Модель OSI. Нижние уровни

02.08.2019

Привет, посетитель сайта сайт! Продолжаем рубрику Сервера и протоколы. Сегодня мы поговорим о том, как происходит взаимодействие в сети Интернет, да вообще в любой компьютерной сети, разобравшись с тем, что такое модель OSI, для чего нужна семиуровневая модель OSI и кто и когда разработал эталонную модель сетевого взаимодействия OSI. Итак, данная статья посвящена семиуровневой модели взаимодействия OSI. Естественно, разбираться с принципами работы модели OSI мы будем на простых примерах, буквально на пальцах . А в тех местах, где будут сложные моменты, я буду стараться давать ссылки на материалы, в которых вы найдете простое объяснение этих моментов.

В данной публикации мы поговорим о том, что такое семиуровневая модель взаимодействия OSI что собой она представляет. Разберемся с тем для чего нужна эталонная сетевая модель OSI и кто и когда ее разработал. Рассмотрим архитектуру семиуровневой модели OSI и поговорим про каждый ее уровень в отдельности. Посмотрим на простые примеры, описывающие принципы работы модели OSI: один пример будет очень простым, а второй пример объясняет принцип работы модели OSI буквально на пальцах. И в завершении публикации мы погорим про недостатки эталонной модели OSI и узнаем почему протоколы модели OSI , в отличии от самой модели, не получили такого широкого распространения .

Что такое эталонная модель OSI?

Если вы так или иначе связаны с сетью Интернет или сферой телекоммуникаций, то наверняка вы неоднократно слышали фразу эталонная модель или модель OSI . Давайте разберемся с тем, что такое модель сетевого взаимодействия OSI простыми словами буквально на пальцах , так как понимание сути гораздо важнее умных и сложных терминов. Если вы разберётесь с тем, «как работает модель сетевого взаимодействия OSI», то вы поймете общие принципы работы любой компьютерной сети, включая и сеть Интернет.

Модель OSI не случайно называют моделью сетевого взаимодействия, а также ее не случайно называют эталонной моделью. Модель OSI описывает то как должны взаимодействовать машины в компьютерной сети. Если говорить в рамках определения, то OSI – это базовая или эталонная модель взаимодействия открытых систем. Как мы знаем, любое взаимодействие происходит по протоколу или определённому набору правил взаимодействия, например, взаимодействие между браузером и (например, ) происходит по .

Браузер посылает специальные , которые имеют свою особую структуру и формат и получили название такие сообщения – . HTTP сервер принимает эти сообщения, анализирует их и понимает, что хотел браузер по , которые есть в запросе. Проанализировав сообщение от браузера, сервер посылает свое собственное сообщение браузеру, которое получили название . Ответы сервера содержат , по которым браузер видит, как сервер понял его запрос.

Стоит заметить, что в основе взаимодействия по протоколу HTTP лежит (впрочем, как и в основе многих других протоколов). Которая нужна, чтобы разделить зону ответственности и производственные ресурсы между и . Обратите внимание: модель клиент-сервер не делит машины на строго клиентские или строго серверные, она лишь распределяет функции: клиент – это заказчик услуг, а сервер – это поставщик услуг. Однако серверные приложения и клиентские приложения могут работать вместе на одной машине (читайте про и ).

Мы немного отвлеклись, но заметим, что протокол HTTP находится на самом высоком – седьмом уровне модели OSI. Про уровни модели OSI и их назначение мы поговорим немного ниже. Сейчас нам нужно понять, что сетевая модель взаимодействия OSI – это довольно абстрактная вещь, которая описывает то, как должны взаимодействовать машины друг с другом в компьютерной сети.

Для чего нужна модель OSI и кто разработал данную модель?

Ответим на вторую часть вопроса данного раздела: кто разработал эталонную модель взаимодействия OSI ? Модель OSI разработала международная организация стандартизации ISO. Отчасти теперь становится понятно, почему модель OSI называют эталонной. Теперь поговорим о том, для чего нужна модель взаимодействия OSI.

Не секрет, что в отрасли IT довольно много различных направлений и даже не направлений, а, скажем так, слоев. Например, возьмем любого интернет провайдера. И посмотрим на общую структуру отделов, отвечающих за предоставление услуги передачи данных. Начнем с того, что в компании есть монтажники, которые прокладывают кабель от точки А до точки Б, среднестатистический монтажник хорошо знает свое дело и умеет работать руками и знает, как проложить кабель, а как прокладывать не нужно, то есть он знает физические свойства кабеля.

