Рівні моделі OSI

Фізичний рівень (Physical layer) має справу з передачею бітів по фізичних ЛЗ. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних середовищ передачі даних, такі як смуга пропускання, завадостійкість, хвильовий опір тощо. Тут визначаються характеристики електричних сигналів, що передають дискретну інформацію, наприклад, крутизна фронтів імпульсів, рівні напруги або струму сигналу, що передається, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Крім цього, тут стандартизуються типи роз’ємів і призначення їх кожного контакту [1 - 4, 8, 16].

Функції фізичного рівня реалізовуються в усіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп’ютера функції фізичного рівня виконуються мережевим адаптером або послідовним портом.

Прикладом протоколу фізичного рівня може служити специфікація 100Base-TХ технології Ethernet, котра визначає як використовуваний кабель неекрановану скручену пару (НСП) п’ятої категорії, роз’єм RJ-45, максимальну довжину фізичного сегмента - 100 метрів, код для представлення даних в кабелі - 4В/5B, та деякі інші характеристики середовища передачі та електричних сигналів.

Канальний рівень (Data Link layer) призначений для розв’язання задач перевірки доступності середовища передачі та реалізації механізмів виявлення і корекції помилок. Для цього біти групуються у набори - кадри (frames). Канальний рівень забезпечує коректність передачі кожного кадру, вміщуючи спеціальну послідовність біт у початок та кінець кожного кадру, для його виділення і додаючи до нього контрольну суму. Коли кадр приходить одержувачу - останній знов обчислює контрольну суму отриманих даних та порівнює результат з контрольною сумою з кадру. Якщо вони збігаються - кадр вважається правильним і приймається, в протилежному випадку фіксується помилка.

Канальний рівень може не лише виявляти помилки, а й виправляти їх за рахунок повторної передачі пошкоджених кадрів. Функція виправлення помилок необов’язкова для канального рівня, тому в деяких протоколах цього рівня вона відсутня (наприклад, в Ethernet і Frame Relay).

У протоколах канального рівня, що використовуються в ЛКМ, закладена певна структура зв’язків між комп’ютерами і способи їх адресації. До таких типових топологій, що підтримуються протоколами канального рівня ЛКМ, відносяться загальна шина, кільце і зірка, а також структури, отримані з них за допомогою мостів і комутаторів. Прикладами протоколів канального рівня є протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN [1 -4, 8, 16].

В ЛКМ протоколи канального рівня використовуються мостами, комутаторами і маршрутизаторами. У комп’ютерах функції канального рівня реалізовуються мережевими адаптерами та їх драйверами.

В ГКМ, які рідко мають регулярну топологією, канальний рівень часто забезпечує обмін повідомленнями тільки між двома сусідніми комп’ютерами, сполученими індивідуальною ЛЗ. Прикладами протоколів “точка-точка” (Point-to-Point) можуть служити РРР та LAP-B. У таких випадках для доставки сполучень між кінцевими вузлами через всю мережу використовуються засоби і мережевого рівня. Саме так організовані мережі Х.25. Іноді в ГКМ функції канального рівня в чистому вигляді виділити важко, оскільки в одному і тому ж протоколі вони об’єднуються з функціями мережевого рівня. Прикладами такого підходу можуть служити протоколи технологій ATM і Frame Relay.

Взагалі канальний рівень реалізує потужний і закінчений набір функцій по пересилці повідомлень між вузлами мережі. В деяких випадках протоколи канального рівня є самодостатніми транспортними засобами і можуть допускати роботу над ними безпосередньо протоколів прикладного рівня або додатків, без залучення засобів мережевого і транспортного рівнів. Наприклад, існує реалізація протоколу управління мережею SNMP, безпосередньо без Ethernet, хоч стандартно цей протокол працює на основі мережевого протоколу IP і транспортного UDP.

Для забезпечення якісного транспортування повідомлень у мережах будь-яких топологій і технологій функцій канального рівня недостатньо, тому в моделі OSI розв’язання цієї задачі покладається на два наступних рівні мережевий і транспортний.

Мережевий рівень (Network layer) служить для утворення єдиної транспортної системи, що об’єднує кілька мереж, причому ці мережі можуть використати абсолютно різні принципи передачі повідомлень між кінцевими вузлами і мати довільну структуру зв’язків.

Протоколи канального рівня ЛКМ забезпечують доставку даних між будь-якими вузлами тільки у мережі з відповідною типовою топологією, (наприклад, топологією ієрархічної зірки). Це дуже жорстке обмеження, яке не дозволяє будувати, наприклад, мережі з розвиненою структурою, що об’єднують кілька мереж підприємства у єдину мережу. Можна було б ускладнювати протоколи канального рівня для розв’язання подібних задач, але принцип розділення обов’язків між рівнями приводить до іншого розв’язання. Щоб з одного боку зберегти простоту процедур передачі даних для типових топологій, а з іншою допустити використання довільних топологій, вводиться додатковий мережевий рівень.

На мережевому рівні термін „мережа” має специфічне значення. Всередині мережі доставка даних забезпечується відповідним канальним рівнем. Доставкою даних між мережами займається мережевий рівень, який підтримує можливість правильного вибору маршруту передачі повідомлення навіть коли структура зв’язків між мережами має характер, відмінний від прийнятого у протоколах канального рівня.

Мережі з’єднуються маршрутизаторами, які збирають інформацію про топологію міжмережевих з’єднань і на її основі пересилають пакети мережевого рівня у мережу призначення. Для передачі повідомлення від відправника з одної мережі, одержувачу з іншої мережі, слід здійснити деяку кількість транзитних передач між мережами, або хопів (hop - стрибок), кожний раз вибираючи відповідний маршрут, тобто послідовність маршрутизаторів, через які проходить пакет.

