Сетевые модели. OSI.
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.
Уровни эталонной модели
Уровни эталонной модели OSI представляют из себя вертикальную структуру, где все сетевые функции разделены между семью уровнями. Следует особо отметить, что каждому такому уровню соответствует строго описанные операции, оборудование и протоколы.
Взаимодействие между уровнями организовано следующим образом:
- по вертикали — внутри отдельно взятой ЭВМ и только с соседними уровнями.
- по горизонтали — организовано логическое взаимодействие — с таким же уровнем другого компьютера на другом конце канала связи (то есть сетевой уровень на одном компьютере взаимодействует с сетевым уровнем на другом компьютере).
Так как семиуровневая модель osi состоит из строгой соподчиненной структуры, то любой более высокий уровень использует функции нижележащего уровня, причем распознает в каком именно виде и каким способом (т.е. через какой интерфейс) нужно передавать ему поток данных.
Рассмотрим, как организуется передача сообщений по вычислительной сети в соответствии с моделью OSI. Прикладной уровень — это уровень приложений, то есть данный уровень отображается у пользователя в виде используемой операционной системы и программ, с помощью которой выполняется отправка данных. В самом начале именно прикладной уровень формирует сообщение, далее оно передается представительному уровню, то есть спускается вниз по модели OSI. Представительный уровень, в свою очередь, проводит анализ заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия, и добавляет в начало сообщения свою служебную информацию, в виде заголовка представительного уровня, для представительного уровня узла назначения. Далее движение сообщения продолжается вниз, спускается к сеансовому уровню, и он, в свою очередь, также добавляет свои служебные данные, в виде заголовка вначале сообщения и процесс продолжается, пока не достигнет физического уровня.
Следует отметить, что помимо добавления служебной информации в виде заголовка вначале сообщения, уровни могут добавлять служебную информацию и в конце сообщения, который называется «трейлер».
Когда сообщение достигло физического уровня, сообщение уже полностью сформировано для передачи по каналу связи к узлу назначения, то есть содержит в себе всю служебную информацию добавленную на уровнях модели OSI.
Помимо термина «данные» (data), которое используется в модели OSI на прикладном, представительном и сеансовом уровнях, используются и другие термины на других уровнях модели OSI, чтобы можно было сразу определить на каком уровне модели OSI выполняется обработка.
В стандартах ISO для обозначения той или иной порции данных, с которыми работают протоколы разных уровней модели OSI, используется общее название — протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определенных уровней часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), сегмент (segment).
Физический уровень
Физический уровень модели OSI предназначен для передачи битов по каналу связи соединяющему сетевые устройства. Бит – единица измерения информации, принимает два значения – 1 или 0. Этот уровень не анализирует информацию, которая передается, его основная задача состоит в том, что бы представить биты информации в виде сигналов. Эта информация может передаваться в виде электрического сигнала (Витая пара), радиоволн (Wi-Fi, Bluetooth) либо в качестве света (Оптического сигнала).
Сетевые устройства которые можно отнести к первому уровню – Hub и Repeater:
Сетевой уровень
На этом уровне происходит деление пользователей сети на группы. Здесь реализуется маршрутизация пакетов на основе MAC-адресов. Сетевой уровень реализует прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень. На этом уровне стираются границы сетей разных технологий. Маршрутизаторы работают на этом уровне. Пример работы сетевого уровня показан на рис.2 Самые частые протоколы:
Рисунок — 2
Уровни OSI
Ниже два варианта описания уровней модели OSI. Не забывайте, что эта модель — теоретическая, и многие протоколы могут работать на нескольких уровнях модели. Существует множество не стыковок и противоречий, не советую лезть в дебри и пытаться докопаться до истины. Для практического изучения выбирайте модель TCP
1) Физический уровень (Physical Layer): определяет метод передачи данных, какая среда используется (передача электрических сигналов, световых импульсов или радиоэфир), уровень напряжения, метод кодирования двоичных сигналов. На физическом уровне принимаются не биты (как указано во многих источниках), а последовательность электрических сигналов, преобразующихся в биты на следующем уровне модели OSI и конвертируются в понятную последовательность для канального уровня. Физический уровень — это среда передачи импульсов. Один импульс — после преобразования — один бит, логическая 1 (ДА), отсутствие импульса — логический 0 (НЕТ). xDSL — этот уровень
2) Канальный уровень (Data Link Layer): он берет на себя задачу адресации в пределах локальной сети, обнаруживает ошибки, проверяет целостность данных. Если слышали про MAC-адреса и протокол «Ethernet», то они располагаются на этом уровне. Говоря «Линк» поднялся, подразумевают именно этот уровень. На это уровне «Интернета» в бытовом понимании ещё нет, это сеть — Intranet (Интранет).
