Модель OSI

В 1978 году International Standart Organization (ISO) выпустила набор спецификаций, описывающих архитектуру сети с неоднородными устройствами. Исходный документ относился к открытым системам, чтобы все они могли использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией. В 1984 году ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model, OSI). Версия 1984 г стала международным стандартом: именно ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, именно ее придерживаются при построении сетей.

Эта модель - широко распространенный метод описания сетевых сред. Являясь многоуровневой системой, она отражает взаимодействие программного и аппаратного обеспечения при осуществлении сеанса связи, а также помогает решить разнообразные проблемы. Является стандартом передачи данных, позволяющим системам различных производителей устанавливать сетевые соединения.

В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями со специфическим набором сетевых функций, определенных для каждого уровня :

1 – физический (Physical),

2 - канальный (Data Link),

3 – сетевой (Network),

4 - транспортный (Transport),

5 - сеансовый (Session),

6 – представительский, или представления данных (Presentation),

7 – прикладной (Application).

Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней, вышележащего и нижележащего.

Каждый уровень модели OSI существует как независимый модуль, можно заменить один протокол на другой на любом уровне без какого-либо влияния на работу смежного выше- или нижележащего уровня

Принципы, которыми руководствовались разработчики:

Каждый новый уровень модели появляется только тогда, когда требуется новый уровень абстракции.

Каждый уровень должен выполнять определенную функцию.

Функция каждого уровня должна быть выбрана с точки зрения определения международных стандартизированных протоколов.

Границы уровня должны быть выбраны таким образом, чтобы информационный поток через интерфейс был минимален.

Количество уровней должно быть достаточным, чтобы существовала возможность распределения функций, но и не слишком большим, чтобы сохранить стройную и легкую для восприятия архитектуру.

Задача каждого уровня - предоставление услуг вышележащему уровню, маскируя детали реализации

этих услуг. При этом каждый уровень на одном компьютер работает так, будто он напрямую связан с

таким же уровнем на другом компьютере - это логическая, или виртуальная связь. Однако в

действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера -

программное обеспечение, работающее на каждом уровне, реализует определенные сетевые функции

в соответствии с набором протоколов.

Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет(packet) - это единица информации,

передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно через все

уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется некоторая информация,

форматирующая или адресная, которая необходима для успешной передачи данных по сети. На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. Программное обеспечение на каждом уровне читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей станцией, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся адресная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид. Таким образом, за исключением самого нижнего уровня сетевой модели, никакой другой уровень не может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Информация на компьютере-отправителе проходит через все уровни, затем передается по сетевому кабелю на компьютер-получатель и опять проходит через все слои, пока не достигнет того же уровня, с которого была послана на компьютере - отправителе.

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой – являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети, с используемым коммуникационным оборудованием.

Три верхних уровня - сеансовый, уровень представления и прикладной - ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют никакие изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию.

Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних уровней. Это позволяет разрабатывать приложения, независящие от технических средств, непосредственно занимающихся транспортировкой сообщений.

Компьютер, с установленной на нем сетевой ОС, взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. В зависимости от типа, коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост и коммутатор), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор).

Физический (Physical) уровень -осуществляет передачу неструктурированного, "сырого" потока битов по физической среде. Здесь реализуются электрический, оптический, механический и функциональный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также формирует сигналы, которые переносят данные, поступившие от всех вышележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера, в частности, количество контактов в разъемах и их функции. Кроме того, здесь определяется способ передачи данных по сетевому кабелю. Этот уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов, гарантируя, что переданная единица будет воспринята именно как единица. Наконец, Физический уровень устанавливает длительность каждого бита и способ перевода бита в соответствующие электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю.

Канальный (Data Link) уровень –осуществляет безошибочную передачу кадров (frames) от

Сетевого уровня к Физическому. Кадры – это логически организованная структура, в которую можно

помещать данные, состоящая из следующих разделов:

 идентификатор получателя (адрес компьютера-получателя),

 идентификатор отправителя (адрес компьютера-отправителя),

 управляющая информация (используется для маршрутизации, указывает на тип пакета и сегментацию),

 данные (собственно передаваемая информация),

 CRC (остаток избыточной циклической суммы - сведения, полезные для выявления ошибки).

Канальный уровень компьютера-получателя упаковывает "сырой" поток битов, поступающих от Физического уровня, в кадры данных.

Обычно, когда Канальный уровень посылает кадр, он ожидает со стороны получателя подтверждения приема. Канальный уровень получателя проверяет наличие возможных ошибок передачи. Кадры, поврежденные при передаче, или кадры, получение которых не подтверждено, посылаются повторно.