Проблема вибору найкращого шляху називається маршрутизацією, і її розв’язання є однією з головних задач мережевого рівня. Крім того, мережевий рівень вирішує також задачі узгодження різних технологій, спрощення адресації у великих мережах і створення надійних та гнучких бар’єрів на шляху небажаного трафіка між мережами.

Повідомлення мережевого рівня прийнято називати пакетами (packets). При організації доставки пакетів на мережевому рівні використовується поняття “номер мережі”. В цьому випадку адреса одержувача складається з старшої частини номера мережі і молодшої - номера вузла в цій мережі [1 - 4, 8, 16].

На мережевому рівні визначаються два види протоколів. Мережеві протоколи (routed protocols)реалізують передачу пакетів по мережі. Ці протоколи мають на увазі, коли кажуть про протоколи мережевого рівня. Однак до цього рівня відносять й інший вид протоколів - протоколів обміну маршрутною інформацією або просто протоколами маршрутизації (routing protocols). За допомогою цих протоколів маршрутизатори збирають інформацію про топологію міжмережевих з’єднань. Протоколи мережевого рівня реалізуються програмними модулями ОС, а також програмними і апаратними засобами маршрутизаторів [4].

На мережевому рівні працюють протоколи ще одного типу, які відповідають за відображення адреси вузла, що використовується на мережевому рівні, на локальну адресу мережі. Такі протоколи називають протоколами роз рішення адрес Address Resolution Protocol (ARP). Іноді їх відносять не до мережевого рівня, а до канального.

Прикладами протоколів мережевого рівня є протокол міжмережевої взаємодії IP стека TCP/IP і протокол міжмережевого обміну пакетами IPX стека Novell.

Транспортний рівень (Transport layer). На шляху від відправника до одержувача пакети можуть бути викривлені або загублені. Деякі додатки мають власні засоби обробки помилок, а деякі потребують надійнє з’єднання. Даний рівень забезпечує додаткам або верхнім рівням стека моделі OSI (прикладному і сеансовому) передачу даних з такою мірою надійності, яка їм потрібна.

Транспортний рівень надає п’ять класів сервісу, що надаються. Ці класи відрізняються якістю послуг: терміновістю, можливістю відновлення перерваного зв’язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з’єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне здібністю до виявлення і виправлення помилок передачі, таких як викривлення, втрата і дублювання пакетів.

Вибір класу сервісу визначається, з одного боку, тим, в якій мірі задача забезпечення надійності вирішується самими додатками і протоколами вищіх, ніж транспортний, рівнів. З іншого боку, цей вибір залежить від того, наскільки надійною є система транспортування даних у мережі, що забезпечується рівнями, розташованими нижче транспортного (мереженим, канальним і фізичним). Так, наприклад, якщо якість каналів передачі зв’язку є дуже високою і ймовірність виникнення помилок, не виявлених протоколами нижчих рівнів невелика - доцільно скористатися одним з полегшених сервісів транспортного рівня. Якщо ж транспортні засоби нижніх рівнів дуже ненадійні - слід звернутися до більш розвиненого сервісу транспортного рівня.

Як правило, усі протоколи, починаючи з транспортного рівня і вище, реалізуються програмними засобами кінцевих вузлів мережі. Як приклад транспортних протоколів можна привести протоколи TCP і UDP стека TCP/IP та протокол SPX стека Novell [1 - 4, 8, 16].

Протоколи нижніх чотирьох рівнів узагальнено називають транспортною підсистемою, оскільки вони повністю вирішують задачу транспортування повідомлень із заданим рівнем якості в складних мережах з довільною топологією і різними технологіями. Три верхніх рівні вирішують задачі надання прикладних сервісів на основі транспортної підсистеми, що існує.

Сеансовий рівень (Session layer) забезпечує керування діалогом: фіксує, яка із сторін є активною в даний момент та надає засоби синхронізації. Останні дозволяють вставляти контрольні точки у довгі передачі, щоб у разі відмови можна було повернутись назад до останньої контрольної точки, а не починати все з початку. На практиці сеансовий рівень використовують небагато додатків, і рідко реалізовується у вигляді окремих протоколів, хоча функції цього рівня часто об’єднують з функціями прикладного рівня та реалізовують в одному протоколі [1 - 4, 8, 16].

Представницький рівень (Presentation layer) має справу з формою подання інформації, що надсилається у мережу, не змінюючи при цьому її змісту. За рахунок цього рівня інформація, що передається прикладним рівнем однієї системи, завжди зрозуміла прикладному рівню іншої системи. За допомогою засобів даного рівня протоколи прикладних рівнів можуть подолати синтаксичні відмінності у представленні даних або ж відмінності у кодах символів (наприклад кодів ASCII і EBCDIC). На цьому рівні може виконуватись шифрування і дешифрування даних, завдяки якому секретність обміну даними забезпечується відразу для всіх прикладних служб. Прикладом такого протоколу є протокол Secure Socket Layer (SSL), який забезпечує секретний обмін повідомленнями для протоколів прикладного рівня стека TCP/IP [1 - 4, 8, 16].

Прикладний рівень або рівень застосувань (Application layer) - це набір різних протоколів, за допомогою яких користувачі мережі отримують доступ до розділюваних ресурсів (наприклад, файли, принтери, гіпертекстові Web-сторінки), а також організують свою спільну роботу, наприклад, за допомогою протоколу електронної пошти. Одиниця даних, якою оперує прикладний рівень, звичайно називається повідомленням (message).

Існує дуже велика кількість служб прикладного рівня, наприклад NCP в операційній системі Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP і TFTP, що входять в стек TCP/IP [1 - 4, 8, 16].