Только начали работать сетевым администратором? Не хотите оказаться сбитым с толку? Наша статья вам пригодится. Слышали, как проверенный временем администратор говорит о сетевых неполадках и упоминает какие-то уровни? Может вас когда-нибудь спрашивали на работе, какие уровни защищены и работают, если вы используете старый брандмауэр? Чтобы разобраться с основами информационной безопасности, нужно понять принцип иерархии модели OSI. Попробуем увидеть возможности данной модели.
Уважающий себя системный администратор должен хорошо разбираться в сетевых терминах
В переводе с английского - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем. Точнее, сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO. Введена в 1984 году в качестве концептуальной основы, разделившей процесс отправки данных во всемирной паутине на семь несложных этапов. Она не является самой популярной, так как затянулась разработка спецификации OSI. Стек протоколов TCP/IP выгоднее и считается основной используемой моделью. Впрочем, у вас есть огромный шанс столкнуться с моделью OSI на должности системного администратора или в IT-сфере.
Создано множество спецификаций и технологий для сетевых устройств. В таком разнообразии легко запутаться. Именно модель взаимодействия открытых систем помогает понимать друг друга сетевым устройствам, использующим различные методы общения. Заметим, что наиболее полезна OSI для производителей программного и аппаратного обеспечения, занимающихся проектированием совместимой продукции.
Спросите, какая же в этом польза для вас? Знание многоуровневой модели даст вам возможность свободного общения с сотрудниками IT-компаний, обсуждение сетевых неполадок уже не будет гнетущей скукой. А когда вы научитесь понимать, на каком этапе произошёл сбой, сможете легко находить причины и значительно сокращать диапазон своей работы.
Модель содержит в себе семь упрощённых этапов:
Почему разложение на шаги упрощает жизнь? Каждый из уровней соответствует определённому этапу отправки сетевого сообщения . Все шаги последовательны, значит, функции выполняются независимо, нет необходимости в информации о работе на предыдущем уровне. Единственная необходимая составляющая - способ получения данных с предшествующего шага, и каким образом пересылается информация на последующий шаг.
Перейдём к непосредственному знакомству с уровнями.
Главная задача первого этапа - пересылка битов через физические каналы связи. Физические каналы связи - устройства, созданные для передачи и приёма информационных сигналов. К примеру, оптоволокно, коаксиальный кабель или витая пара. Пересылка может проходить и через беспроводную связь. Первый этап характеризуется средой передачи данных: защитой от помех, полосой пропускания, волновым сопротивлением. Так же задаются качества электрических конечных сигналов (вид кодирования, уровни напряжения и скорость передачи сигнала) и подводятся к стандартным типам разъёмов, назначаются контактные соединения.
Функции физического этапа осуществляются абсолютно на каждом устройстве, подключённом к сети. Например, сетевой адаптер реализовывает эти функции со стороны компьютера. Вы могли уже столкнуться с протоколами первого шага: RS -232, DSL и 10Base-T, определяющими физические характеристики канала связи.
На втором этапе связываются абстрактный адрес устройства с физическим устройством, проверяется доступность среды передачи. Биты сформировываются в наборы - кадры. Основная задача канального уровня - выявление и правка ошибок. Для корректной пересылки перед и после кадра вставляются специализированные последовательности битов и добавляется высчитанная контрольная сумма . Когда кадр достигает адресата, вновь высчитывается контрольная сумма, уже прибывших данных, если она совпадает с контрольной суммой в кадре, кадр признаётся правильным. В ином случае появляется ошибка, исправляемая через повторную передачу информации.
Канальный этап делает возможным передачу информации, благодаря специальной структуре связей. В частности, через протоколы канального уровня работают шины, мосты, коммутаторы. В спецификации второго шага входят: Ethernet, Token Ring и PPP. Функции канального этапа в компьютере исполняют сетевые адаптеры и драйверы к ним.
