на каком уровне osi работает мост

Cетевая модель OSI

Cетевая модель OSI (Open Systems Interconnection model) – это эталонная модель взаимодействия открытых систем. Массово не используется, но благодаря ей можно понять, как работает аппаратная и программная части сети. На практике OSI применяют для упрощенного представления открытых систем (Ethernet, IP и т. д.). Сисадминам, сетевым инженерам кроме нее следует изучить модель TCP/IP.

Общие особенности сетевой модели

У сетевой модели OSI всего 7 уровней, расположенных в иерархическом порядке. Верхний седьмой уровень – прикладной, а нижний первый – физический. Сетевая модель была разработана ещё в 1975 году для описания архитектуры и работы сетей, передающих данные. В процессе отправки информации всегда участвует 3 элемента:

Так видит отправку файлов по беспроводным и проводным сетям обычный пользователь. Процедуру отправки и получения данных детально описывает OSI. На первом уровне информация представлена в виде бит. На седьмом она становится данными. Когда информация из бит переходит в данные происходит декапсуляция. Обратное преобразование с седьмого на первый уровень называется инкапсуляцией.

Информация на каждом уровне представляется своими протоколами. Любой файл при отправке по сети проходит процесс инкапсуляции и декапсуляции. Рассмотрим более подробно уровни представления модели OSI.

1 уровень – физический (L1)

На первом уровне передается сигнал и ток от оборудования отправителя к получателю. Информация отправляется в виде нулей и единиц. На каждом уровне есть свой блок данных протокола (PDU). На первом уровне PDU – это бит. Биты передаются по оптоволокну или по беспроводной сети.

К протоколам физического уровня относятся Bluetooth, Wi-Fi, TIA-449, ITU, GSM и т. д. RJ-45, RJ-11 тоже формально относятся к L1. В виде данных обработка информации начинается только на высоких уровнях модели (с 5 по 7).

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.

3 уровень – сетевой (L3)

На этом этапе определяется путь передачи данных и вводится новое понятие маршрутизации. На L3 используется 2 типа протоколов: с установкой и без установки соединения. Первый тип протоколов отправляет данные, содержащие полную информацию об отправителе и получателе. Это нужно для того, чтобы сетевые устройства получили полные адресные сведения и правильно определили путь для маршрутизации данных. Пакет будет передаваться от одного маршрутизатора (роутера) к другому, пока не попадет получателю.

Но у протоколов, работающих без установки соединения, есть один существенный минус – не соблюдение порядка передачи данных. Пользователь получит сообщения от отправителя не так, как он их отправлял, потому что разные пакеты могут быть отправлены разными маршрутами. В этом случае, прежде чем информация попадет к пользователю, она обрабатывается на L4 транспортными протоколами.

При использовании протоколов с установкой соединения данные поступают пользователю в том порядке, в котором они были отправлены. Но при их использовании сам процесс отправки информации занимает больше времени. Активнее всего на L3 используется протокол ARP для определения MAC-адреса по IP. Он также осуществляет обратное преобразование уникального идентификатора сетевого оборудования в IP.

L1, L2, L3 относятся к уровням среды. Они отвечают за перемещение данных по беспроводным сетям, кабелям, сетевому оборудованию. Более высокие уровни (с L4 по L7) называют уровнями хоста. Они взаимодействуют с пользовательскими устройствами (ПК, смартфонами, планшетами) и отвечают за представление данных.

4 уровень – транспортный (L4)

Отправка данных от отправителя к получателю регулируется отдельно. За этот процесс отвечает транспортный уровень. При передаче информации всегда теряется часть данных. Но для некоторых видов файлов (аудио, видео, фотографии) малые потери не критичны. Для передачи таких данных применяется протокол UDP. Он обеспечивает отправку пакетов без установки соединения.

При использовании UDP файл делится на датаграммы. Она содержит заголовки, которые необходимы для доставки до получателя. По этой причине датаграммы могут направляться пользователю разными маршрутами и в произвольном порядке. Если датаграмма потеряется, в файле появляется битые данные.

Если же пользователь отправляет файлы, чувствительные к потерям данных, применяется TCP. Он проверяет целостность передаваемой информации. При его использовании файл сегментируется. Но это происходит не всегда, а только с теми пакетами данных, размер которых превышает пропускную способность сетей. Сегментация также требуется, когда происходит отправка файлов по нестабильным сетям.

В повседневной работе инженеры взаимодействуют только с первыми четырьмя уровнями. Знать их особенности нужно для проектирования сетей и настройки оборудования. С остальными уровнями взаимодействуют разработчики ПО.

5 уровень – сеансовый (L5)

Этот уровень модели OSI относится к «верхним». Здесь осуществляются операции с чистыми данными. Отвечает пятый уровень за поддержку связи во время сеанса или сессии. Он обеспечивает правильное взаимодействие между приложениями, позволяет синхронизировать разные задачи, обмениваться данными. Благодаря L5 происходит поддержка и завершение сеанса.

Сеанс состоит из запросов и ответов, направляемых между разными приложениями. Сеансовый уровень используется в ПО, удаленно вызывающих процедуры. Примером работы L5 служит видеовызов в Skype или прямой эфир на широкую аудиторию. Во время сеанса нужно обеспечить синхронизованную передачу аудио и видео всем участникам конференции. За это и отвечают протоколы пятого уровня.

