Bfsoft.ru

Программы, сервисы, полезные советы о компьютере и интернете
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Уровни модели OSI

Простое пособие по сетевой модели OSI для начинающих

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:

  • Media layers (уровни среды),
  • Host layers (уровни хоста).

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).

Читайте так же:
Как покупать на Amazon правильно

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.

Сетевая модель OSI [ править ]

Сетевая модель OSI (англ. open systems interconnection basic reference model) — концептуальная модель, которая обобщает и стандартизирует представление средств сетевого взаимодействия в телекоммуникационных и компьютерных системах, независимо от их внутреннего устройства и используемых технологий. Модель OSI была разработана в 1984 году Международной организацией стандартизации (ISO). Основной целью ее создания был поиск решения проблемы несовместимости устройств, использующих различные коммуникационные протоколы, путем перехода на единый, общий для всех систем стек протоколов.

Общая характеристика модели [ править ]

OSI состоит из двух основных частей:

  • абстрактная модель сетевого взаимодействия (семиуровневая модель)
  • набор специализированных протоколов взаимодействия

Концепция семиуровневой модели была описана в работе Чарльза Бахмана. Данная модель подразделяет коммуникационную систему на уровни абстракции (англ. «abstraction layers»). В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень:

  • имеет дело с совершенно определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств
  • обслуживает уровень, находящийся непосредственно над ним, и обслуживается уровнем, находящимся под ним

Протоколы связи же решают две задачи: они обеспечивают взаимодействие между сущностями, находящимися на одном и том же уровне абстракции, но на разных хостах и абстрактно описывают функционал, который (N-1)-ый уровень предоставляет (N)-ому, где N — один из 7 уровней модели OSI. В рамках модели, любой протокол может взаимодействовать либо с протоколами своего уровня (горизонтальные взаимодействия), либо с протоколами уровня на единицу выше/ниже своего уровня (вертикальные взаимодействия).

Каждый из семи уровней характеризуется типом данных (PDU, сокращение от англ. protocol data units), которым данный уровень оперирует и функционалом, который он предоставляет слою, находящемуся выше него. Предполагается, что пользовательские приложения обращаются только к самому верхнему (прикладному) уровню, однако на практике это выполняется далеко не всегда.

Описание уровней модели OSI [ править ]

УровеньФункцииPDUПримеры
7. ПрикладнойНекоторое высокоуровневое APIДанныеHTTP, FTP
6. ПредставительскийПредставление данных между сетевым сервисом и приложениемДанныеASCII, EBCDIC, JPEG
5. СеансовыйУправление сеансами: продолжительный обмен информацией в виде множества передач между нодамиДанныеRPC, PAP
4. ТранспортныйНадёжная передача сегментов между двумя нодами в сетиСегменты/ДатаграммыTCP, UDP
3. СетевойСтруктуризация и управление множеством нод в сетиПакетыIPv4, IPv6
2. КанальныйНадёжная передача датафреймов между двумя нодами соединённых физическим уровнемФреймыPPP, IEEE 802.2, Ethernet
1. ФизическийПередача и приём потока байтов через физическое устройствоБитыUSB, витая пара
Читайте так же:
Как покупать на AliExpress правильно

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

Инкапсуляция [ править ]

Аналогичный пример инкапсуляции данных в UDP

Инкапсуляция (англ. encapsulation) — метод проектирования протоколов в которой логически независимые функции сети не зависят от реализации нижележащих механизмов с помощью включения этих механизмов в более высокоуровневые объекты.

Читайте так же:
SSID сети — что это?

Физический уровень ответственен за физическую передачу данных. IP предоставляет глобальный способ адресации устройств. TCP добавляет возможность выбора приложения (порт).

Во время инкапсуляции каждый уровень собирает свой собственный PDU, добавляя некоторый заголовок с контрольной информацией к PDU с более высокого уровня.

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.

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

Уровни

Представим себе, что у нас есть два компьютера. Один принадлежит Василию, а второй Диме. Они подключены к одной сети. Василий отправил письмо напрямую к Диме. Теперь встает вопрос – а как теперь это письмо передать по сетевому кабелю? Как мы можем вспомнить компьютер может понимать только одну информацию – нулей (0) и единиц (1).

Также и по кабелю мы не можем передать информацию в обычном буквенном виде. И то если письмо содержит только буквы. Тогда встает вопрос о том, чтобы как-то перевести данное письмо на второе устройство. Именно для этих целей и нужна эталонная модель OSI с 7 уровнями.

При отправке письма информация проходит 7 стадий от верхнего к нижнему уровню, чтобы перевести его в обычные биты. Далее эти биты передаются по кабелю к компьютеру Димы. И уже его устройство делает обратный процесс – перевод битов в понятное для человека письмо.

При этом чаще всего используются протоколы TCP/IP. Когда вы будете читать любую информацию по данной теме, смотреть таблицы, то помните, что сейчас используются именно протоколы модели TCP/IP. Те же протоколы, которые описаны в таблицах, есть, но они уже давно устарели и являются просто ознакомительной информацией.

