Сетевая модель OSI (Open System Interconnection)

Сегодня мы поговорим о самом главном, об основах сетевых технологий и на чем все держится.

Пожалуй, ключевым понятием в стандартизации сетей и всего, что к ним относится, является модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection. OSI), разработанная международной организацией по стандартам (International StandardsOrganization. ISO). На практике применяется название модель ISO/OSI.

Описываемая модель состоит из семи уровней. Каждый уровень отвечает за опре­деленный круг задач, выполняя их с помощью специальных алгоритмов — стандар­тов. Основная задача достичь глобальной цели, поэтому уровни модели связа­ны между собой. Таким образом, выполнив свою часть задачи, каждый уровень передаст готовые данные следующему уровню. В результате прохождения такой пеночки данные полностью обрабатываются, и их можно использовать.

В зависимости от назначения уровни получили следующие названия: физичес­кий. канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления дан­ных и прикладной.

Основные отличия между проводными (Ethernet802.3) и беспроводными (IEEE802.11) сетями кроются только в двух НИЖНИХ уровнях — физическом и каналь­ном. Остальные уровни работают абсолютно одинаково, без каких-либо отличий.

Сетевая модель OSI (OSI reference model), обнародованная в 1984 году, была описательной схемой, созданной организацией ISO. Эта эталонная модель предоставила производителям оборудования набор стандартов, которые обеспечили большую совместимость и более эффективное взаимодействие различных сетевых технологий и оборудования, производимого многочисленными компаниями во всем мире. Эталонная модель OSI является первичной моделью, используемой в качестве  основы для сетевых коммуникаций.

Хотя существуют и другие модели, большинство производителей оборудования и программного обеспечения ориентируются на эталонную модель OSI, особенно когда желают обучить пользователей работе с их продуктами. Эталонная модель OSI в настоящее время считается наилучшим доступным средством обучения пользователей принципам работы сетей и механизмам отправки и получения данных по сети.

Эталонная модель OSI определяет сетевые функции, выполняемые каждым ее уровнем. Что еще более важно, она является базой для понимания того, как информация передается по сети. Кроме того, модель OSI описывает, каким образом информация или пакеты данных перемещается от программ»приложений (таких, как электронные таблицы или текстовые процессоры) по сетевой передающей среде (такой, как провода) к другим программам»приложениям, работающим на другом компьютере этой сети, даже если отправитель и получатель используют разные виды передающих сред.

Уровни сетевой модели OSI (так же называемой эталонной моделью OSI)

Сетевая модель OSI содержит семь пронумерованных уровней, каждый из которых выполняет свои особые функции в сети.

• Уровень 7 — уровень приложений.
• Уровень 6 — уровень представления данных.
• Уровень 5 — сеансовый уровень.
• Уровень 4 — транспортный уровень.
• Уровень 3 — сетевой уровень.
• Уровень 2 — канальный уровень.
• Уровень 1 — физический уровень.

Такое разделение выполняемых сетью функций называется делением на уровни. Подразделение сети на семь уровней обеспечивает следующие преимущества:

• процесс сетевой коммуникации подразделяется на меньшие и более простые этапы;
• стандартизируются сетевые компоненты, что позволяет использовать и поддерживать в сети оборудование разных производителей;
• подразделение процесса обмена данными на уровни позволяет осуществлять связь между различными типами аппаратного и программного обеспечения;
• изменения на одном уровне не влияют на функционирование других уровней, что позволяет быстрее разрабатывать новые программные и аппаратные продукты;
• коммуникация в сети подразделяется на компоненты меньшего размера, что облегчает их изучение.

Уровни сетевой модели OSI и их функции

Уровень 1 — физический уровень

Физический уровень первый, самый низкий, уровень. Фактически он представля­ет собой аппаратную часть сети и описывает способ передачи данных, используя для этого любой имеющийся «под руками» канал — проводной или беспроводной. В за­висимости от выбранного канала передачи данных используют соответствующее сетевое оборудование. Параметры передачи данных следует настраивать с учетом особенностей канала: полос пропускания, защиты от помех, уровня сигнала, копирования, скорости передачи данных в физической среде и т. п.