В стандартных ситуациях функций канального этапа не хватает для высококачественной передачи информации. Спецификации второго шага могут передавать данные лишь между узлами с одинаковой топологией, к примеру, дерева. Появляется необходимость в третьем этапе. Нужно образовать объединённую транспортную систему с разветвлённой структурой для нескольких сетей, обладающих произвольной структурой и различающихся методом пересылки данных.
Если объяснить по-другому, то третий шаг обрабатывает интернет-протокол и исполняет функцию маршрутизатора: поиск наилучшего пути для информации. Маршрутизатор - устройство, собирающее данные о структуре межсетевых соединений и передающее пакеты в сеть назначения (транзитные передачи - хопы). Если вы сталкиваетесь с ошибкой в IP-адресе, то это проблема, возникшая на сетевом уровне. Протоколы третьего этапа разбиваются на сетевые, маршрутизации или разрешения адресов: ICMP, IPSec, ARP и BGP.
Чтобы данные дошли до приложений и верхних уровней стека, необходим четвёртый этап. Он предоставляет нужную степень надёжности передачи информации. Значатся пять классов услуг транспортного этапа. Их отличие заключается в срочности, осуществимости восстановления прерванной связи, способности обнаружить и исправить ошибки передачи. К примеру, потеря или дублирование пакетов.
Как выбрать класс услуг транспортного этапа? Когда качество каналов транспортировки связи высокое, адекватным выбором окажется облегчённый сервис. Если каналы связи в самом начале работают небезопасно, целесообразно прибегнуть к развитому сервису, который обеспечит максимальные возможности для поиска и решения проблем (контроль поставки данных, тайм-ауты доставки). Спецификации четвёртого этапа: TCP и UDP стека TCP/IP, SPX стека Novell.
Объединение первых четырёх уровней называется транспортной подсистемой. Она сполна предоставляет выбранный уровень качества.
Пятый этап помогает в регулировании диалогов. Нельзя, чтобы собеседники прерывали друг друга или говорили синхронно. Сеансовый уровень запоминает активную сторону в конкретный момент и синхронизирует информацию, согласуя и поддерживая соединения между устройствами. Его функции позволяют возвратиться к контрольной точке во время длинной пересылки и не начинать всё заново. Также на пятом этапе можно прекратить соединение, когда завершается обмен информацией. Спецификации сеансового уровня: NetBIOS.
Шестой этап участвует в трансформации данных в универсальный распознаваемый формат без изменения содержания. Так как в разных устройствах утилизируются различные форматы, информация, обработанная на представительском уровне, даёт возможность системам понимать друг друга, преодолевая синтаксические и кодовые различия. Кроме того, на шестом этапе появляется возможность шифровки и дешифровки данных, что обеспечивает секретность. Примеры протоколов: ASCII и MIDI, SSL.
Седьмой этап в нашем списке и первый, если программа отправляет данные через сеть. Состоит из наборов спецификаций, через которые юзер , Web-страницам. Например, при отправке сообщений по почте именно на прикладном уровне выбирается удобный протокол. Состав спецификаций седьмого этапа очень разнообразен. К примеру, SMTP и HTTP, FTP, TFTP или SMB.
Вы можете услышать где-нибудь о восьмом уровне модели ISO. Официально, его не существует, но среди работников IT-сферы появился шуточный восьмой этап. Всё из-за того, что проблемы могут возникнуть по вине пользователя, а как известно, человек находится у вершины эволюции, вот и появился восьмой уровень.
Рассмотрев модель OSI, вы смогли разобраться со сложной структурой работы сети и теперь понимаете суть вашей работы. Всё становится довольно просто, когда процесс разбивается на части!
Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) - абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов.
Модель состоит из 7-ми уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции. Несмотря на существование других моделей, большинство сетевых производителей сегодня разрабатывают свои продукты на основе этой структуры.
Каждый уровень модели OSI отвечает за часть процесса обработки по подготовке данных к передаче по сети.
Согласно модели OSI в процессе передачи данные буквально проходят сверху вниз по уровням модели OSI отправляющего компьютера и вверх по уровням модели OSI принимающего компьютера. На принимающем компьютере происходит процесс, обратный инкапсуляции. Биты прибывают на физический уровень модели OSI принимающего компьютера. В процессе перемещения вверх по уровням OSI принимающего компьютера данные поступят на прикладной уровень.
| Уровень | Название | Описание 1 | Описание 2 |
| 7. | Прикладной | Это уровень, с которым работают пользователи конечных продуктов. Их не волнует, как передаются данные, зачем и через какое место… Они сказали "ХОЧУ!" - а мы, программисты, должны им это обеспечить. В качестве примера можно взять на рассмотрение любую сетевую игру: для игрока она работает на этом уровне. | Когда пользователь хочет отправить данные, например, электронную почту, на прикладном уровне начинается процесс инкапсуляции. Прикладной уровень отвечает за обеспечение сетевого доступа к приложениям. Информация проходит через верхние три уровня и, попадая вниз, на транспортный уровень, считается данными. |
| 6. | Представительский (Введение в XML , SMB) | Здесь программист имеет дело с данными, полученными от низших уровней. В основном, это конвертирование и представление данных в удобоваримом для пользователя виде. | |
| 5. | Сеансовый (TLS , SSL сертификаты для для сайта, почты , NetBios) | Этот уровень позволяет пользователям осуществлять "сеансы связи". То есть именно на этом уровне передача пакетов становится для программиста прозрачной, и он может, не задумываясь о реализации, непосредственно передавать данные, как цельный поток. Здесь на сцену вступают протоколы HTTP, FTP , Telnet, SMTP и т.д. | |
| 4. | Транспортный (Порты TCP , UDP) | Осуществляет контроль над передачей данных (сетевых пакетов). То есть, проверяет их целостность при передаче, распределяет нагрузку и т.д. Этот уровень реализует такие протоколы, как TCP, UDP и т.д. Для нас представляет наибольший интерес. | На транспортном уровне данные разбиваются на более легко управляемые сегменты, или блоки PDU транспортного уровня, для упорядоченной транспортировки по сети. Блок PDU описывает данные так, как они движутся с одного уровня модели OSI на другой. Кроме того, блок PDU транспортного уровня содержит такую информацию, как номера портов, порядковые номера и номера квитирования, которые используются для надежной транспортировки данных. |
| 3. | Сетевой (IP, ICMP протокол диагностики перегрузки сети) | Логически контролирует адресацию в сети, маршрутизацию и т.д. Должен быть интересен разработчикам новых протоколов и стандартов. На этом уровне реализованы протоколы IP, IPX, IGMP, ICMP, ARP. В основном, управляется драйверами и операционными системами. Сюда влезать, конечно, стоит, но только когда ты знаешь, что делаешь, и полностью в себе уверен. | На сетевом уровне каждый сегмент, поступивший с транспортного уровня, становится пакетом. Пакет содержит логическую адресацию и другие управляющие данные уровня 3. |
| 2. | Канальный (WI-FI , Что такое Ethernet) | Этот уровень контролирует восприятие электронных сигналов логикой (радиоэлектронными элементами) аппаратных устройств. То есть, взаимодействуя на этом уровне, аппаратные средства превращают поток битов в электрические сигналы и наоборот. Нас он не интересует, потому что мы не разрабатываем аппаратные средства, чипы и т.д. Уровень касается сетевых карт, мостов, свичей, рутеров и т.д. | На канальном уровне каждый пакет, поступивший с сетевого уровня, становится фреймом. Кадр содержит физический адрес и данные об исправлении ошибок. |
| 1. | Аппаратный (Физический) (лазер, электричество, радио) | Контролирует передачи физических сигналов между аппаратными устройствами, входящими в сеть. То есть управляет передачей электронов по проводам. Нас он не интересует, потому что все, что находится на этом уровне, контролируется аппаратными средствами (реализация этого уровня - это задача производителей хабов, мультиплексоров, повторителей и другого оборудования). Мы не физики-радиолюбители, а геймдевелоперы. | На физическом уровне фрейм становится битами. По сетевой среде биты передаются по одному. |
Мы видим, что, чем выше уровень - тем выше степень абстракции от передачи данных, к работе с самими данными. Это и есть смысл всей модели OSI: поднимаясь все выше и выше по ступенькам ее лестницы, мы все меньше и меньше заботимся о том, как данные передаются, мы все больше и больше становимся заинтересованными в самих данных, нежели в средствах для их передачи. Нас, как программистов, интересуют уровни 3, 4 и 5. Мы должны использовать средства, которые они предоставляют, для того чтобы построить 6 и 7 уровни, с которыми смогут работать конечные пользователи.
На сетевом уровне OSI реализованы протоколы IP(Структура межсетевого протокола IPv4 ,IPv6), IPX, IGMP, ICMP, ARP.
Нужно понимать почему возникла необходимость к построению сетевого уровня, почему сети построенные с помощью средств канального и физического уровня не смогли удовлетворять требования пользователей.
Создать сложную, структурированную сеть с интеграцией различных базовых сетевых технологий, можно и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Естественно в целом трафик в такой сети складывается случайным образом, но с другой стороны он характеризуется и некоторыми закономерностями. Как правило, в такой сети некоторые пользователи, работающие над общей задачей, (например, сотрудники одного отдела) чаще всего обращаются с запросами либо друг к другу, либо к общему серверу, и только иногда им необходим доступ к ресурсам компьютеров другого отдела. Поэтому в зависимости от сетевого трафика компьютеры в сети разделяют на группы, которые называют сегменты сети. Компьютеры объединяются в группу, если большая часть их сообщений предназначена (адресована) компьютерам этой же группы. Разделение сети на сегменты, могут осуществлять мосты и коммутаторы. Они экранируют локальный трафик внутри сегмента, не передавая за его пределы никаких кадров, кроме тех, которые адресованы компьютерам, находящимся в других сегментах. Таким образом, одна сеть распадается на отдельные подсети. Из этих подсетей в дальнейшем могут быть построены составные сети достаточно крупных размеров.
Идея разбиения на подсети - это основа построения составных сетей.
Сеть называется составной (internetwork или internet), если она может быть представлена в виде совокупности нескольких сетей. Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями, каждая из которых может работать на основе собственной технологии канального уровня (хотя это и не обязательно).
Но, воплощение этой идеи в жизнь с помощью повторителей, мостов, и коммутаторов имеет очень существенные ограничения и недостатки.
В топологии сети построенной как с помощью повторителей, так и мостов или коммутаторов, должны отсутствовать петли. Действительно, мост или коммутатор может решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. Хотя в то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет образования резервных путей.
Логические сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами, слабо изолированы друг от друга. Они не защищены от широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Администратор должен вручную ограничивать количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу в единицу времени. В принципе некоторым образом удалось ликвидировать проблему широковещательных штормов с использованием механизма виртуальных сетей(Настройка VLAN Debian D-Link), реализованного во многих коммутаторах. Но в этом случае, хотя и возможно достаточно гибко создавать изолированные по трафику группы станций, но при этом они изолированы полностью, то есть узлы одной виртуальной сети не могут взаимодействовать с узлами другой виртуальной сети.
В сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете. В таких сетях это возможно только с помощью пользовательских фильтров, для задания которых администратору приходится иметь дело с двоичным представлением содержимого пакетов.
Реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровней, к которым относятся мосты и коммутаторы, приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации: в качестве адреса станции получателя используется MAC -адрес - адрес, который жестко связан с сетевым адаптером.
Все приведенные недостатки мостов и коммутаторов связаны только с тем, что они работают по протоколам канального уровня. Все дело в том, что эти протоколы в явном виде не определяют понятие часть сети (или подсеть, или сегмент), которое можно было бы использовать при структуризации большой сети. Поэтому разработчики сетевых технологий решили поручить задачу построения составной сети новому уровню - сетевому.
доступ к сетевой среде. В то же время, канальный уровень управляет процессом размещения передаваемых данных в физической среде. Поэтому канальный уровень разделен на 2 подуровня ( рис. 5.1): верхний подуровень управления логическим каналом передачи данных ( Logical Link Control - LLC ), являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде ( Media Access Control - MAC ). Кроме того, средства канального уровня позволяют обнаруживать ошибки в передаваемых данных.
Рис.
5.1.
Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Передача данных в локальных сетях происходит на сравнительно короткие расстояния (внутри зданий или между близко расположенными зданиями), но с высокой скоростью (10 Мбит/с - 100 Гбит/с). Расстояние и скорость передачи данных определяется аппаратурой соответствующих стандартов.
Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE ) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование канального и физического уровней семиуровневой модели ISO/OSI . Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.3u, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.
Подуровень LLC реализуется программными средствами . На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Подуровень LLC реализует связь с протоколами сетевого уровня , обычно с протоколом IP . Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO/OSI . Существуют также модификации этого протокола.
Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Каждой технологии МАС-уровня (каждому протоколу: 802.3, 802.3u, 802.3zи др.) соответствует несколько вариантов спецификаций (протоколов) физического уровня ( рис. 5.1). Спецификация технологии МАС-уровня - определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных ( скорость передачи , вид среды, узкополосная или широкополосная).
На канальном уровне передающей стороны формируется кадр , в который инкапсулируется пакет . В процессе инкапсуляции к пакету сетевого протокола, например IP , добавляется заголовок и концевик (трейлер) кадра. Таким образом, кадр любой сетевой технологии состоит из трех частей:
На приемной стороне реализуется обратный процесс декапсуляции, когда из кадра извлекается пакет.
Заголовок включает разделители кадров, поля адресов и управления. Разделители кадров позволяют определить начало кадра и обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником. Адреса канального уровня являются физическими адресами. При использовании Ethernet -совместимых технологий адресацию данных в локальных сетях осуществляют МАС-адреса, которые обеспечивают доставку кадра узлу назначения.
Концевик содержит поле контрольной суммы ( Frame Check Sequence - FCS ), которая вычисляется при передаче кадра с использованием циклического кода CRC . На приемной стороне контрольная сумма кадра вычисляется вновь и сравнивается с принятой. Если они совпадают, то считают, что кадр передан без ошибок. При расхождении значений FCS кадр отбрасывается и требуется его повторная передача.
При передаче по сети кадр последовательно проходит целый ряд соединений, характеризующихся разной физической средой. Например, при передаче данных с Узла А на Узел В ( рис. 5.2) данные последовательно проходят через: соединение Ethernet между Узлом А и маршрутизатором А (медь, неэкранированная витая пара ), соединение между маршрутизаторами А и В (волоконно-оптический кабель ), медный кабель последовательного соединения " точка-точка " между маршрутизатором В и беспроводной точкой доступа WAP , беспроводное соединение ( радиоканал ) между WAP и конечным Узлом В. Поэтому для каждого соединения формируется свой кадр специфического формата.
Пакет, подготовленный Узлом А, инкапсулируется в кадр локальной сети, который передается в маршрутизатор А. Маршрутизатор декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по оптической среде. Маршрутизатор В декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по медной среде последовательного соединения " точка-точка ". Беспроводная точка доступа WAP , в свою очередь , формирует свой кадр для передачи данных по радиоканалу на конечный Узел В.
При создании сетей используются различные логические топологии, которые определяют, как узлы общаются через среду, как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: " точка-точка " ( point-to-point ), множественного доступа (multiaccess), широковещательная ( broadcast ) и маркерная ( token passing ).
Совместное использование среды несколькими устройствами реализуется на основе двух основных методов:
На ранних этапах создания Ethernet -сетей использовалась топология " шина ", разделяемая среда передачи данных являлась общей для всех пользователей. При этом реализовался метод множественного доступа к общей среде передачи (протокол 802.3). При этом требовался контроль несущей, наличие которой говорило о том, что какой-то узел уже передает данные по общей среде. Поэтому узел, желающий передать данные, должен был дождаться окончания передачи и при освобождении среды попытаться передать данные.
Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер , у которого адрес сетевого адаптера NIC совпадает с МАС-адресом назначения передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна, для чего узел прослушивает среду.
При одновременной передаче данных двумя или более компьютерами возникает конфликт (коллизия ), когда данные передающих узлов накладываются друг на друга, происходит искажение и потеря информации . Поэтому требуется обработка коллизии и повторная передача участвовавших в коллизии кадров.
Подобный метод недетерминированного (ассоциативного) доступа к среде получил название множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий ( Carrier Sence Multiply Access
Эталонная модель OSI являет собой 7-уровневую сетевую иерархию созданную международной организацией по стандартам (ISO). Представленная модель на рис.1 имеет 2 различных модели:
В вертикальной — соседние уровни меняются информацией с помощью интерфейсов API. Горизонтальная модель требует общий протокол для обмена информацией на одном уровне.
Рисунок — 1
Модель OSI описывает только системные методы взаимодействия, реализуемые ОС, ПО и тд. Модель не включает методы взаимодействия конечных пользователей. В идеальных условиях приложения должны обращаться к верхнему уровню модели OSI, однако на практике многие протоколы и программы имеют методы обращения к нижним уровням.
На физическом уровне данные представлены в виде электрических или оптических сигналов, соответствующие 1 и 0 бинарного потока. Параметры среды передачи определяются на физическом уровне:
Самые распространенные виды спецификаций на этом уровне:
На физическом уровне нельзя вникнуть в смысл данных, так как она представлена в виде битов.
На этом канале реализована транспортировка и прием кадров данных. Уровень реализует запросы сетевого уровня и использует физический уровень для приема и передачи. Спецификации IEEE 802.x делят этот уровень на два подуровня управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). Самые распространенные протоколы на этом уровне:
Также на этом уровне реализуется обнаружение и исправление ошибок при передаче. На канальном уровне пакет помещается в поле данных кадра — инкапсуляция. Обнаружение ошибок возможно с помощью разных методов. К примеру реализация фиксированных границ кадра, или контрольной суммой.
На этом уровне происходит деление пользователей сети на группы. Здесь реализуется маршрутизация пакетов на основе MAC-адресов. Сетевой уровень реализует прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень. На этом уровне стираются границы сетей разных технологий. работают на этом уровне. Пример работы сетевого уровня показан на рис.2 Самые частые протоколы:
Рисунок — 2
На этом уровне потоки информации делятся на пакеты для передачи их на сетевом уровне. Самые распространенные протоколы этого уровня:
На этом уровне происходит организация сеансов обмена информацией между оконечными машинами. На этом уровне идет определение активной стороны и реализуется синхронизация сеанса. На практике многие протоколы других уровней включают функцию сеансового уровня.
На этом уровне происходит обмен данными между ПО на разных ОС. На этом уровне реализовано преобразование информации ( , сжатие и тд) для передачи потока информации на транспортный уровень. Протоколы уровня используются и те, что используют высшие уровни модели OSI.
Прикладной уровень реализует доступ приложения в сеть. Уровень управляет переносом файлов и управление сетью. Используемые протоколы:
Понятие «открытая система»
В широком смысле открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.
Напомним, что под термином «спецификация» (в вычислительной технике) понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Понятно, что не всякая спецификация является стандартом. В свою очередь, под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.
Использование при разработке систем открытых спецификаций позволяет третьим сторонам разрабатывать для этих систем различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей.
Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом. Как правило, даже в системах, называемых открытыми, этому определению соответствуют лишь некоторые части, поддерживающие внешние интерфейсы. Например, открытость семейства операционных систем Unix заключается, кроме всего прочего, в наличии стандартизованного программного интерфейса между ядром и приложениями, что позволяет легко переносить приложения из среды одной версии Unix в среду другой версии. Еще одним примером частичной открытости является применение в достаточно закрытой операционной системе Novell NetWare открытого интерфейса Open Driver Interface (ODI) для включения в систему драйверов сетевых адаптеров независимых производителей. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем более открытой она является.
Модель OSI касается только одного аспекта открытости, а именно открытости средств взаимодействия устройств, связанных в вычислительную сеть. Здесь под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.
Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества:
возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;
возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами;
возможность легкого сопряжения одной сети с другой;
простота освоения и обслуживания сети.
Ярким примером открытой системы является международная сеть Internet. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке ее стандартов принимали участие тысячи специалистов-пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм-производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения, работающих в разных странах. Само название стандартов, определяющих работу сети Internet - Request For Comments (RFC), что можно перевести как «запрос на комментарии», - показывает гласный и открытый характер принимаемых стандартов. В результате сеть Internet сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру.
Модель OSI
Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI.
В модели OSI взаимодействие делится на семь уровней или слоев (рис. 1.1). Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия. Таким образом, проблема взаимодействия декомпозирована на 7 частных проблем, каждая из которых может быть решена независимо от других. Каждый уровень поддерживает интерфейсы с выше- и нижележащими уровнями.
Рис. 1.1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Следует иметь в виду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, в таком случае, при необходимости межсетевого обмена оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.
Приложение конечного пользователя может использовать системные средства взаимодействия не только для организации диалога с другим приложением, выполняющимся на другой машине, но и просто для получения услуг того или иного сетевого сервиса, например, доступа к удаленным файлам, получение почты или печати на разделяемом принтере.
Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловому сервису. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата, в которое помещает служебную информацию (заголовок) и, возможно, передаваемые данные. Затем это сообщение направляется представительному уровню. Представительный уровень добавляет к сообщению свой заголовок и передает результат вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. Некоторые реализации протоколов предусматривают наличие в сообщении не только заголовка, но и концевика. Наконец, сообщение достигает самого низкого, физического уровня, который действительно передает его по линиям связи.
Когда сообщение по сети поступает на другую машину, оно последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет заголовок своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции и передает сообщение вышележащему уровню.
Кроме термина "сообщение" (message) существуют и другие названия, используемые сетевыми специалистами для обозначения единицы обмена данными. В стандартах ISO для протоколов любого уровня используется такой термин как "протокольный блок данных" - Protocol Data Unit (PDU). Кроме этого, часто используются названия кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram).
Функции уровней модели ISO/OSI
Физический уровень . Этот уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, такие как требования к фронтам импульсов, уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных на кабеле, и другие характеристики среды и электрических сигналов.
Канальный уровень. На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.
В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка - точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP-B.
Сетевой уровень. Этот уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами. Рассмотрим функции сетевого уровня на примере локальных сетей. Протокол канального уровня локальных сетей обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующейтиповой топологией . Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, используется дополнительный сетевой уровень. На этом уровне вводится понятие "сеть". В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.
Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень.
Сообщения сетевого уровня принято называтьпакетами (packets) . При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие"номер сети" . В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.
Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того, чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач (hops) между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.
Проблема выбора наилучшего пути называетсямаршрутизацией и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту, оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время, как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.
На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. К сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией . С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.
Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.
Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. 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.
Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является вся система транспортировки данных в сети. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое, и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок - с помощью предварительного установления логического соединения, контроля доставки сообщений с помощью контрольных сумм и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т.п.
Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.
Сеансовый уровень. Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того, чтобы начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.
Уровень представления. Этот уровень обеспечивает гарантию того, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. При необходимости уровень представления выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером протокола, работающего на уровне представления, является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
Прикладной уровень. Прикладной уровень - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message) .
Существует очень большое разнообразие протоколов прикладного уровня. Приведем в качестве примеров хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых сервисов: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.
Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, сервисами, предоставляемыми на верхних уровнях и прочими параметрами.