Давайте взглянем на все уровни OSI 7, и вам станет немного понятнее, о чем я говорю:

  • Уровень 7 – Прикладной – application.
  • Уровень 6 – Представительский – presentation.
  • Уровень 5 – Сеансовый – session.
  • Уровень 4 – Транспортный – transport.
  • Уровень 3 – Сетевой –
  • Уровень 2 – Канальный – data link.
  • Уровень 1 – Физический – physical layer.

Нумерация идет сверху вниз от высокого до низшего уровня: от седьмого прикладного уровня до первого – физического.

ПРИМЕЧАНИЕ! Для специалистов я советую выписать и запомнить все уровни в нужном порядке. Также нужно запомнить и английские названия, так как они часто встречаются в книгах и на иностранных порталах, посвященных данной тематике.

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

Каждый уровень выполняет определенные цели для перевода информации из одного вида в другой. Также вы можете видеть, что информация передается в разном виде. Почти у каждого уровня есть свой PDU (protocol data unit) или единица измерения информационных данных. Например, на физическом (самом низком уровне) – это обычные биты или последовательность нулей и единиц, которые уже можно передавать по кабелю.

Почти каждый сетевой уровень оперирует своими протоколами данных. Можно посмотреть примерную последовательность перехода информации от одного вида PDU в другой:

  1. С седьмого по пятый уровень – идет операция с данными.
  2. Далее на транспортном уровне данные переводятся в сегменты или дейтаграммы.
  3. На сетевом уровне они переводятся в пакеты.
  4. Далее идет перевод в кадры или фреймы.
  5. Ну и в самом конце вся информация переводится в обычные биты.

Также, исходя из таблицы, вы можете заметить два названия:

  • Media Layers (нижние уровни) – чаще всего уже используются в коммутаторах, маршрутизаторах, хабах – где идет задача передачи информации по кабелю.
  • Host Layers (верхние уровни) – используются уже на самих устройствах: телефонах, планшетах, компьютерах, ноутбуках и т.д.

Это примерное разделение всех уровней на две градации. Самые интересные из уровней – это как раз класс «Media Layers», так как ими чаще всего и оперируют сетевые инженеры. И они же за них отвечают головой.

ПРИМЕЧАНИЕ! Вы можете посмотреть в таблицу на протоколы модели OSI, и вам станет примерно понятен уровень взаимодействия данных при передаче и приеме.

Принцип работы

Для удобства представления работы 7-ми уровней модели OSI давайте посмотрим на картинку ниже.

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

У нас есть два компьютера, которые на определенном уровне могут взаимодействовать только по протоколам. Можно сказать – это определенные вид данных, который понятен компьютерам на выделенном уровне. Например, на физическом уровне модели OSI используются протоколы, а данные передаются битами. На том же канальном уровне модели OSI информация передается кадрами используя свои протоколы.

Но для перевода информации от одного уровня к другому используются специальные службы. Также обратите внимание, что на транспортном уровне данные впервые разбиваются на сегменты. Каждый сегмент имеет «нумерованную» метку. Данная метка нужна, чтобы второе принимающее устройство поняло – в каком порядке склеивать эти сегменты, чтобы получить нужные данные. Далее на других уровнях идет разбиение на пакеты, кадры и в самом конце на биты. Пакеты, кадры также имеют свои очередные метки.

Немножко поподробнее о том, каким образом идет перевод информации с одного уровня на другой. Советую прям вникнуть в эту информацию, так как это нужно для понимания всей сути модели OSI. Если что-то будет непонятно, то прочтите её ещё раз или можете спросить меня какие-то нюансы ниже в комментариях. Чтобы было наглядно понятнее, давайте посмотрим на картинку ниже – тут представлена схема перевода информации к разному виду по всем уровням сетевой модели OSI.

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

  1. Первые 3 верхних уровня: прикладной, представительский и сеансовый – оперируют данными почти в чистом виде. Поэтому про них говорить нет смысла. Но я напишу о них пару строк в самом конце статьи.
  2. Далее на транспортном уровне OSI с помощью служб данные переходят в Сегменты (Дейтаграммы). Посмотрите внимательно как это происходит. Идет разбиение на несколько сегментов. Каждому сегменту приписывается заголовок, которые нужен для того, чтобы знать в каком порядке нужно соединять данные сегменты в будущем. Можно сказать, что сегмент – это фрагмент данных с заголовком.
  3. На этом этапе из транспортного уровня сегменты переводятся в пакеты. Это происходит достаточно просто – каждому сегменты, приписывается свой заголовок пакета. Наверное, вы уже заметили, что наша информация растет в размерах. Как раз из-за дописания заголовков. В итоге пакеты имеют больший размер чем сегменты.
  4. Далее информация из пакетов переходит на нижележащий канальный уровень. И так давайте перечислим все то, что у нас тут есть:
    1. Сегменты – данные с заголовком сегмента.
    2. Заголовок пакета, который расположен выше сегмента.
    3. Заголовок кадра, который приписывается пакету.
    4. Подсчитывается контрольная сумма и приписывается каждой доле информации. Она необходима для того, чтобы принимающая информация поняла, что получила нужную информацию. В общем для проверки. Если контрольная сумма будет неправильной, то принимающий компьютер может запросить повторную отправку данных.