3) Сетевой уровень (Network Layer): этот уровень берет на себя объединения участков сети и выбор оптимального пути (т.е. маршрутизация). Каждое сетевое устройство должно иметь уникальный сетевой адрес в сети. Думаю, многие слышали про протоколы IPv4 и IPv6. Эти протоколы работают на данном уровне. На этом уровне принимается решение каким путём побегут ваши данные по всемирной паутине, например, в США — через Японию или Европу. На этом уровне NAT работает с IP адресами.
4) Транспортный уровень (Transport Layer): Этот уровень берет на себя функцию транспорта. К примеру, когда вы скачиваете файл с Интернета, файл в виде сегментов отправляется на Ваш компьютер. Также здесь вводятся понятия портов, которые нужны для указания назначения к конкретной службе. На этом уровне работают протоколы TCP (с установлением соединения) и UDP (без установления соединения). На этом уровне NAT работает с сессиями.
5) Сеансовый уровень (Session Layer): Роль этого уровня в установлении, управлении и разрыве соединения между двумя хостами. К примеру, когда открываете страницу на веб-сервере, то Вы не единственный посетитель на нем. И вот для того, чтобы поддерживать сеансы со всеми пользователями, нужен сеансовый уровень.
6) Уровень представления (Presentation Layer): Он структурирует информацию в читабельный вид для прикладного уровня. Например, многие компьютеры используют таблицу кодировки ASCII для вывода текстовой информации или формат jpeg для вывода графического изображения.Шифрование и обратная расшифровка так же находится на этом уровне.
7) Прикладной уровень (Application Layer): Наверное, это самый понятный для всех уровень. Как раз на этом уроне работают привычные для нас приложения — e-mail, браузеры по протоколу HTTP, FTP и остальное.
1) Физический уровень (Physical Layer). (bit –кусочек, частичка с англ.) импульсы, частички которые передаются в физической среде. Являет собой среду передачи данных – wifi (радиоимпульсы), электричество в сетевых проводах UTP, оптоволокно (световой импульс) и т.п.
Протоколы: Wi-Fi, GSM, Bluetooth .
2) Канальный уровень (Data Link Layer): Импульсы, с провода, или радиоэфира попадают в разъем (канал) оборудования. Там они преобразуются в кадры. Проверяется их целостность, возможна отправка дальше. Отправка идет по MAC – адресу . Оборудование, способное выполнять такие простейшие операции – коммутаторы, мосты, свитчи
Протоколы: Ethernet, ARCnet, ATM …
3) Сетевой уровень (Network Layer): Кадры «могут гулять» на небольшие расстояния. От одного интерфейса (mac — адреса) к другому. Для того, чтобы информация дошла до конкретного места, она упаковывается в пакеты и будет гулять по сети, пройдя, возможно, десятки компьютеров, но доберётся до нужного места. Передача идет уже не по mac-адресу а по ip адресу . Оборудование, которое может выполнять эти функции — роутеры, маршрутизаторы .
Протоколы: IP/IPv4/IPv6, IPsec …
4) Транспортный уровень (Transport Layer): Качаем мы фильм, который разбит на миллион пакетов, все скачались, а один заблудился, и все вместе теперь не склеить. Чтобы этого не произошло на этом уровне пакеты объединяться в сегменты и так транспортируются, если какой-то теряется, идет запрос на повтор потерянного. Если пришло 2 одинаковых, — ненужные удаляться. Так работает протокол TCP. UDP работает быстрее, но допускает потерю сегментов (пакетов).
Протоколы: TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol), SST …
5) Сеансовый уровень (Session Layer): Нам нужны не сегменты, а данные, а поступать они будут, только если начать сеанс с сервером. Выбирая «скачать фильм» с интернета, мы открываем сеанс связи с сервером и закроется он автоматически после закачки. На этом уровне определяется синхронизация, права, обмен.
Протоколы: ADSP, ASP …
6) Уровень представления (Presentation Layer): Итак, у нас уже есть данные, непонятный файл, который ничего не делает, нам нужно как-то презентовать его. Возможно, сжать, или распаковать, найти кодировку для открытия, или возможно шифр, для передачи по сети. Все это происходит на этом уровне.