6 уровень – представления данных (L6)

Протоколы L6 осуществляют кодирование и декодирование информации. Информация, передаваемая по сети, на этом уровне не меняет своего содержания. Кроме перевода данных из одного формата в другой, L6 осуществляет и другие функции:

Преобразование данных осуществляется автоматически и не требует от пользователя подтверждения. При получении данных с L5 автоматически устанавливаются стандартные форматы файлов.

7 уровень – прикладной (L7)

Другое название L7 – уровень приложений. Он отвечает за взаимодействие пользовательских приложений с работающей сетью. Этот уровень обеспечивает использование программами сетевых служб, отправку e-mail, обмен данными через торренты, предоставление ПО информации о сбоях и т. д. К протоколам прикладного уровня относят:

В случае с HTTPS его принадлежность к L7 или L6 определяется способом использования. Если пользователь занимается веб-серфингом, то протокол относят к прикладному уровню. Если же осуществляется передача финансовых данных, то низкоуровневый HTTPS рассматривают как L6.

Седьмой уровень отвечает за представление данных в понятном пользователю виде. На этом этапе не происходит доставка или маршрутизация информации. Протоколы просто преобразуют данные для визуализации. Кроме преобразования данных они также обеспечивают доступ к удаленным БД, пересылают служебную информацию.

Недостатки OSI

Семиуровневая модель OSI считается устаревшей. На момент выхода она уже не поддерживала все актуальные стандарты, а сейчас эта проблема стала более выраженной. Поэтому современные компании ориентируются на TCP/IP. Еще один недостаток модели – плохо проработанная технология. Протоколы OSI дублируют друг друга, распределение функций немного странное.

При построении сети используются не все уровни модели ОСИ. Обычно для настройки оборудования инженерам нужно знать первые 4 уровня. L5 и L6 при работе с реальными сетями практически не применяются.

Модель ISO/OSI является закрытой. Её в основном использовали телекоммуникационные компании Франции, США, Англии. В тоже время стек протоколов TCP/IP разрабатывался как открытая модель, что и привлекло внимание разработчиков по всему миру.

Разница OSI и TCP/IP

Некоторые инженеры ошибочно предполагают, что модель OSI/ISO – это расширенная версия TCP/IP, но на самом деле такой подход не совсем верный. У этих моделей разное распределение межуровневых функций. В TCP/IP всего 4 уровня. На канальном уровне обмен данными осуществляется при помощи битов и кадров, а на сетевом с помощью пакетов. На транспортном уровне передаются сегменты и датаграммы. А на прикладном уровне происходит передача данных.

Прикладной уровень TCP/IP объединяет функции 3 уровней ОСИ: сеансового, представления данных и прикладного. Уровень доступа сетевой модели передачи цифровых данных охватывает физические и канальный уровни OSI. Сами службы тоже работают немного иначе. В TCP/IP со службами последовательности и подтверждения работает транспортный уровень. В OSI за это отвечает канальный уровень.

Считается, что при использовании TCP/IP инженер быстрее найдет неполадки в сети, т. к. диагностику проводят с самого нижнего уровня. Простейший пример поиска проблем на первом уровне – проверка целостности кабелей и их подключения к сетевой карте ПК.

Заключение

Уровни OSI модели позволяют получить общее представление об особенностях передачи данных в сетях. Рассмотренная архитектура является упрощенной. Полная модель ОСИ включает дополнительные уровни: пользовательский, сервисный и т. д. Но для диагностики сетей чаще всего применяется именно упрощенный вариант OSI.

Источник

Простое пособие по сетевой модели OSI для начинающих

Открытая сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection model) состоит из семи уровней. Что это за уровни, как устроена модель и какова ее роль при построении сетей — в статье.

Модель OSI является эталонной. Эталонная она потому, что полное название модели выглядит как «Basic Reference Model Open Systems Interconnection model», где Basic Reference Model означает «эталонная модель». Вначале рассмотрим общую информацию, а потом перейдем к частным аспектам.

Принцип устройства сетевой модели

Сетевая модель OSI имеет семь уровней, иерархически расположенных от большего к меньшему. То есть, самым верхним является седьмой (прикладной), а самым нижним — первый (физический). Модель OSI разрабатывалась еще в 1970-х годах, чтобы описать архитектуру и принципы работы сетей передачи данных. Важно помнить, что данные передаются не только по сети интернет, но и в локальных сетях с помощью проводных или беспроводных соединений.

В процессе передачи данных всегда участвуют устройство-отправитель, устройство-получатель, а также сами данные, которые должны быть переданы и получены. С точки зрения рядового пользователя задача элементарна — нужно взять и отправить эти данные. Все, что происходит при отправке и приеме данных, детально описывает семиуровневая модель OSI.

На седьмом уровне информация представляется в виде данных, на первом — в виде бит. Процесс, когда информация отправляется и переходит из данных в биты, называется инкапсуляцией. Обратный процесс, когда информация, полученная в битах на первом уровне, переходит в данные на седьмом, называется декапсуляцией. На каждом из семи уровней информация представляется в виде блоков данных протокола — PDU (Protocol Data Unit).

Рассмотрим на примере: пользователь 1 отправляет картинку, которая обрабатывается на седьмом уровне в виде данных, данные должны пройти все уровни до самого нижнего (первого), где будут представлены как биты. Этот процесс называется инкапсуляцией. Компьютер пользователя 2 принимает биты, которые должны снова стать данными. Этот обратный процесс называется декапсуляция. Что происходит с информацией на каждом из семи уровней, как и где биты переходят в данные мы разберем в этой статье.

Первый, физический уровень (physical layer, L1)

Начнем с самого нижнего уровня. Он отвечает за обмен физическими сигналами между физическими устройствами, «железом». Компьютерное железо не понимает, что такое картинка или что на ней изображено, железу картинка понятна только в виде набора нулей и единиц, то есть бит. В данном случае бит является блоком данных протокола, сокращенно PDU (Protocol Data Unit).

Каждый уровень имеет свои PDU, представляемые в той форме, которая будет понятна на данном уровне и, возможно, на следующем до преобразования. Работа с чистыми данными происходит только на уровнях с пятого по седьмой.

Устройства физического уровня оперируют битами. Они передаются по проводам (например, через оптоволокно) или без проводов (например, через Bluetooth или IRDA, Wi-Fi, GSM, 4G и так далее).

Второй уровень, канальный (data link layer, L2)

Когда два пользователя находятся в одной сети, состоящей только из двух устройств — это идеальный случай. Но что если этих устройств больше?

Второй уровень решает проблему адресации при передаче информации. Канальный уровень получает биты и превращает их в кадры (frame, также «фреймы»). Задача здесь — сформировать кадры с адресом отправителя и получателя, после чего отправить их по сети.

У канального уровня есть два подуровня — это MAC и LLC. MAC (Media Access Control, контроль доступа к среде) отвечает за присвоение физических MAC-адресов, а LLC (Logical Link Control, контроль логической связи) занимается проверкой и исправлением данных, управляет их передачей.

На втором уровне OSI работают коммутаторы, их задача — передать сформированные кадры от одного устройства к другому, используя в качестве адресов только физические MAC-адреса.

Третий уровень, сетевой (network layer, L3)

На третьем уровне появляется новое понятие — маршрутизация. Для этой задачи были созданы устройства третьего уровня — маршрутизаторы (их еще называют роутерами). Маршрутизаторы получают MAC-адрес от коммутаторов с предыдущего уровня и занимаются построением маршрута от одного устройства к другому с учетом всех потенциальных неполадок в сети.

На сетевом уровне активно используется протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол определения адреса). С помощью него 64-битные MAC-адреса преобразуются в 32-битные IP-адреса и наоборот, тем самым обеспечивается инкапсуляция и декапсуляция данных.

Четвертый уровень, транспортный (transport layer, L4)

Все семь уровней модели OSI можно условно разделить на две группы:

Уровни группы Media Layers (L1, L2, L3) занимаются передачей информации (по кабелю или беспроводной сети), используются сетевыми устройствами, такими как коммутаторы, маршрутизаторы и т.п. Уровни группы Host Layers (L4, L5, L6, L7) используются непосредственно на устройствах, будь то стационарные компьютеры или портативные мобильные устройства.

Четвертый уровень — это посредник между Host Layers и Media Layers, относящийся скорее к первым, чем к последним, его главной задачей является транспортировка пакетов. Естественно, при транспортировке возможны потери, но некоторые типы данных более чувствительны к потерям, чем другие. Например, если в тексте потеряются гласные, то будет сложно понять смысл, а если из видеопотока пропадет пара кадров, то это практически никак не скажется на конечном пользователе. Поэтому, при передаче данных, наиболее чувствительных к потерям на транспортном уровне используется протокол TCP, контролирующий целостность доставленной информации.

Для мультимедийных файлов небольшие потери не так важны, гораздо критичнее будет задержка. Для передачи таких данных, наиболее чувствительных к задержкам, используется протокол UDP, позволяющий организовать связь без установки соединения.

При передаче по протоколу TCP, данные делятся на сегменты. Сегмент — это часть пакета. Когда приходит пакет данных, который превышает пропускную способность сети, пакет делится на сегменты допустимого размера. Сегментация пакетов также требуется в ненадежных сетях, когда существует большая вероятность того, что большой пакет будет потерян или отправлен не тому адресату. При передаче данных по протоколу UDP, пакеты данных делятся уже на датаграммы. Датаграмма (datagram) — это тоже часть пакета, но ее нельзя путать с сегментом.

Главное отличие датаграмм в автономности. Каждая датаграмма содержит все необходимые заголовки, чтобы дойти до конечного адресата, поэтому они не зависят от сети, могут доставляться разными маршрутами и в разном порядке. Датаграмма и сегмент — это два PDU транспортного уровня модели OSI. При потере датаграмм или сегментов получаются «битые» куски данных, которые не получится корректно обработать.

Первые четыре уровня — специализация сетевых инженеров, но с последними тремя они не так часто сталкиваются, потому что пятым, шестым и седьмым занимаются разработчики.

Пятый уровень, сеансовый (session layer, L5)

Пятый уровень оперирует чистыми данными; помимо пятого, чистые данные используются также на шестом и седьмом уровне. Сеансовый уровень отвечает за поддержку сеанса или сессии связи. Пятый уровень оказывает услугу следующему: управляет взаимодействием между приложениями, открывает возможности синхронизации задач, завершения сеанса, обмена информации.

