission Control Protocol)
• UDP (User Datagram Protocol)
• SCTP (Stream Control Transmission Protocol)

Сетевой уровень (Network layer) [ править ]

Сетевой уровень предоставляет функционал для определения пути передачи пакетов данных между клиентами, подключенными к одной коммуникационной сети. На данном уровне решается проблема маршрутизации (выбора оптимального пути передачи данных), трансляцией логических адресов в физические, отслеживанием неполадок в сети.

В рамках сетевого надежность доставки сообщений не гарантируется; сетевой уровень может реализовывать соответствующий функционал, но не обязан это делать. Роль PDU исполняют пакеты (англ. packet).

Сетевой уровень выполняет функции:

• Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть
• Упорядочение последовательностей пакетов
• Маршрутизация и коммутация
• Сегментирование и объединение пакетов

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

• IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol) сетевой протокол стека TCP/IP
• IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена)
• AppleTalk

Канальный уровень (Data link layer) [ править ]

Канальный уровень предназначен для передачи данных между двумя узлами, находящихся в одной локальной сети. Роль PDU исполняют фреймы (англ. frame). Фреймы канального уровня не пересекают границ локальной сети, что позволяет данному уровню сосредоточиться на локальной доставке (фактически межсетевой доставкой занимаются более высокие уровни).

Заголовок фрейма формируется из аппаратных адресов отправителя и получателя, что позволяет однозначно определить устройство, которое отправило данный фрейм и устройство, которому он предназначен. При этом никакая часть адреса не может быть использована, чтобы определить некую логическую/физическую группу к которой принадлежит устройство.

Канальный уровень состоит из двух подуровней: LLC и MAC.

Канальный уровень выполняет функции:

• LLC Multiplexing: Интерфейс между сетевым уровнем и MAC, чтобы несколько различных протоколов сетевого уровня могли сосуществовать.
• LLC Flow control: Механизм ограничении скорости передачи данных при медленном приёмнике
• LLC Error control: Определение (и иногда исправление) ошибок с помощью чексумм
• MAC Adressing mechanism: Адрессация на основе уникальных MAC-адресов
• MAC Channel access control mechanism: Предоставляет протокол множественного доступа

Наиболее часто на канальной уровне используются протоколы:

• PPP (Point-To-Point Protocol, протокол прямого соединения между двумя узлами)
• SLIP (Serial Line Internet Protocol, предшественник PPP, который всё ещё используется в микроконтроллерах)
• Ethernet II framing

Физический уровень (Physical layer) [ править ]

Физический уровень описывает способы передачи потока бит через дата линк, соединяющий сетевые устройства. Поток байт может быть сгруппирован в слова и сконвертирован в физический сигнал, который посылается через некоторое устройство.

Здесь специфицируются такие низкоуровневые параметры как частота, амплитуда и модуляция.

Физический уровень выполняет функции:

• Побитовая доставка
• Физическое кодирование (способ представления данных в виде импульсов)
• LLC Error control: Определение (и иногда исправление) ошибок с помощью чексумм
• MAC Adressing mechanism: Адрессация на основе уникальных MAC-адресов
• MAC Channel access control mechanism: Предоставляет протокол множественного доступа

Наиболее часто на физическом уровне используются протоколы:

• Ethernet physical layer (семейство стандартов с оптическими или электрическими свойствами соединений между устройствами)
• USB

Вывод, роль модели OSI при построении сетей

В статье мы рассмотрели принципы построения сетевой модели OSI. На каждом из семи уровней модели выполняется своя задача. В действительности архитектура OSI сложнее, чем мы описали. Существуют и другие уровни, например, сервисный, который встречается в интеллектуальных или сотовых сетях, или восьмой — так называют самого пользователя.

Как мы упоминали выше, оригинальное описание всех принципов построения сетей в рамках этой модели, если его распечатать, будет иметь толщину в один метр. Но компании активно используют OSI как эталон. Мы перечислили только основную структуру словами, понятными начинающим.

Модель OSI служит инструментом при диагностике сетей. Если в сети что-то не работает, то гораздо проще определить уровень, на котором произошла неполадка, чем пытаться перестроить всю сеть заново.

Зная архитектуру сети, гораздо проще ее строить и диагностировать. Как нельзя построить дом, не зная его архитектуры, так невозможно построить сеть, не зная модели OSI. При проектировании важно учитывать все. Важно учесть взаимодействие каждого уровня с другими, насколько обеспечивается безопасность, шифрование данных внутри сети, какой прирост пользователей выдержит сеть без обрушения, будет ли возможно перенести сеть на другую машину и т.д. Каждый из перечисленных критериев укладывается в функции одного из семи уровней.