Функции:

Последовательная передача и прием кадров

Управление доступом к среде передачи

Безошибочная передача кадров

Подтверждение и ожидание подтверждения приема кадров

Установление и разрыв сетевого соединения

Контроль трафика

Анализ адреса получателя вышележащего уровня и доставка данных вышележащему протоколу

На канальном уровне может быть реализована надежная доставка (если реализовано подтверждение приема кадров), но протоколы вышележащего уровня, как правило, не полагаются на данную возможность и полагают сервис канального уровня ненадежным

Канальный уровень представляет устройство, выполняющее передачу и прием физического сигнала, например, сетевой адаптер.

Сетевой (Network) уровень -отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические адреса; решаются также такие задачи и проблемы, связанные с сетевым трафиком, как коммутация пакетов, маршрутизация и перегрузки. Одним словом, исходя из конкретных сетевых условий, приоритета услуги и других факторов здесь определяются маршрут от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю.

Функции:

 Выбор маршрута и передача пакета получателю или следующему

маршрутизатору

 Разрешение адресов сетевого уровня в адреса канального уровня

 Фрагментация пакетов

 Контроль трафика

 Сбор статистики

На сетевом уровне определяются логические адреса, состоящие из двух компонент:

 Адрес сети – должен быть уникален

 Адрес узла в сети – должен быть уникален в пределах сети

Транспортный (Transport) уровень обеспечивает дополнительный уровень соединения - ниже Сеансового уровня. Он обеспечивает вышележащим уровням стека (или приложениям) передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется

Функции:

 Прием сообщений с вышележащего уровня и разбивка их на пакеты

 Надежная доставка

 Исправление ошибок (аналогично канальному уровню)

 Мультиплексирование потоков сообщений

 Контроль трафика.

Сеансовый (Session) уровень :

 позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом;

обеспечивает распознавание имен и защиту, необходимые для связи двух приложений в сети,

обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек;

управляет диалогом между взаимодействующими процессами;

осуществляет поддержку адресов процессов и разрешение адресов процесса в адреса транспортного, сетевого и канального уровней

Сеансовый уровень позволяет организовать безопасное взаимодействие, решая задачи

 Идентификации субъектов

 Установления подлинности субъекта и содержания сообщений

 Контроля доступа к ресурсам

В современных популярных архитектурах функции сеансового уровня, как правило, реализуются в библиотеках, независимо используемых программными компонентами прикладного уровня.

Сеансовый уровень позволяет прикладным процессам регистрировать уникальные адреса

например, NetBIOS-имена сервисов представляют собой 16-байтные массивы, в которых начальные байты содержат NetBIOS-имя узла, или домена, или другую строку, дополненные пробелами до 15 символов, а последний байт определяет сервис.

Сеансовый уровень обеспечивает установление, мониторинг и окончание сеанса по виртуальной сети между двумя процессами, которые определяются своими уникальными адресами.

После установления соединения обеспечивается передача сообщений, в том числе

 Определение границ сообщений

 Ожидание поступления всего сообщения

Это существенно, поскольку сервис транспортного уровня, обеспечивающий надежную доставку данных, часто предоставляет возможность потоковой передачи и не поддерживает выделение границ сообщений.

Представительский (Presentation) уровень:

 определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми компьютерами;

отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование,

отвечает за смену или преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы) и расширение графических команд,

Конвертирует данные (например, преобразование символа CR в CR/LF, преобразование целых чисел в числа с плавающей точкой…)

управляет сжатием данных для уменьшения передаваемых битов.

На разных архитектурах, в разных операционных системах и приложениях данные кодируются различным образом. При передаче двоичных значений данные на приемнике могут быть неверно интерпретированы.

Для обеспечения совместимости:

 На источнике передаваемые данные преобразуются к стандартному сетевому формату представления данных.

 На приемнике данные преобразуются из сетевого формата в формат, принятый на приемнике.

Прикладной (Application) уровень -окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам; управляет общим доступом к сети, потоком данных и обработкой ошибок. Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие, как программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных, электронная почта.

Функции:

 Разделение ресурсов и перенаправление устройств

 Удаленный доступ к файлам

 Удаленный доступ к принтерам

 Поддержка межпроцессных коммуникаций

 Поддержка удаленных вызовов процедур

 Управление сетью

 Сервисы каталогов

 Передача электронных сообщений

 Эмулирование виртуальных терминалов

 Другие функции.