Протоколы: ASCII, EBCDIC, JPEG, XML, SMB
7) Прикладной уровень (Application Layer): Собственно тот уровень, на котором мы и работаем. Нам в принципе и данные не нужны, нам нужно, чтобы работала наша программа, приложение. Это самый верхний уровень, на котором приложение, которое находиться на нашем компьютере будет обращаться в сеть, за необходимыми данными.
Уровни Модели OSI
Рассмотрим каждый уровень Модели OSI подробнее.
1 уровень. Физический (physical). Единицей нагрузки (PDU) здесь является бит. Кроме единиц и нулей физический уровень не знает ничего. На этом уровне работают провода, патч панели, сетевые концентраторы (хабы, которые сейчас уже сложно найти в привычных нам сетях), сетевые адаптеры. Именно сетевые адаптеры и ничего более из компьютера. Сам сетевой адаптер принимает последовательность бит и передает её дальше.
2 уровень. Канальный (data link). PDU — кадр (frame). На этом уровне появляется адресация. Адресом является MAC адрес. Канальный уровень ответственен за доставку кадров адресату и их целостность. В привычных нам сетях на канальном уровне работает протокол ARP. Адресация второго уровня работает только в пределах одного сетевого сегмента и ничего не знает о маршрутизации — этим занимается вышестоящий уровень. Соответственно, устройства, работающие на L2 — коммутаторы, мосты и драйвер сетевого адаптера.
3 уровень. Сетевой (network). PDU пакет (packet). Наиболее распространенным протоколом (дальше не буду говорить про “наиболее распространенный” — статья для новичков и с экзотикой они, как правило, не сталкиваются) тут является IP. Адресация происходит по IP-адресам, которые состоят из 32 битов. Протокол маршрутизируемый, то есть пакет способен попасть в любую часть сети через какое-то количество маршрутизаторов. На L3 работают маршрутизаторы.
4 уровень. Транспортный (transport). PDU сегмент (segment)/датаграмма (datagram). На этом уровне появляются понятия портов. Тут трудятся TCP и UDP. Протоколы этого уровня отвечают за прямую связь между приложениями и за надежность доставки информации. Например, TCP умеет запрашивать повтор передачи данных в случае, если данные приняты неверно или не все. Так же TCP может менять скорость передачи данных, если сторона приема не успевает принять всё (TCP Window Size).
Следующие уровни “правильно” реализованы лишь в RFC. На практике же, протоколы описанные на следующих уровнях работают одновременно на нескольких уровнях модели OSI, поэтому нет четкого разделения на сеансовый и представительский уровни. В связи с этим в настоящее время основным используемым стеком является TCP/IP, о котором поговорим чуть ниже.
5 уровень. Сеансовый (session). PDU данные (data). Управляет сеансом связи, обменом информации, правами. Протоколы — L2TP, PPTP.
6 уровень. Представительский (presentation). PDU данные (data). Преставление и шифрование данных. JPEG, ASCII, MPEG.
7 уровень. Прикладной (application). PDU данные (data). Самый многочисленный и разнообразный уровень. На нем выполняются все высокоуровненвые протоколы. Такие как POP, SMTP, RDP, HTTP и т.д. Протоколы здесь не должны задумываться о маршрутизации или гарантии доставки информации — этим занимаются нижестоящие уровни. На 7 уровне необходима лишь реализации конкретных действий, например получение html-кода или email-сообщения конкретному адресату.
Что такое эталонная модель OSI?
Если вы так или иначе связаны с сетью Интернет или сферой телекоммуникаций, то наверняка вы неоднократно слышали фразу эталонная модель или модель OSI. Давайте разберемся с тем, что такое модель сетевого взаимодействия OSI простыми словами буквально на пальцах, так как понимание сути гораздо важнее умных и сложных терминов. Если вы разберётесь с тем, «как работает модель сетевого взаимодействия OSI», то вы поймете общие принципы работы любой компьютерной сети, включая и сеть Интернет.
Модель OSI не случайно называют моделью сетевого взаимодействия, а также ее не случайно называют эталонной моделью. Модель OSI описывает то как должны взаимодействовать машины в компьютерной сети. Если говорить в рамках определения, то OSI – это базовая или эталонная модель взаимодействия открытых систем. Как мы знаем, любое взаимодействие происходит по протоколу или определённому набору правил взаимодействия, например, взаимодействие между браузером и веб-сервером (например, сервером Apache) происходит по протоколу HTTP.
Браузер посылает специальные HTTP сообщения, которые имеют свою особую структуру и формат и получили название такие сообщения – HTTP запрос. HTTP сервер принимает эти сообщения, анализирует их и понимает, что хотел браузер по специальным HTTP методам, которые есть в запросе. Проанализировав сообщение от браузера, сервер посылает свое собственное сообщение браузеру, которое получили название HTTP ответ. Ответы сервера содержат коды состояния, по которым браузер видит, как сервер понял его запрос.