Службы сеансового уровня зачастую применяются в средах приложений, требующих удаленного вызова процедур, т.е. чтобы запрашивать выполнение действий на удаленных компьютерах или независимых системах на одном устройстве (при наличии нескольких ОС).

Примером работы пятого уровня может служить видеозвонок по сети. Во время видеосвязи необходимо, чтобы два потока данных (аудио и видео) шли синхронно. Когда к разговору двоих человек прибавится третий — получится уже конференция. Задача пятого уровня — сделать так, чтобы собеседники могли понять, кто сейчас говорит.

Шестой уровень, представления данных (presentation layer, L6)

О задачах уровня представления вновь говорит его название. Шестой уровень занимается тем, что представляет данные (которые все еще являются PDU) в понятном человеку и машине виде. Например, когда одно устройство умеет отображать текст только в кодировке ASCII, а другое только в UTF-8, перевод текста из одной кодировки в другую происходит на шестом уровне.

Шестой уровень также занимается представлением картинок (в JPEG, GIF и т.д.), а также видео-аудио (в MPEG, QuickTime). Помимо перечисленного, шестой уровень занимается шифрованием данных, когда при передаче их необходимо защитить.

Седьмой уровень, прикладной (application layer)

Седьмой уровень иногда еще называют уровень приложений, но чтобы не запутаться можно использовать оригинальное название — application layer. Прикладной уровень — это то, с чем взаимодействуют пользователи, своего рода графический интерфейс всей модели OSI, с другими он взаимодействует по минимуму.

Все услуги, получаемые седьмым уровнем от других, используются для доставки данных до пользователя. Протоколам седьмого уровня не требуется обеспечивать маршрутизацию или гарантировать доставку данных, когда об этом уже позаботились предыдущие шесть. Задача седьмого уровня — использовать свои протоколы, чтобы пользователь увидел данные в понятном ему виде.

Протоколы здесь используют UDP (например, DHCP, FTP) или TCP (например, HTTP, HTTPS, SFTP (Simple FTP), DNS). Прикладной уровень является самым верхним по иерархии, но при этом его легче всего объяснить.

Критика модели OSI

Семиуровневая модель была принята в качестве стандарта ISO/IEC 7498, действующего по сей день, однако, модель имеет свои недостатки. Среди основных недостатков говорят о неподходящем времени, плохой технологии, поздней имплементации, неудачной политике.

Первый недостаток — это неподходящее время. На разработку модели было потрачено неоправданно большое количество времени, но разработчики не уделили достаточное внимание существующим в то время стандартам. В связи с этим модель обвиняют в том, что она не отражает действительность. В таких утверждениях есть доля истины, ведь уже на момент появления OSI другие компании были больше готовы работать с получившей широкое распространение моделью TCP/IP.

Вторым недостатком называют плохую технологию. Как основной довод в пользу того, что OSI — это плохая технология, приводят распространенность стека TCP/IP. Протоколы OSI часто дублируют другу друга, функции распределены по уровням неравнозначно, а одни и те же задачи могут быть решены на разных уровнях.

Разделение на семь уровней было скорее политическим, чем техническим. При построении сетей в реальности редко используют уровни 5 и 6, а часто можно обойтись только первыми четырьмя. Даже изначальное описание архитектуры в распечатанном виде имеет толщину в один метр.

Кроме того, в отличие от TCP/IP, OSI никогда не ассоциировалась с UNIX. Добиться широкого распространения OSI не получилось потому, что она проектировалась как закрытая модель, продвигаемая Европейскими телекоммуникационными компаниями и правительством США. Стек протоколов TCP/IP изначально был открыт для всех, что позволило ему набрать популярность среди сторонников открытого программного кода.

Даже несмотря на то, что основные проблемы архитектуры OSI были политическими, репутация была запятнана и модель не получила распространения. Тем не менее, в сетевых технологиях, при работе с коммутацией даже сегодня обычно используют модель OSI.

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.

Источник

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

Сетевая модель OSI

Модель OSI (Open Systems Interconnectton — взаимодействие открытых систем) не так проста, как кажется на первый взгляд. Она была первоначально предназначена для обеспечения разработки протоколов, не зависящих от конкретных поставщиков оборудования, и для получения возможности создания наборов протоколов вместо монолитных программ сетевой связи, но в настоящее время модель OSI фактически редко используется для таких целей. Но эта модель все еще имеет одно важное назначение: на данный момент она представляет собой одно из лучших инструментальных средств описания и классификации сложных последовательностей действий, которые происходят в сетях. Поскольку основная часть применяемых в наши дни наборов протоколов(например TCP/IP) была разработана с использованием другой модели, многие протоколы этих наборов не полностью соответствуют модели и это вызывает определенную путаницу. Например, в некоторых книгах утверждается, что протокол маршрутной информации (Routing Information Protocol — RIP) работает на сетевом уровне, в других указано, что он работает на прикладном уровне. Однако в действительности этот протокол не принадлежит полностью только к одному из этик уровней. Он, как и многие другие, включает функции, относящиеся к обоим уровням. Из этого можно сделать вывод, что устранить такую путаницу можно только с помощью модели OSI, которая позволяет изучать сетевые операции и определять, на каком уровне они выполняются.