Фактически всю описанную работу выполняет сетевое оборудование: сетевая кар та, мост, маршрутизатор и т. д.

Физический уровень один из уровней, который отличает беспроводные сети от проводных. Как вы уже, несомненно, поняли, основное отличие между ними заключается в канале передачи данных. Для проводных сетей это радиоволны определенной частоты или инфракрасное излучение, для беспроводных — любая физическая линия, например коаксиал, витая пара или оптоволокно.

Уровень 2 — канальный уровень

Главная задача канального уровня удостовериться, что канал готов к передаче данных и ничто не станет угрожать надежности этой операции и целостности передаваемых пакетов. В идеале протоколы канального уровня и сетевое оборудование должны проверить, свободен ли канал для передачи данных, не имеется ли коллизий передачи и т. п.

Такую проверку необходимо выполнять каждый раз, так как локальная сеть чаше всего состоит более, чем из двух компьютеров (хотя даже в таком случае канал может быть занят). Обнаружив, что канал свободен, элементы этого уровня де­лят данные, которые необходимо передать другому компьютеру, на более мел­кие части — кадры. Затем каждый кадр снабжается контрольной сумой и отсылается. Приняв этот кадр, получатель проверяет контрольные суммы и. если они совпадают, принимает его и посылает отправителю подтверждение о достав­ке В противном случае получатель игнорирует кадр и фиксирует ошибку, после чего кадр передастся заново. Так. кадр за кадром, передастся необходимая ин­формация.

На канальном уровне, как и па физическом, также существуют различия между проводными и беспроводными сетями. Это связано со спецификой сетевого обо­рудования. Так. доступное на данный момент беспроводное оборудование работает только в полудуплексном режиме: в один момент времени данные могут только приниматься или только передаваться. Этот недостаток резко уменьшает эффек­тивность обнаружения коллизий в сети и, соответственно, понижает скорость пе­редачи данных.

Поскольку модель ISO/OSI  жестко регламентирует действия каждого уровня, то разработчикам пришлось немного модернизировать протоколы канального уровня для работы в беспроводных сетях. В частности, для беспроводной переда­чи данных используются протоколы CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, много станционный доступ к среде передачи с контролем не­сущей и избежанием коллизий) или DCF (Distributed Coordination Function, рас­пространяемая координирующая функция).

Протокол CSMA/CA предназначен для обнаружения конфликтов при передаче данных. Он использует явное подтверждение доставки данных, сообщающее о том. что передаваемый пакет доставлен и не поврежден.

Данный метод работает следующим образом. Когда одни компьютер собирается передать информацию другому, он посылает всем компьютерам сети короткое сооб­щение RTS (ReadyТо Send, готов к передаче), содержащее информацию о получателе и времени, необходимом для передачи данных. Получив такой пакет, все компьютеры прекращают на указанный промежуток времени передачу собственных данных. Компьютер, для которого предназначен пакет, отсылает отправителю сооб­щение CTS (ClearТо Send, свободен для передачи) о готовности к приему данных Получив такое сообщение, компьютер-отправитель пересылает первую порцию дан­ных и ждет подтверждения доставки пакета. После такого подтверждения передача данных продолжается. Если сообщение об успешной доставке не пришло, то компь­ютер-отправитель повторно передает необходимый пакет.

Такой метод передачи гарантирует доставку пакетов данных, однако в го же вре­мя заметно снижает скорость передачи. Именно поэтому беспроводные сети намного медленнее проводных и останутся таковыми надолго, если не навсегда. Что­бы хоть как-то повысить скорость передачи данных но таким сетям, специальный протокол канального уровня фрагментирует пересылаемые пакеты (разбивает их на более мелкие части), что увеличивает шанс их удачной передачи.