    Весь этот процесс запаковки данных называется инкапсуляцией данных. Когда информация дойдет до принимающего компьютера начнется обратный процесс – декапсуляции данных, которая проходит по той же схеме, только в обратно порядке.

    Уровень 1 – Физический

    Физический или первый уровень – является самым низшим уровнем, так как передаваемая информация имеет вид нулей и единиц. При этом могут использоваться различные протоколы, от которых зависит вид этих самых нулей и единиц. На данном уровне может определяться топология сетей и передача данных по ним.

    Разделяют два вида передачи битовых потоков:

    • Дуплексная – когда устройство может одновременно принимать и отправлять данные. Например, во время игры, когда приложению нужно постоянно получать и отправлять информацию. По-другому ещё называется – двунаправленная передача.
    • Полудуплексная – когда устройство может только принимать, либо отправлять данные. Можно сравнить с потоком. Ещё называют – однонаправленная передача данных.

    На физическом уровне на данный момент используют несколько сред. При кабельном подключении используют витую пару или оптоволокно. Коаксиальный кабель используется, но реже. Есть ещё беспроводная среда, в которой используются радиоволны: 802.11 Wi-Fi, Bluetooth, DSL, GSM и т.д.

    Тут нужно определять не только среду, но и тип подключения (портов), а также дальность, на которую можно передать информацию при использовании кабельной или беспроводной среды.

    Советую почитать про среды физического уровня отдельно:

    Уровень 2 – Канальный

    Данный уровень в семиуровневой модели является одним из самых главных, так как тут появляется адресация. Чтобы знать, куда нужно передавать информацию в сети, которая может состоять из сотни устройств – нужно использовать адреса. На канальном уровне используются MAC-адреса.

    Также этот уровень умеет связывать два устройства с помощью последовательности команд. С помощью команд можно запросить повторную отправку данных, если они пришли не в том виде, или контрольная сумма не прошла на определенном кадре. Именно на канальном уровне чаще всего работают коммутаторы, так как адресация между устройствами идет именно с помощью таблицы коммутации, в которой содержатся MAC-адреса подключенных устройств.

    Уровень 3 – Сетевой уровень

    Сетевой уровень работает с протоколами, которые используют IP адресацию. К таким устройствам относят почти все оборудование, но чаще в пример приводят роутеры (маршрутизаторы). Есть, конечно, и коммутаторы, которые работают на данном уровне.

    Сетевой уровень решает важную задачу передачи пакетов нужному узлу. Например, отдаленный компьютер может находиться в другой подсети или вообще в другой сети. Тогда для отправки пакетов и определяется оптимальный путь до конечного узла.

    Обязательно читаем подробную статью про роутер.

    Уровень 4 – Транспортный

    Транспортный уровень – позволяет напрямую обмениваться данными между двумя узлами. Например, протокол TCP используется для передачи четкой информации: картинки, тексты, файлы. UDP же чаще всего используются в потоках: видео, аудио, онлайн-игры и т.д.

    При этом часто используется сквозное соединение, когда данные отправляются напрямую. Также транспортный уровень первый, который взаимодействует с прямыми данными и сеансовым уровнем.

    Например, для связи устройств в канальном уровне используется физическая топология сетей. На сетевом уровне логическая топология. А вот на данном уровне идет прямая связь «узел-узел». Например, если вы заходите на какой-то сайт, то вы напрямую связываетесь с определённым сервером через DNS или IP адрес.

    Уровень 5 – Сеансовый

    Окончательно переводит сегменты или дейтаграммы в уже понятные компьютеру данные. Также на этом этапе может быть разрыв прямой связи между отправляющим или передающим компьютером.

    Уровень 6 – Представительский

    Окончательно переводит информацию к определенному виду данных, уже понятному для человека. Один из примеров – это кодировка текста. Когда данные приходят в кодировке ASCII, а их нужно перевести в UTF-8 или в другой вид.

    Уровень 7 – Прикладной уровень

    Уровень, который представляет данные в презентабельном для человека виде. Именно этот уровень также обменивается информацией напрямую с пользователем. Один из часто встречаемых протоколов на последнем уровне – это протокол HTTPS, которые позволяет представлять и читать данные в браузере.

    Видео

    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

    системный администратор картинка

    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:

    • отправитель;
    • получатель;
    • отправляемые и получаемые данные.

    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:

    • сжатие информации для увеличения пропускной способности канала;
    • шифрование данных для защиты от злоумышленников;
    • отправка запросов на прекращение сеанса связи.

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

    7 уровень – прикладной (L7)

    схема модели OSI

    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:

    • DNS;
    • FTP;
    • BOOTP;
    • BitTorrent;
    • NFS;
    • RTP;
    • SMTP и т. д.

    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.

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию