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.
Современный мир ИТ - огромная ветвящаяся сложная для понимания структура. Чтобы упростить понимание и улучшить отладку ещё на этапе проектирования протоколов и систем была использована архитектура модульности. Нам гораздо проще выяснить, что проблема в видеочипе, когда видеокарта идет отдельным от остального оборудования устройством. Или заметить проблему в отдельном участке сети, чем перелопачивать всю сеть целиком.
Отдельно взятый пласт ИТ - сеть - тоже построена модульно. Модель функционирования сети назывется сетевая модель базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI. Кратко - модель OSI.
Модель OSI состоит из 7 уровней. Каждый уровень абстрагирован от других и ничего не знает о их существовании. Модель OSI можно сравнить с устройством автомобиля: двигатель выполняет свою работу, создавая крутящий момент и отдавая его коробке передач. Двигателю абсолютно без разницы что дальше будет происходить с этим крутящим моментом. Будет он крутить колесо, гусеницу или пропеллер. Точно так же как и колесу нет никакого дела откуда к нему пришел этот крутящий момент - от двигателя или рукоятки, которую крутит механик.
Здесь необходимо добавить понятие полезной нагрузки. Каждый уровень несет в себе какое-то количество информации. Часть этой информации является служебной для этого уровня, например, адрес. IP-адрес сайта не несет для нас никакой полезной информации. Нам важны только котики, которых нам показывает сайт. Так вот эта полезная нагрузка переносится в той части уровня, который называется protocol data unit (PDU).
Уровни Модели OSI
Рассмотрим каждый уровень Модели OSI подробнее.
1 уровень. Физический (physical ). Единицей нагрузки (PDU ) здесь является бит. Кроме единиц и нулей физический уровень не знает ничего. На этом уровне работают провода, патч панели, сетевые концентраторы (хабы, которые сейчас уже сложно найти в привычных нам сетях), сетевые адаптеры. Именно сетевые адаптеры и ничего более из компьютера. Сам сетевой адаптер принимает последовательность бит и передает её дальше.
2 уровень. Канальный (data link ). PDU - кадр (frame ). На этом уровне появляется адресация. Адресом является MAC адрес. Канальный уровень ответственен за доставку кадров адресату и их целостность. В привычных нам сетях на канальном уровне работает протокол ARP. Адресация второго уровня работает только в пределах одного сетевого сегмента и ничего не знает о маршрутизации - этим занимается вышестоящий уровень. Соответственно, устройства, работающие на L2 - коммутаторы, мосты и драйвер сетевого адаптера.
3 уровень. Сетевой (network ). PDU пакет (packet ). Наиболее распространенным протоколом (дальше не буду говорить про “наиболее распространенный” - статья для новичков и с экзотикой они, как правило, не сталкиваются) тут является IP. Адресация происходит по IP-адресам, которые состоят из 32 битов. Протокол маршрутизируемый, то есть пакет способен попасть в любую часть сети через какое-то количество маршрутизаторов. На L3 работают маршрутизаторы.
4 уровень. Транспортный (transport ). PDU сегмент (segment )/датаграмма (datagram ). На этом уровне появляются понятия портов. Тут трудятся TCP и UDP. Протоколы этого уровня отвечают за прямую связь между приложениями и за надежность доставки информации. Например, TCP умеет запрашивать повтор передачи данных в случае, если данные приняты неверно или не все. Так же TCP может менять скорость передачи данных, если сторона приема не успевает принять всё (TCP Window Size).
Следующие уровни “правильно” реализованы лишь в RFC. На практике же, протоколы описанные на следующих уровнях работают одновременно на нескольких уровнях модели OSI, поэтому нет четкого разделения на сеансовый и представительский уровни. В связи с этим в настоящее время основным используемым стеком является TCP/IP, о котором поговорим чуть ниже.
5 уровень. Сеансовый (session ). PDU данные (data ). Управляет сеансом связи, обменом информации, правами. Протоколы - L2TP, PPTP.
6 уровень. Представительский (presentation ). PDU данные (data ). Преставление и шифрование данных. JPEG, ASCII, MPEG.
7 уровень. Прикладной (application ). PDU данные (data ). Самый многочисленный и разнообразный уровень. На нем выполняются все высокоуровненвые протоколы. Такие как POP, SMTP, RDP, HTTP и т.д. Протоколы здесь не должны задумываться о маршрутизации или гарантии доставки информации - этим занимаются нижестоящие уровни. На 7 уровне необходима лишь реализации конкретных действий, например получение html-кода или email-сообщения конкретному адресату.
Заключение
Модульность модели OSI позволяет проводить быстрое нахождение проблемных мест. Ведь если нет пинга (3-4 уровни) до сайта, нет смысла копаться в вышележащих слоях (TCP-HTTP), когда не отображается сайт. Абстрагировавшись от других уровней проще найти ошибку в проблемной части. По аналогии с автомобилем - мы ведь не проверяем свечи, когда проткнули колесо.
Модель OSI является эталонной моделью - эдаким сферическим конем в вакууме. Разработка её велась очень долго. Параллельно с ней разрабатывался стек протоколов TCP/IP, акивно применяемый в сетях в настоящее время. Соответственно, можно провести аналогию между TCP/IP и OSI.
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:
- заголовка ,
- поля данных , где размещен пакет,
- концевика .
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.
Рис. 5.2.
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:
- метод конкурентного (недетерминированого) доступа (Contention-based Access), когда все узлы сети равноправны, очередность передачи данных не организована. Для передачи данный узел должен прослушать среду, если она свободна, то можно передать информацию. При этом могут возникнуть конфликты (коллизии ), когда два (или более) узла одновременно начинают передачу данных;
- метод контролируемого (детерминированного) доступа (Controlled Access), который обеспечивает узлам очередность доступа к среде для передачи данных.
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
Модель OSI — это базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем. Она представляет собой систему, состоящую из семи уровней, на каждом из которых задействованы определенные сетевые протоколы, обеспечивающие передачу данных на всех ступенях взаимодействия.
Общие сведения
Для того чтобы облегчить понимание и проще ориентироваться в различных направлениях работы с сетевыми протоколами, была создана принятая за эталон модульная система, благодаря чему стало гораздо проще локализовать проблему, зная, на каком из участков сети она располагается.
На каждом из уровней модели OSI ведется работа с определенными наборами протоколов (стеками). Они четко локализуются в рамках каждого уровня, не выходя за его границы, при этом будучи связанными в четкую и удобную для восприятия систему.
Итак, сколько уровней в сетевой модели OSI и какие они?
- Физический.
- Канальный.
- Сетевой.
- Транспортный.
- Сеансовый.
- Представительский.
- Прикладной.
Чем сложнее структура сетевого устройства, тем большее количество возможностей оно открывает, при этом работает одновременно на большем количестве уровней модели. Это влияет в том числе и на быстродействие устройств: чем больше уровней задействовано, тем медленнее происходит работа.
Взаимодействие уровней происходит при помощи интерфейсов между двумя соседними уровнями и через протоколы в рамках одного уровня.
Физический уровень
Первый уровень сетевой модели OSI - среда передачи данных. На нем происходит передача данных как таковая. За единицу нагрузки принимается бит. Происходит передача сигнала по кабелю или беспроводным сетям и соответствующее кодирование в информацию, выраженную посредством битов.
Протоколы, которые здесь задействованы: провод (витая пара, оптика, телефонный кабель и другие), среды беспроводной передачи данных (к примеру, Bluetooth или Wi-Fi) и так далее.
Также на этом уровне работают медиаконвертеры, репитеры сигнала, концентраторы, а также все механические и физические интерфейсы, при помощи которых осуществляют взаимодействие системы.
Канальный уровень
Здесь передача информации происходит в виде блоков данных, которые называются кадрами или фреймами, канальный уровень сетевой модели OSI осуществляет их создание и передачу. Взаимодействует, соответственно, с физическим и сетевым уровнями OSI.
Подразделяется на два подуровня:
- LLC — управляет логическим каналом.
- MAC — работа с доступом непосредственно к физической среде.
Для облегчения понимания разберем следующий пример.
В компьютере или ноутбуке существует сетевой адаптер. Чтобы он мог корректно работать, используется программное обеспечение, драйвера, относящиеся к верхнему подуровню — через них ведется взаимодействие с процессором, находящимся на нижнем подуровне.
Протоколы используются следующие: PPP (связность двух ПК прямым образом), FDDI (передача данных на расстояние менее двухсот километров), CDP (собственный протокол компании Cisco, используемый для обнаружения и получения информации о соседних сетевых устройствах).
Сетевой уровень
Это уровень модели OSI, отвечающий за маршруты, по которым идет передача данных. Устройства, которые работают на этой ступени, называются маршрутизаторами. Данные на этом уровне передаются пакетами. На канальном уровне устройство определялось при помощи физического адреса (MAC), а на сетевом начинают фигурировать IP-адреса — логический адрес какого-либо устройства сети, интерфейса.
Рассмотрим функции сетевого уровня модели OSI.
Основная задача данной ступени — это обеспечение передачи данных между оконечными устройствами.
Для этого обеспечивается назначение уникального адреса для всех этих устройств, инкапсуляция (снабжение данных соответствующим заголовком или метками, посредством чего и создается основная единица нагрузки — пакет).
Как только пакет достигает точки назначения, происходит процесс декапсуляции — конечный узел исследует полученные данные, чтобы убедиться, что пакет доставлен туда, куда требовалось, и передается на следующий уровень.
Рассмотрим список протоколов сетевого уровня модели OSI. Это упомянутый раньше IP, который входит в стек TCP/IP, ICMP (отвечает за передачу управляющих и сервисных данных), IGMP (групповая передача данных, мультикаст), BGP (осуществление динамической маршрутизации) и многие другие.
Транспортный уровень
Протоколы этого уровня служат для того, чтобы обеспечить надежность передачи сведений от отправляющего устройства до принимающего, отвечают непосредственно за доставку информации.
Основная задача транспортного уровня — чтобы пакеты данных были отправлены и получены без ошибок, отсутствовали потери, соблюдалась последовательность передачи.
Этот уровень работает с целыми блоками данных.
К примеру, требуется передать некий файл по электронной почте. Для того чтобы до получателя дошла корректная информация, требуется соблюдение точной структуры и последовательности передачи данных, ведь если будет утерян хотя бы один бит при загрузке файла, его невозможно будет открыть.
Можно выделить два основных протокола, которые работают на этом уровне: TCP и UDP.
UDP отправляет данные, не запрашивая от оконечного устройства ответ о доставке, и не повторяет отправку в случае неудачи. TCP же, наоборот, устанавливает соединение и требует ответа о доставке данных, если информация не доходит, повторяет отправление.
Сеансовый уровень
Он же сессионный. На этом уровне сетевой модели OSI происходит установка и поддержка сеансов связи между двумя оконечными устройствами. Этот уровень, как и все последующие, работает непосредственно с данными.
Для примера вспомним, как проводятся видеоконференции. Для того чтобы сеанс связи прошел успешно, необходимы соответствующие кодеки, которыми шифруется сигнал, с обязательным требованием наличия их на обоих устройствах. Если на одном из устройств кодек отсутствует или поврежден, связь не будет установлена.
Помимо этого, на сеансовом уровне могут использоваться такие протоколы, как L2TP (туннельный протокол для поддержки пользовательских виртуальных сетей), PAP (отправляет на сервер данные авторизации пользователей без шифрования и подтверждает их подлинность) и другие.
Представительский уровень
Отвечает за отображение данных в необходимом формате. Реализуется видоизменение информации (к примеру, кодирование), для того чтобы поток данных был успешно переведен на транспортный уровень.
В качестве примера можно перевести пересылку изображения по электронной почте. В результате работы протокола SMTP изображение преобразуется в удобный для восприятия на нижних уровнях формат, а для пользователя выводится в привычном формате JPEG.
Протоколы данного уровня: стандарты изображений (GIF, BMP, PNG, JPG), кодировки (ASCII и др.), видео- и аудиозаписи (MPEG, MP3) и т. д.
Прикладной уровень
Прикладной уровень, или уровень приложений, — самый верхний уровень модели OSI. Он отличается самым большим разнообразием протоколов и выполняемых ими функций.
Здесь нет необходимости отвечать за построение маршрутов или гарантию доставки данных. Каждый протокол выполняет свою конкретную задачу. В качестве примеров протоколов, действующих на данном уровне, можно привести HTTP (отвечает за передачу гипертекста, то есть в конечном итоге позволяет пользователям открывать в браузере веб-страницы), FTP (сетевая передача данных), SMTP (отправка электронной почты) и другие.
Стеки протоколов
Как уже рассматривалось выше, существует большое количество сетевых протоколов, выполняющих самые разнообразные задачи. Как правило, большинство из них работают в связках, выполняя свои функции слаженно, одновременно друг с другом реализуя собственный функционал.
Такие связки называются стеками протоколов.
Опираясь на сетевую модель OSI, стеки протоколов условно делят на три группы:
- Прикладные (соответствуют данному уровню OSI и отвечают непосредственно за обмен данными между различными уровнями модели).
- Сетевые (отвечают за обеспечение и поддержку связи между оконечными сетевыми устройствами, гарантируют надежность соединения).
- Транспортные (их основная задача — построение маршрута передачи информации, проверка возникающих во время маршрутизации ошибок и направление запросов на повторную передачу данных).
Стеки можно настраивать, опираясь на поставленные задачи и необходимый функционал сети, регулировать количество протоколов и прикреплять протоколы к серверным сетевым интерфейсам. Это позволяет выполнять гибкую настройку сети.
Заключение
В этой статье мы изложили базовую информацию для ознакомления с сетевой моделью OSI. Это те основы, которые просто необходимо знать каждому, кто работает в сфере IT, для понимания того, как устроена система передачи данных.
В этой статье на уровне сетевой модели OSI для "чайников" мы постарались простым языком объяснить, как передача данных реализуется, а главное — как устроена система взаимодействия сетевого оборудования на различных уровнях.
О каждом из протоколов можно рассказать очень и очень много. Хочется надеяться, что эта статья вызовет интерес к дальнейшему ознакомлению с этой интересной темой.
В сегодняшней статье я хочу вернуться к основам, и расскажу о модели взаимодействия открытых систем OSI . Данный материал будет полезен начинающим системным администраторам и всем тем, кто интересуется построением компьютерных сетей.
Все составляющие сети, начиная со среды передачи данных и заканчивая оборудованием, функционируют и взаимодействуют друг с другом согласно своду правил, которые описаны в так называемой модели взаимодействия открытых систем .
Модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection) разработана международной организацией по стандартам ISO (Inernational Standarts Organization).
Согласно модели OSI, данные, передаваемые от источника к адресату, проходят семь уровней . На каждом уровне выполняется определенная задача, что в итоге не только гарантирует доставку данных в конечный пункт, но и делает их передачу независимой от применяемых для этого средств. Таким образом, достигается совместимость между сетями с разными топологиями и сетевым оборудованием.
Разделение всех сетевых средств по уровням упрощает их разработку и применение. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает. Первые три уровня модели OSI (физический, канальный, сетевой ) тесно связаны с сетью и используемым сетевым оборудованием. Последние три уровня (сеансовый, уровень представления данных, прикладной ) реализуются средствами операционной системы и прикладных программ. Транспортный уровень выступает в качестве посредника между этими двумя группами.
Перед пересылкой через сеть, данные разбиваются на пакеты , т.е. порции информации, организованные определенным образом, чтобы они были понятны принимающим и передающим устройствам. При отправке данных пакет последовательно обрабатывается средствами всех уровней модели OSI, начиная с прикладного и заканчивая физическим. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (называемая заголовком пакета ), которая необходима для успешной передачи данных по сети.
В результате это сетевое послание начинает напоминать многослойный бутерброд, который должен быть “съедобным” для получившего его компьютера. Для этого необходимо придерживаться определенных правил обмена данными между сетевыми компьютерами. Такие правила получили названия протоколов .
На принимающей стороне пакет проходит обработку средствами всех уровней модели OSI в обратном порядке, начиная с физического и заканчивая прикладным. На каждом уровне соответствующие средства, руководствуясь протоколом уровня, читают информацию пакета, затем удаляют информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передают пакет средствами следующего уровня. Когда пакет дойдет до прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.
Теперь рассмотрим работу каждого уровня модели OSI подробнее:
Физический уровень
– самый нижний, за ним находится непосредственно канал связи, через который осуществляется передача информации. Он участвует в организации связи, учитывая особенности среды передачи данных. Так, он содержит все сведения о среде передачи данных: уровень и частоту сигнала, наличие помех, уровень затухания сигнала, сопротивление канала и т.д. Кроме того, именно он отвечает за передачу потока информации и преобразование ее в соответствии с существующими методами кодирования. Работа физического уровня изначально возлагается на сетевое оборудование.
Стоит отметить, что именно с помощью физического уровня определяется проводная и беспроводная сеть. В первом случае в качестве физической среды используется кабель, во втором – любой вид беспроводной связи, например радиоволны или инфракрасное излучение.
Канальный уровень выполняет самую сложную задачу – обеспечивает гарантированную передачу данных с помощью алгоритмов физического уровня и проверяет корректность полученных данных.
Прежде чем инициировать передачу данных, определяется доступность канала их передачи. Информация передается блоками, которые носят название кадров , или фреймов . Каждый такой кадр снабжается последовательностью бит в конце и начале блока, а также дополняется контрольной суммой. При приеме такого блока на канальный уровень получатель должен проверить целостность блока и сравнить принятую контрольную сумму с контрольной суммой, идущей в его составе. Если они совпадают, данные считаются корректными, иначе фиксируется ошибка и требуется повторная передача. В любом случае отправителю отсылается сигнал с результатом выполнения операции, и так происходит с каждым кадром. Таким образом, вторая важная задача канального уровня – проверка корректности данных.
Канальный уровень может реализовываться как аппаратно (например, с помощью коммутаторов), так и с помощью программного обеспечения (например, драйвера сетевого адаптера).
Сетевой уровень необходим для выполнения работы по передаче данных с предварительным определением оптимального пути движения пакетов. Поскольку сеть может состоять из сегментов с разными топологиями, главная задача сетевого уровня – определить кратчайший путь, попутно преобразовывая логические адреса и имена сетевых устройств в их физическое представление. Этот процесс носит название маршрутизации , и важность его трудно переоценить. Обладая схемой маршрутизации, которая постоянно обновляется в связи с возникновением разного рода “заторов” в сети, передача данных осуществляется в максимально короткие сроки и с максимальной скоростью.
Транспортный уровень используется для организации надежной передачи данных, которая исключает потерю информации, ее некорректность или дублирование. При этом контролируются соблюдение правильной последовательности при передаче-получении данных, деление их на более мелкие пакеты или объединение в более крупные для сохранения целостности информации.
Сеансовый уровень отвечает за создание, сопровождение и поддержание сеанса связи на время, необходимое для завершения передачи всего объема данных. Кроме того, он производит синхронизацию передачи пакетов, осуществляя проверку доставки и целостности пакета. В процессе передачи данных создаются специальные контрольные точки. Если при передаче-приеме произошел сбой, недостающие пакеты отправляются заново, начиная с ближайшей контрольной точки, что позволяет передать весь объем данных в максимально короткий срок, обеспечивая в целом хорошую скорость.
Уровень представления данных (или, как его еще называют, представительский уровень ) является промежуточным, его основная задача – преобразование данных из формата для передачи по сети в формат, понятный более высокому уровню, и наоборот. Кроме того, он отвечает за приведение данных к единому формату: когда информация передается между двумя абсолютно разными сетями с разным форматом данных, то прежде, чем их обработать, необходимо привести их к такому виду, который будет понятен как получателю, так и отправителю. Именно на этом уровне применяются алгоритмы шифрования и сжатия данных.
Прикладной уровень – последний и самый верхний в модели OSI. Отвечает за связь сети с пользователями – приложениями, которым требуется информация от сетевых служб всех уровней. С его помощью можно узнать все, что происходило в процессе передачи данных, а также информацию об ошибках, возникших в процессе их передачи. Кроме того, данный уровень обеспечивает работу всех внешних процессов, осуществляемых за счет доступа к сети – баз данных, почтовых клиентов, менеджеров загрузки файлов и т.д.
На просторах сети интернет я нашел картинку, на которой неизвестный автор представил сетевую модель OSI в виде бургера. Считаю, это очень запоминающийся образ. Если вдруг в какой-то ситуации (например, на собеседовании при устройстве на работу) вам понадобиться по памяти перечислить все семь уровней модели OSI в правильном порядке – просто вспомните данную картинку, и это вам поможет. Для удобства я перевел названия уровней с английского на русский язык:На сегодня это всё. В следующей статье я продолжу тему и расскажу про .