Уровень 3 — сетевой уровень

Как и канальный уровень, сетевой отвечает за передачу данных между компьюте­рами. Для этого он использует сформированные данные и параметры двух преды­дущих уровней физического и канального. Главное отличие сетевого уровня от канального заключается в том, что он умеет передавать данные между сетями с равной топологией — комбинированными. Так, очень часто беспроводные и про­водные сети используются в паре. Чаше всего это происходит, если но определен­ным причинам создать единую проводную сеть физически невозможно.

На сетевом уровне, как и на канальном, данные делятся на пакеты, что позволяет дос­тичь качества и определенной скорости их передачи. Однако, в отличие от канально­го, сетевой уровень выбирает для передачи данных конкретный маршрут. Процесс выбора оптимального маршрута передачи данных называется маршрутизирующий.

Как правило, информацию о выборе маршрута предоставляют специальные уст­ройства, установленные в сети, — маршрутизаторы. Специальные таблицы мар­шрутизаторов содержат информацию о скорости передачи данных между отдель­ными сегментами и сетевом трафике, среднем времени передачи и т. д. Основываясь на этой информации, протоколы сетевого уровня могут выбрать оптимальный путь прохождения данных.

Уровень 4 — транспортный уровень

Пожалуй, транспортный уровень можно отнести к более высоким. Это означает, что данным уровнем управляет программа, а не аппаратные средства.

Транспортный уровень отвечает за надежность передачи данных. Существует не­сколько способов передачи, которые отличаются друг от друга степенью защищен­ности и возможностью исправления ошибок. Естественно, это сказывается на вре­мени и скорости передачи информации между конкретными точками.

Способ передачи данных выбирается автоматически, с помощью анализа инфор­мации маршрутизаторов сети. Если анализ показывает, что конфликты в сети минимальны, то используется самый простой (а значит, самый быстрый) способ. В противном случае выбирается способ передачи высокой степени надежности с возможностью исправления поврежденных пакетов (этот способ передачи, ко­нечно, более медленный). Какой бы способ ни был выбран, в любом случае ин­формация будет доставлена в целостном виде.

Уровень 5 — сеансовый уровень

Сеансовый уровень предназначен для контроля передачи пакетов между компьютера­ми. В процессе синхронизации принятых и отправленных пакетов протоколы сеансо­вой) уровня отслеживают недостающие данные и передают их заново. За счет работы только с недостающими пакетами достигается повышение скорости передачи данных.

Уровень 6 — уровень представления данных

На уровне представления данные приводятся к единому стандарту, что позволя­ет достичь договоренности при их приеме и передаче. Именно на этом уровне данные могут шифроваться, что повышает безопасность их передачи но сети. Кроме того, часто на уровне представления происходит компрессия информа­ции, благодаря чему повышается скорость передачи данных.

Уровень представления реализуется программно, что позволяет использовать для шифрования данных новейшие достижения.

Уровень 7 — уровень приложений

Прикладной уровень — самый верхний уровень модели 1SO/OSI. Его задача организация взаимодействия с прикладными программами. За это отвечает мно­жество прикладных протоколов, с помощью которых операционная система и про­граммы получают доступ к разнообразным ресурсам сети.

P.S. Сетевая модель OSI не зря считается эталонной моделью, т.к. позволяет стандартизировать различные сетевые технологии, обеспечивает взаимодействие сетевых устройств и приложений разных уровней. Четкое понимание деления на уровни дает полное представление об организации работы компьютерных сетей. Если что-то непонятно сейчас, то нужно восполнить этот пробел сейчас, т.к. изучение более сложных вещей будет очень затруднено.

На практике используется более простая сетевая модель TCP/IP, которая имеет 4 уровня.

Пока это все. Если у Вас еще есть вопросы, можете смело написать мне в, Twitter, or Google+, или задать их в разделе комментариев ниже.