Модель OSI. Нижние уровни

Модель OSI

В сети производится большое количество операций, которые обеспечивают передачу данных от компьютера к компьютеру. Прежде всего, данные разбивается на блоки, каждый из которых снабжается служебной управляющей информацией. Полученные блоки оформляются в виде сетевых пакетов, затем эти пакеты кодируются, передаются с помощью электрических или световых сигналов по сети в соответствии с выбранным методом доступа.

Принимающий абонент из полученных пакетов восстанавливает заключенные в них блоки, блоки соединяются в данные, которые затем становятся доступны другому приложению. Некоторые из этих процедур реализуется только программно, другая часть – аппаратно, а какие-то операции могут комбинировать эти способы.

Упорядочить все выполняемые процедуры, разделить их на уровни и подуровни, взаимодействующие между собой, призваны модели сетевого взаимодействия. Эти модели позволяют организовать взаимодействие как абонентам внутри одной сети, так и разным сетям на различных уровнях.

Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) в 1984 году разработала базовую (эталонную) модель обмена информацией в открытых системах OSI (Open System Interconnection)^[1]. Отдельные уровни модели OSI рассматриваются как группы программ, предназначенных для выполнения определенных функций. Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка и избыточна. Реальное сетевое оборудование, производимое различными фирмами, не обязательно поддерживает принятое разделение функций.

Все сетевые функции в модели Open System Interconnection разделены на 7 уровней (рис. 15). При этом вышестоящие уровни реализуют более сложные, глобальные процессы, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Задача нижестоящего уровня – предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали реализации этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые и конкретные функции. Каждый уровень взаимодействует только с соседними уровнями (выше и ниже него). Верхний уровень соответствует прикладной задаче (работающему в данный момент приложению), нижний – непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Рис. 15. Модель OSI

Функции, входящие в уровни модели OSI, реализуются всеми участниками сетевого взаимодействия. При этом каждый уровень одного абонента работает так, как будто у него есть прямая связь с соответствующим уровнем другого абонента.

Между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная (логическая) связь, например, между прикладными уровнями взаимодействующих по сети абонентов. Реальную физическую связь (кабель, радиоканал) абоненты одной сети имеют только на нижнем, первом, физическом уровне. В передающем абоненте информация проходит все уровни модели OSI, начиная с верхнего и заканчивая нижним, в принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему (рис. 16).

Рис. 16. Путь информации от абонента к абоненту

Данные, предназначенные для передачи по сети, на пути от верхнего (седьмого) уровня до нижнего (первого) проходят процесс упаковки - инкапсуляции. Каждый нижеследующий уровень не только производит обработку данных, приходящих с более высокого уровня, но и снабжает их своим заголовком, а также служебной информацией. Такой процесс обрастания служебной информацией продолжается до последнего (физического) уровня. На физическом уровне эта многооболочечная конструкция передается по кабелю приемнику. Там она проходит обратную процедуру декапсуляции, то есть при передаче на вышестоящий уровень убирается одна из оболочек. Верхнего седьмого уровня достигают данные, освобожденные от всех оболочек, то есть от всей служебной информации нижестоящих уровней. При этом каждый уровень абонента приемника производит обработку данных, полученных с нижеследующего уровня по правилам указанным в убираемой им служебной информации пакета.

Промежуточные сетевые устройства в отличие от полноценных абонентов (например, компьютеров) работают только на нижних уровнях модели OSI.

Функции уровней^[2]:

- Прикладной (7) уровень (Application Layer) или уровень приложений обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя. Такие как, программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет всеми нижележащими шестью уровнями. Например, если пользователь работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своей папке на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает перемещение файла с локального компьютера на сетевой диск прозрачно для пользователя. К распространенным протоколам верхних трех уровней (7-6-5) относятся:

-FTP (File Transfer Protocol) протокол передачи файлов;

-TFTP (Trivial File Transfer Protocol) протокол пересылки файлов;

-X.400 электронная почта;

-Telnet работа с удаленным терминалом;

-SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) протокол почтового обмена;

-SNMP (Simple Network Management) протокол сетевого управления;

-FTAM (File Transfer, Access, and Management) протокол передачи, доступа и управления файлами.