Стоит заметить, что в основе взаимодействия по протоколу HTTP лежит модель взаимодействия клиент-сервер (впрочем, как и в основе многих других протоколов). Которая нужна, чтобы разделить зону ответственности и производственные ресурсы между клиентскими программа и компьютерами и серверами и серверными приложениями. Обратите внимание: модель клиент-сервер не делит машины на строго клиентские или строго серверные, она лишь распределяет функции: клиент – это заказчик услуг, а сервер – это поставщик услуг. Однако серверные приложения и клиентские приложения могут работать вместе на одной машине (читайте про локальный веб-сервер AMPPS и сборку Денвер).
Мы немного отвлеклись, но заметим, что протокол HTTP находится на самом высоком – седьмом уровне модели OSI. Про уровни модели OSI и их назначение мы поговорим немного ниже. Сейчас нам нужно понять, что сетевая модель взаимодействия OSI – это довольно абстрактная вещь, которая описывает то, как должны взаимодействовать машины друг с другом в компьютерной сети.
Модель TCP/IP
Модель TCP/IP также является многоуровневой сетевой моделью, но это четырехуровневая модель. Модель TCP/IP описывает процесс передачи цифровых данных. Он широко известен как TCP/IP, поскольку основными протоколами являются TCP и IP, но в этой модели используются не только эти два протокола. Если вы знакомы с моделью OSI, то вам будет проще понять построение модели TCP/IP, потому что обе модели имеют деление на уровни, внутри которых действуют определенные протоколы и выполняются собственные функции. Мы разделили статью на смысловые части, чтобы было проще понять, как устроена модель TCP/IP.
Канальный уровень
Канальный уровень (Link layer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, и определит, как информация будет передаваться от одного устройства к другому. Информация здесь кодируется, делится на пакеты и отправляется по нужному каналу, т.е. среде передачи.
Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня — LLC и MAC. Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).
Сетевой уровень
Сетевой уровень отвечает за объединение локальных сетей в глобальную. И сетевой уровень также отвечает за адресацию хостов, упаковку и функции маршрутизации. Основными протоколами сетевого уровня являются IP, протокол разрешения адресов (ARP), протокол управляющих сообщений Интернета (ICMP) и протокол управления группами Интернета (IGMP). IP — это маршрутизируемый протокол, отвечающий за IP-адресацию, маршрутизацию и фрагментацию и повторную сборку пакетов. ARP отвечает за обнаружение адреса уровня сетевого доступа, такого как адрес аппаратных средств, связанный с данным доступом к Интернет-уровню. ICMP отвечает за предоставление диагностических функций и отчетов об ошибках из-за неудачной доставки IP-пакетов. IGMP отвечает за управление многоадресными группами IP. На этом уровне IP добавляет заголовок к пакетам, который известен как IP-адрес. Сейчас есть IPv4 (32-битный) адрес и IPv6 (128-битный) адрес.
Рисунок 2: примеры адресов IPv4 и адресов IPv6
Транспортный уровень
Транспортный уровень, также известный как транспортный уровень хост-хост, отвечает за предоставление прикладного уровня сервисами связи сеанса и датаграмм. Основными протоколами этого уровня являются TCP и UDP.
Протокол TCP обеспечивает один-на-один, ориентированную на соединение, надежную службу связи. Он отвечает за последовательность и подтверждение отправленных пакетов, а также восстановление пакетов, потерянных при передаче.
Протокол UDP предоставляет один-к-одному или один-ко-многим, без подключения, ненадежную службу связи. UDP не гарантирует, что всех датаграммы дойдут до получателя. UDP обычно не используется, если требуется надежная передача информации, а используется, когда объем передаваемых данных невелик (например, данные помещаются в один пакет).
Прикладной уровень
На прикладном уровне (Application layer) работает большинство сетевых приложений. Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.
Уровни сетевой модели OSI и их функции
Для передачи пакетов данных по сети от отправителя получателю каждый уровень модели OSI должен выполнить свой набор функций. Ниже описаны эти функции.
Уровень 7: уровень приложений
Уровень приложений (application layer) является ближайшим к пользователю и предоставляет службы его приложениям. От других уровней он отличается тем, что не предоставляет служб другим уровням; вместо этого он предоставляет службы только приложениям, которые находятся вне рамок эталонной модели OSI. Примерами таких приложений могут служить электронные таблицы (например, программа Excel) или текстовые процессоры (например, программа Word). Уровень приложений определяет доступность партнеров по сеансу связи друг для друга, а также синхронизирует связь и устанавливает соглашение о процедурах восстановления данных в случае ошибок и процедурах контроля целостности данных. Примерами приложений седьмого уровня могут служить протоколы Telnet и HTTP.