Основная цель изучения модели OSI состоит в том, чтобы можно было понять, какие функции выполняются тем или иным устройством, просто узнав, к какому уровню относится данное устройство. Например, если известно, что физическая адресация или управление доступом к передающей среде (Media Access Control — MAC) осуществляется на уровне 2, а логическая (IP-адресация) — на уровне 3, то сразу же становится ясно, что коммутатор Ethernet, который отвечает за фильтрацию МAС-адресов (физических адресов), является прежде всего устройством уровня 2.

Содержание

Общее определение термина пакет

Для описания фрагментов информации, передаваемых по сети, применяются термины: пакет, дейтаграмма, фрейм, сообщение и сегмент. Все они по сути имеют один и тот же смысл, но относятся к разным уровням модели OSI. Например, пакет можно рассматривать как конверт с письмом. Чтобы отправить этот конверт по почте, необходимо выполнить ряд требований (рис.1), которые перечислены ниже.

Передача сетевого пакета фактически происходит по таким же принципам, как и отправка обычного письма. Рассмотрим в качестве примера сообщение электронной почты, которое показано на рис.2. Для его доставки адресату необходимо такая же информация, как и для обычного письма (а также некоторые другие компоненты, которые рассматриваются в данной главе). эта информация описана ниже.

Далее понятие пакета применяется для иллюстрации процесса прохождения данных сверху вниз по уровням модели OSI, затем по физическому кабелю, а после этого снизу вверх по уровням модели OSI. Пока они не поступят в виде нового сообщения во входной почтовый ящик дяди Джо.

Основы модели OSI

Модель OSI представляет собой один из способов многоуровневой организации сетей. В той или иной реализации набора протоколов некоторые из уровней модели могут даже не использоваться, но модель OSI разработана так, чтобы любую сетевую функцию можно было представить на одном из ее семи уровней. Описание уровней, начиная с уровня 7 и заканчивая уровнем 1, приведено в табл.1. Здесь принята именно такая последовательность описания уровней, поскольку она позволяет лучше понять устройство модели.

При передаче данных по сети с одного компьютера на другой осуществляется такой процесс: данные исходят из приложения, передаются вниз по уровням модели, проходят через передающую среду (чаще всего это медный или волоконно-оптический кабель) в виде электрического или оптического сигнала, представляющего отдельные логические нули и единицы, после чего поднимаются по уровням модели на другом конце соединения.

По мире выполнения этих действий на каждом уровне, который имеет соответствующий протокол, к пакету добавляется заголовок, указывающий способ обработки пакета на другом конце соединения с помощью такого же протокола. Этот процесс называется инкапсуляцией данных. Схема этого процесса приведена на рис.3. На этой схеме АН обозначает заголовок прикладного уровня (Application Header), РН — представительского (Presentation Нeаder), SH — сеансового (Session Header), TН — транспортного (Transport Header), NH — сетевого (Network Header), DH — канального (Datelink Header) и РН — физического (Рhysical Header). После прибытия к месту назначения пакет проходит вверх по уровням модели и на каждом уровне удаляются заголовки соответствующих протоколов. Ко времени поступления пакета в приложение в нем остаются только данные, которые принято также называть содержимым пакета (payload).

Уровень 7

Прикладной уровень отвечает за взаимодействие с пользовательским приложением. Но следует отметить, что обычно он обменивается данными не с самим пользовательским приложением, а, скорее, с сетевыми приложениями, которые применяются в пользовательском приложении. Например, при присмотре ресурсов Web пользовательским приложением является программа браузера, такая как Microsoft Internet Explorer. А в качестве сетевого приложения в данном случае используется программное обеспечение протокола HTTP, которое применяется также во многих других пользовательских приложениях (таких как Netscape Navigator). В общем, можно считать, что прикладной уровень отвечает за создание первоначального пакета, поэтому, если создается впечатление, что программное обеспечение протокола создает пакеты, которых до сих пор не существовало, то оно обычно относится к протоколу прикладного уровня. Хотя такое правило не всегда соблюдается (поскольку собственные пакеты создаются также протоколами, которые существуют на других уровнях), это общее определение протокола прикладного уровня вполне приемлемо. К числу широко применяемых протоколов прикладного уровня относятся HTTP, FTP, Telnet, TFTP, SMTP, P0P3 и MAP.

Назначение представительского уровня понять проще всего, поскольку протокол этого уровня можно легко увидеть в действии. На представительском уровне происходит модификация формата данных. Например, к сообщению электронной почты может прилагаться изображение. Но простой протокол электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol — SMTP) может обеспечить передачу только простого текста (состоящего из семибитовых символов в коде ASCII). Для обеспечения передачи изображения приложение должно воспользоваться протоколом представительского о уровня для преобразования изображения в обычный текст. В данном случае применяется протокол многоцелевых почтовых расширений Internet (Multiрurpose internet Mail Extensions — MIME). Этот протокол отвечает также за обратное преобразование текста в изображение после его прибытия к месту назначения. Если эта работа не будет выполнена, то содержимое сообщения будет выглядеть примерно так, как это показали ниже.

BCNHS r%CNE (37НС UHD»Y ЗсТШ! Ufc*?

Такая последовательность знаков, безусловно, не похожа на графическое изображение, и ее получение свидетельствует о наличии проблемы. Тем самым подтверждается сказанное выше, что обычно проще всего обнаружить наличие проблемы на представительском уровне. Кроме того, представительский уровень отвечает за сжатие и шифрование, а также за выполнение многих других действий (таких как эмуляция терминала), которые приводят к изменению формата длины. К числу наиболее широко применяемых форматов представления данных относятся ASCII, JPEG, MPEG и GIF.

В отличие от предыдущих, работу протоколов сеансового уровня понять сложнее всего. Эти протоколы отвечают за установление, поддержание и завершение сеансов. Но это определение является слишком общим и расплывчатый. Поскольку в установлении, поддержании и завершении сеансов в той или иной степени фактически участвуют и протоколы других уровней. Проще всего можно представить себе назначение сеансового уровня в том, что он выполняет функции посредника между двумя приложениями. К числу наиболее широко применяемых протоколов сеансового уровня относятся RРC, LDAP и служба сеансов NetBIOS.

На транспортном уровне выполняется целый ряд функций. Наиболее важными из них являются контроль ошибок, их исправление и управление потоком данных. Транспортный уровень отвечает за надежную работу служб межсетевой передачи данных, функции которой выполняются незаметно для программ более высокого уровня. Проще всего можно понять, как осуществляются функции контроля и исправления ошибок на транспортном уровне, изучив различия между связью с установлением и без установления логического соединения.

Связь с установлением и без установления логического соединения

Связь с установлением логического соединения получила такое название потому, что она предусматривает установление соединения между двумя компьютерами, подключенными к сети (называемыми также хостами), еще до начала передачи данных пользователем. Это позволяет обеспечить двухстороннюю связь. Иными словами, вначале протокол транспортного уровня предусматривает передачу получателю специальных пакетов, с помощью которых другой участник соединения может определить, что к нему вскоре поступят данные. Затем получатель передает специальный пакет отправителю, чтобы он мог узнать, что его предупреждающее сообщение получено. Такой предварительный обмен пакетами позволяет обоим участникам соединения убедиться в том, что связь между ними возможна.

В большинстве случаев связь с установлением логического соединения предусматривает также гарантии доставки. Иными словами, если при передаче пакета удаленному хосту происходит ошибка, то на транспортном уровне выполняется повторная передача этого же пакета, а если это невозможно, отправитель получает сообщение, что доставка пакета окончилась неудачей.

С другой стороны, связь без установления логического соединения обладает прямо противоположными свойствами. Во-первых первоначально не устанавливается какое-либо соединение. Во-вторых, в большинстве случаев (но не во всех) не применяются какие-либо средства исправления ошибок. Обязанности по исправлению ошибок должно взять на себя само приложение или программное обеспечение протокола одного из уровней, находящихся выше или ниже транспортного уровня. Специалисты по сетям часто называют связь без установления логического соединения связью по принципу отправить и забыть. По сути, протокол транспортного уровня отправляет пакет и «забывает» о нём.

В большинстве случаев уловить различие между протоколами с установлением и без установления логического соединения очень легко. Эти различия аналогичны тому, как отличаются друг от друга способы доставки обычного и заказного писем. Передав обычное письмо, отправитель может лишь надеяться, что оно поступит к адресату. У него нет возможности сразу же узнать, получено ли отправленное им сообщение. Это — связь без установления логического соединения. С другой стороны, при отправке заказного письма, сообщение либо доставляется правильно и отправитель получает уведомление о вручении, либо предпринимаются неоднократные попытки его доставить, пока это сообщение не устаревает, и почтовая служба отказывается от дальнейших попыток; но отправитель получает уведомление и в таком случае. Так или иначе, отправитель уверен в том, что он узнает обо всем, что произошло, и сможет принять соответствующие меры. Это — типичная связь с установлением логического соединения.

Управление потоком данных

В своей простейшей форме управление потоком данных представляет собой метод обеспечения того, чтобы чрезмерно интенсивный поток данных не захлестнул оконечную станцию. Например, предположим, что персональный компьютер А обрабатывает данные со скоростью 100 Мбит/с, а компьютер В — со скоростью 10 Мбит/с. Если компьютер А начнет передавать компьютеру В какие-то данные на полной скорости, то 90% этой информации будет потеряно, поскольку компьютер В не способен принимать информацию на скорости 100 Мбит/с. В предотвращении этой ситуации и состоит назначение средств управления потоком данных.

Применяемые в настоящее время методы управления потоком данных подразделяются на три типа, как описано в следующих разделах.

Буферизация

Уведомление о заторе

Метод с использованием уведомления о заторе является немного более сложным по сравнению с буферизацией и обычно используется в сочетании с буферизацией для устранения ее основных недостатков. При использовании метода с уведомлением о заторе после того, как буфера приемного устройства начинают заполняться (или явные проявления затора в сети обнаруживаются с помощью некоторых ИНЫХ методов), приемная станция отправляет передающей станции сообщение, которое по сути означает «замедлить передачу данных». После того как буфер немного разгрузится, приемная станция может отправить другое сообщение с указанием, что передача может быть возобновлена. Очевидным недостатком такого решения является то, что при наличии в цепочке промежуточных устройств (таких как маршрутизаторы) уведомления о заторе лишь усугубляют ситуацию, заполняя буфера на каждом маршрутизаторе вдоль этой цепочки.

Например, предположим, что маршрутизатор А передает пакеты маршрутизатору С Через маршрутизатор В (как показано на рис.4). А Как только буфер маршрутизатора С начинает заполняться, он передает уведомление о заторе маршрутизатору В. Это сообщение приводит к заполнению буфера маршрутизатора В. Затем маршрутизатор В отправляет уведомление о заторе маршрутизатору А. Это Приводит к заполнению буфера маршрутизатора А, что в конечном итоге вызывает потерю данных (безусловно, этого не произойдет, если передающая станция определит, в чем смысл уведомлений о заторе, и полностью прекратит передачу данных). В конечном итоге маршрутизатор С перешлет маршрутизатору В сообщение о том, что может быть возобновлена передача, но к этому времени часть пакетов уже будет потеряна.

Применение окон

Метод с применением окон представляет собой наиболее сложную и гибкую форму управления потоком данных и в настоящее время, вероятно, является одним из наиболее широко применяемых методов управления потоком данных. При передаче с применением окон разрешается передавать одновременно заранее согласованное количество пакетов (называемое окном) до получения подтверждения от приемной станции. Это означает, что возможность передачи одной станцией такого объема данных, который не может быть принят другой станцией, почти полностью исключена. Дело в том, что передающая станция, отправив разрешенное количество пакетов, должна дождаться ответа от удаленной приемной станции и только после этого отправить дополнительные данные. Метод передачи с применением окон используется не только для управления потоком данных, но и для устранения ошибок.

К числу наиболее широко применяемых протоколов транспортного уровня относятся TCP, UDP и SPX.

Протоколы сетевого уровня обеспечивают логическую адресацию и определение маршрута (маршрутизацию). Методы логической адресации зависят от набора протоколов, но основные принципы остаются одинаковыми. Адреса сетевого уровня применяются в основном для указания местонахождения хоста. Эта задача обычно решается путем разделения адреса на две части: поле группы и поле хоста. Вместе эти поля полностью описывают хост, но лишь в контексте группы, к которой он относится. Такое разделение адреса позволяет каждому хосту учитывать только наличие других хостов в его группе и применять для передачи пакетов от одной группы к другой специализированные устройства, называемые маршрутизаторами.

К числу широко применяемых протоколов сетевого уровня относятся IP и IPX.

Канальный уровень предусматривает выполнение таких функций, как устранение коллизий, физическая адресация, распознавание ошибок и фреймирование, как описано в следующих разделах.

Устранение коллизий

Методы устранения коллизий позволяют определить, как должен быть организован доступ к одному каналу передачи данных, если к нему подключено несколько хостов, которые пытаются одновременно использовать его для передачи. При полудуплексной широкополосной передаче без устранения коллизий нельзя обойтись, поскольку в применяемой при этом сетевой среде в любой момент времени только одно устройство может успешно передавать электрический сигнал. А если в этой среде попытки передачи будут предприняты одновременно двумя устройствами, то сигналы от этих устройств смешаются и возникнет так называемая коллизия. Такое явление, вероятно, лучше всего проиллюстрировать на рисунке:

Физическая адресация

Обнаружение ошибок

Ещё одна функция канального уровня, обнаружение ошибок, позволяет определить, не произошло ли искажение пакета во время передачи. Для этого перед отправкой пакета на удаленный компьютер к нему добавляется концевик (так называется поле с контрольной суммой в конце пакета) с последовательностью FCS. Метод контроля с применением FCS предусматривает использование циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Check — CRC) для выработки цифрового значения и размещение этого значения в концевике пакета. После прибытия пакета к получателю извлекается значение поля FCS и снова применяется тот же алгоритм, с помощью которого было вычислено это первоначальное значение. Если пакет подвергся каким-либо изменениям, прежнее и новое значения FCS не совпадают, и пакет отбрасывается как ошибочный.

Примечание Контроль с помощью FCS обеспечивает только обнаружение ошибок, но не их устранение. За устранение ошибок отвечает протокол более высокого уровня, как правило, транспортного.

Фреймирование

Термин фреймирование используется для описания организации элементов в пакете (пакет, передаваемый по сети, оформляется в виде фрейма). Эта задача является очень важной. Чтобы понять, с чем это связано, необходимо рассмотреть, как происходит передача данных физическим устройством. Прежде всего следует учесть, что все данные, передаваемые по кабелям сети, являются просто комбинацией битов 0 и 1. Поэтому при получении устройством цепочки битов, такой как 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 и т.д., оно должно определить, какая часть этой цепочки соответствует МАС-адресу, данным или последовательности FCS. Для этого требуется ключ. Физический формат пакета показан на рис.7.

Кроме того, поскольку существуют разные типы фреймов, в протоколах канального уровня на обоих взаимодействующих компьютерах должны использоваться фреймы одинаковых типов, так как лишь при этом условии получатель сможет определить, что фактически содержит полученный им пакет. Пример искажения, возникающего при нарушении формата фрейма, показан на рис.8.

На этом рисунке значения длины полей принятого и фактически ожидаемого фрейма не совпадают. Данный пример показывает, что если один компьютер отправляет пакет в формате 802.3, а другой ожидает поступления пакета в формате протокола доступа к подсети (SUB-Network Access Protocol — SNAP), между ними невозможно установить взаимодействие, поскольку компьютеры безуспешно пытаются найти компоненты пакета, которые фактически представлены в другом формате.

К числу наиболее распространенных протоколов канального уровня относятся практически все протоколы 802 ( 802.2, 802.3, 802.5 и т.д.), LAPP, LAPD и LLC.

На физическом уровне выполняются наиболее важные функции передачи данных по сравнению со всеми другими уровнями. К физическому уровню относятся все соединители, кабели, спецификации частот, требования к расстояниям и задержкам при распространении сигналов, регламентируемые напряжения, короче говоря, все физические параметры.

К числу наиболее распространенных протоколов физического уровня относятся EIA/TIA 568А и 568В, RS232, 10BaseT, 10Base2, 1OBase5, 100BaseT и USB.

Одноранговая связь

Специалисты по сетям называют одноранговой связью процесс взаимодействия протокола каждого уровня на компьютере отправителя с соответствующим уровнем на компьютере получателя. Следует отметить, что одинаковые уровни не взаимодействуют непосредственно друг с другом, но обмен данными по сети организован так, как если бы они действительно напрямую связывались друг с другом. К пакету, передаваемому с одного хоста на другой, по мере прохождения по уровням сетевой модели добавляются все необходимые заголовки, а когда этот пакет после его приема снова проходит по уровням модели, но в противоположном направлении, информация в каждом заголовке пакета обрабатывается только тем уровнем, которому соответствует конкретный заголовок. Все остальное на этом уровне рассматривается как данные. Процесс снятия заголовков показан на рис.9 (для обозначения заголовков применяются такие же сокращения, как и на рис.3).

Необходимо еще раз подчеркнуть, что протоколом каждого уровня обрабатывается только заголовок, который относится точно к такому же уровню протокола на другом компьютере. Остальная часть пакета рассматривается им как данные (хотя фактически не является таковой). Поэтому можно считать, что каждый уровень протокола на одном компьютере взаимодействует с соответствующим ему уровнем на другом компьютере.

Общее описание взаимодействия по сети

Наконец, рассмотрим, как происходит обмен данными по сети между двумя компьютерами на каждом уровне (рис.9).

В данном примере передается электронная почта по протоколам TCP/IP. Передача сообщения начинается с уровня 7. К нему добавляется заголовок MAPI (Mail Application Programming Interface — интерфейс прикладного программирования для электронной почты). Затем пакет передается на представительские уровень, где происходит добавление заголовка MIME, с помощью которого получатель сможет определить формат сообщения. На сеансовом уровне происходит преобразование имен, и доменное имя techtrain.com преобразуется в IP-адрес 209.130.62.55. На транспортном уровне все это сообщение, которое имеет длину 256 Кбайт, разбивается на четыре фрагмента по 64 Кбайт и устанавливается сеанс TCP с использованием метода окон для управления потоком данных. На сетевом уровне выполняется маршрутизация и пакет передается на ближайший маршрутизатор (который здесь обозначен с помощью поля промежуточного адреса назначения).

Следует также отметить, что на сетевом уровне (логические) IP-адреса преобразуются в (физические) МАС-адреса, чтобы с ним мог работать протокол более низкого уровня. На канальном уровне пакет снова фрагментируется, но на этот раз преобразуется во фреймы, которые соответствует максимальной единице передачи данных (Maximum Transmission Unit — MTU) передающей среды. На физическом уровне данные передаются в виде электрических сигналов. Принятые данные снова проходят по уровням модели, но в обратном направлении. При этом выполняются действия, обратные тем, которые были выполнены на компьютере отправителя, и в конечном итоге пакет преобразуется в один фрагмент данных размером 256 кбайт в формате, приемлемом для соответствующего приложения.

Другие сетевые модели

Важное значение с точки зрения организации сетей имеет также модель DoD (Department of Defense — Министерство обороны США), так как в основе протоколов TCP/IP лежит не модель OSI, а именно эта модель. Поскольку модель DoD во многом совпадает с моделью OSI, тот факт, что она является фундаментом протоколов TCP/IP, может привести к некоторой путанице при изучении модели OSI. Верхние уровни модели DoD не совпадают с верхними уровнями модели OSI, поэтому в разных книгах можно встретить различные описания порядка расположения протоколов в модели OSI. Но здесь необходимо прежде всего учитывать, что фактически знание того, где должен быть указанный протокол модели OSI, необходимо в основном для успешной сдачи экзаменов; а на практике важнее всего понимание назначения каждого уровня модели.

Модели DoD и OSI

Модели OSI и DoD позволяют наглядно представить процесс сетевого взаимодействия, а компания Cisco применяет в своей работе иерархическую межсетевую модель, которая представляет собой многоуровневое отображение топологического проекта объединенной сети. Эта модель разработана в целях максимального повышения производительности; в то же время она обеспечивает оптимальную отказоустойчивость. Применение этой модели позволяет упростить конструкцию сети путем распределения функций по уровням сетевого проекта. Очевидным недостатком данной модели в сетях небольших и средних размеров является высокая стоимость проекта, но если задача состоит в создании высокопроизводительной, масштабируемой, резервируемой объединенной сети, то применение такого подхода является одним из наилучших способов реализации в проекте поставленных целей.

Иерархическая межсетевая модель Cisco состоит из трех уровней:

Пример практического применения этой модели приведен на рис.10.

Источник