- Представительский (6) уровень (Presentation Layer) (уровень представления данных) определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, приемлемую для передачи по сети, то есть выполняет функцию переводчика. На этом уровне производится шифрование, дешифрирование данных и их сжатие. Стандартные форматы существуют для текстовых файлов (ASCII, EBCDIC, HTML), звуковых файлов (MIDI, MPEG, WAV), видео (AVI), рисунков (JPEG, GIF, TIFF). Все преобразования форматов представления данных выполняются на представительском уровне.

- Сеансовый (5) уровень (Session Layer) осуществляет управление проведением сеансов связи (устанавливает, поддерживает, прекращает связь). Этот уровень предусматривает три режима проведения сеансов: симплексный (передача данных в одном направлении), полудуплексный (передача данных поочередно в обоих направлениях) и полнодуплексный (передача данных в двух направлениях одновременно). Сеансовый уровень может устанавливать в поток данных специальные контрольные точки, которые позволяют восстанавливать процесс передачи при разрыве связи, после его возобновления. Уровень распознает логические имена абонентов, контролирует их права доступа. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также аппаратными и программными средствами маршрутизаторов.

- Транспортный (4) уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку пакетов в нужной последовательности без потерь и ошибок. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Транспортный уровень является промежуточным и связующим между верхними тремя, зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, взаимодействующими с конкретной сетью. Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня:

-TCP (Transmission Control Protocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;

-NCP (NetWare Core Protocol) NetWare - базовый протокол сетей;

-SPX (Sequenced Packet eXchange) Novell - обмен пакетами.

- Сетевой (3) уровень (Network Layer) отвечает за адресацию пакетов и преобразование логических имен (логических адресов, например, IP-адресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и наоборот). На этом же уровне решается задача выбора пути (маршрута), по которому пакет доставляется к нужному абоненту (если в сети имеется несколько маршрутов). На сетевом уровне действуют такие сложные промежуточные сетевые устройства, как маршрутизаторы. Чаще других на сетевом уровне используются протоколы:

-IP (Internet Protocol) протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP - предоставляет адресную и маршрутную информацию;

-IPX (Internetwork Packet Exchange) протокол межсетевого обмена пакетами, предназначенный для адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell;

-X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов (частично этот протокол реализован на уровне 2).

- Канальный (2) уровень (Data link Layer) отвечает за формирование пакетов (кадров) стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида. Он же производит управление доступом к сети, обнаруживает ошибки передачи путем подсчета контрольных сумм, и производит повторную пересылку приемнику ошибочных пакетов. Канальный уровень делится на два подуровня: верхний LLC и нижний MAC. На канальном уровне работают промежуточные сетевые - коммутаторы. Наиболее часто используемые протоколы на канальном уровне включают:

-IEEE 802.2 LLC обеспечивают MAC для физических сред 802.x;

-X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов;

-Frame relay сеть, организованная из технологий Х25 и ISDN.

- Физический (1) уровень (Physical Layer) – это самый нижний уровень модели OSI, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в данной среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, защите от помех, разъемам, заземлению, электрическому согласованию и т.д. На физическом уровне модели OSI работают такие сетевые устройства, как трансиверы, репитеры и репитерные концентраторы.

Большая часть функций двух нижних уровней модели OSI (1 и 2) обычно реализуются сетевым оборудованием (часть функций уровня 2 – программным драйвером сетевого адаптера). Именно на этих уровнях определяется скорость передачи данных и топология сети, метод управления обменом и формат пакета, то есть то, что имеет непосредственное отношение к типу сети: FDDI, Ethernet, Token-Ring. Более высокие уровни, как правило, не работают напрямую с конкретной аппаратурой, но уровни 3, 4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 никак не связаны с аппаратурой, замены одного типа аппаратуры на другой для них не существенна.

Помимо модели OSI существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (поэтому 802 в названии), которую можно рассматривать как модификацию, развитие, дополнение модели OSI. Стандарты, определяемые этой моделью (спецификации - 802) относятся к двум нижним уровням модели OSI и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер, например:

- 802.3 – локальная сеть с шинной топологией и методом доступа CSMA/CD;

- 802.5 – локальная сеть с топологией кольцо (Token-Ring);

- 802.6 – городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) с расстояниями между сетевыми узлами более 5 км;

- 802.8 – волоконно-оптическая технология;

- 802.11 – беспроводная сеть по радиоканалу (WLAN – Wireless LAN).