Уровень 6: уровень представления данных
Задача уровня представления данных (presentation layer) состоит в том, чтобы информация уровня приложений, которую посылает одна система (отправитель), могла быть прочитана уровнем приложений другой системы (получателя). При необходимости уровень представления преобразует данные в один из многочисленных существующих форматов, который поддерживается обеими системами. Другой важной задачей этого уровня является шифрование и расшифровка данных. Типовыми графическими стандартами шестого уровня являются стандарты PICT, TIFF и JPEG. Примерами стандартов шестого уровня эталонной модели, описывающих формат представления звука и видео, являются стандарты MIDI и MPEG.
Уровень 5: сеансовый уровень
Как показывает само название этого уровня, сеансовый уровень (session layer) устанавливает сеанс связи между двумя рабочими станциями, управляет им и разрывает его. Сеансовый уровень предоставляет свои службы уровню представления данных. Он также синхронизирует диалог между уровнями представления двух систем и управляет обменом данными. Кроме своей основной постоянной функции — управления, уровень сеанса связи обеспечивает эффективную передачу данных, требуемый класс обслуживания и рассылку экстренных сообщений о наличии проблем на сеансовом уровне, уровне представления данных или уровне приложений. Примерами протоколов пятого уровня могут служить сетевая файловая система (Network File System — NFS), система X-Window и протокол сеанса AppleTalk (AppleTalk Session Protocol — ASP).
Уровень 4: транспортный уровень
Транспортный уровень (transport layer) сегментирует данные передающей станции и вновь собирает их в одно целое на принимающей стороне. Границу между транспортным уровнем и уровнем сеанса связи можно рассматривать как границу между протоколами приложений и протоколами передачи данных. В то время как уровни приложений, представления данных и сеанса связи занимаются аспектами коммуникаций, которые связаны с работой приложений, нижние четыре уровня решают вопросы транспортировки данных по сети. Транспортный уровень пытается обеспечить службу передачи данных таким образом, чтобы скрыть от верхних уровней детали процесса передачи данных. В частности, задачей транспортного уровня является обеспечение надежности передачи данных между двумя рабочими станциями.
При обеспечении службы связи транспортный уровень устанавливает, поддерживает и соответствующим образом ликвидирует виртуальные каналы. Для обеспечения надежности транспортной службы используются выявление ошибок при передаче и управление информационными потоками. Примерами протоколов четвертого уровня могут служить протокол управления передачей (Transmission Control Protocol — TCP), протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol — UDP) и протокол последовательного обмена пакетами (Sequenced Packet Exchange — SPX).
Уровень 3: сетевой уровень
Сетевой уровень (network layer) является комплексным уровнем, обеспечивающим выбор маршрута и соединение между собой двух рабочих станций, которые могут быть расположены в географически удаленных друг от друга сетях. Кроме того, сетевой уровень решает вопросы логической адресации. Примерами протоколов третьего уровня могут служить Internet»протокол (IP), протокол межсетевого пакетного обмена (Internetwork Packet Exchange — IPX) и протокол AppleTalk.
Уровень 2: канальный уровень
Канальный уровень (data link layer) обеспечивает надежную передачу данных по физическому каналу. При этом канальный уровень решает задачи физической (в противоположность логической) адресации, анализа сетевой топологии, доступа к сети, уведомления об ошибках, упорядоченной доставки фреймов и управления потоками.
Уровень 1: физический уровень
Физический уровень (physical layer) определяет электрические, процедурные и функциональные спецификации для активизации, поддержки и отключения физических каналов между конечными системами. Спецификациями физического уровня определяются уровни напряжений, синхронизация изменений напряжения, физическая скорость передачи данных, максимальная дальность передачи, физические соединения и другие аналогичные параметры.
P.S. Сетевая модель OSI не зря считается эталонной моделью, т.к. позволяет стандартизировать различные сетевые технологии, обеспечивает взаимодействие сетевых устройств и приложений разных уровней. Четкое понимание деления на уровни дает полное представление об организации работы компьютерных сетей. Если что-то непонятно сейчас, то нужно восполнить этот пробел сейчас, т.к. изучение более сложных вещей будет очень затруднено.
На практике используется более простая сетевая модель TCP/IP, которая имеет 4 уровня.