Более грамотный монтажник знает не только свойства материала, но и особенности передачи сигнала по тому или иному кабелю. Далее есть отдел, который отвечает за проектирование и строительство сети. В него могут входить инженеры-проектировщики, менеджеры проектов и прочие. Сейчас мы не вдаемся в юридические и бизнес тонкости, поэтому отметим, что эти люди должны разработать проект подключения.

Соответственно, они должны выбрать оборудование, которое будет установлено, определить точку, от которой будет подключено новое оборудование (выбрать ее на самом деле нужно оптимально) и определить маршрут, по которому будут проложены коммуникации. Другими словами – разработать проект. Мы видим уже, что эти люди должны обладать несколько другим и даже несколько более широким спектром знаний, нежели монтажники.

Также есть третий отдел – отдел сетевых администраторов, в задачи которого уже входит настройка и поддержание работоспособности оборудования. Этим людям необязательно знать о том, что при прокладке оптического кабеля следует выдерживать радиус изгиба, им не нужно знать, какой кабель следует использовать для прокладки в грунте, а какой используется для перекида между зданиями более 140 метров и прочее. Но они должны знать, как вообще работают сетевые устройства и как они взаимодействуют между собой, а также должны понимать сетевую архитектуру.

Мы лишь поверхностно коснулись структуры ШПД провайдера, но уже заметили, что есть три группы специалистов с разным набором знаний и разными функциями, теперь нам будет несколько проще разобраться с тем, для чего нужна модель сетевого взаимодействия OSI .

Итак, семиуровневая модель OSI делит процесс передачи данных на несколько уровней. Это деление обусловлено тем, что ни один человек в мире не может знать всего и сразу. Таким образом модель OSI делит зоны ответственности между людьми и, как ни странно, между сетевым оборудованием и приложениями. Например, заметим, что если у вас не работает какой-то сайт в Интернете, то в 99 случаях из 100 – это не повод звонить в тех. поддержку вашего провайдера. Провайдер не виноват в том, что какой-то сайт не работает, он лишь предоставляет вам доступ в общую компьютерную сеть Интернет, но не отвечает за работоспособность того или иного ресурса.

Подытожим наши рассуждения о том, для чего нужна модель OSI. Модель OSI нужна для того, чтобы разделить ответственность между людьми и оборудованием в процессе передачи данных по сети . Но это еще не все, для полного ответа на вопрос: для чего нужна модель сетевого взаимодействия OSI, нам следует обратиться к истории.

Для начала поговорим про мифологию, а именно – про Вавилонскую башню. Ее строительство закончилось плачевно, так как в один момент, неожиданно, люди перестали понимать друг друга и не смогли слаженно взаимодействовать, чтобы успешно завершить строительство. Примерно такая же ситуация произошла в 70-ых годах XX века: к этому моменту в мире накопилось очень много различных фирменных сетевых протоколов, и очень остро встал вопрос взаимодействия между машинами в сети.

Получилась такая ситуация, что машины одной очень крупной корпорации не могли нормально взаимодействовать с машинами другой корпорации, что очень мешало развитию бизнеса и технологий. Проблема сетевого взаимодействия, а точнее проблема заключалась именно в отсутствии сетевого взаимодействия из-за несовместимости различных протоколов, породила необходимость в создании единого принципа взаимодействия компьютеров в сети.

И, как вы уже догадались, в качестве выхода из сложившейся ситуации была разработка эталонной модели сетевого взаимодействия OSI . Естественно, модель OSI – это академический подход и ее разработка заняла около 7 лети. Заметим, что модель OSI лишь описывает принципы взаимодействия устройств в сети, но не говорит о том, как это должно быть реализовано физически.

Ранее мы уже упоминали о том, что HTTP протокол находится на самом верхнем (седьмом) уровне эталонной модели взаимодействия OSI, из чего можно сделать вывод о том, что всего насчитывается семь уровней модели OSI, поэтому иногда модель OSI называют семиуровневой моделью . Заметим, что самый нижний уровень модели взаимодействия OSI называется физический или, как его еще называют, первый уровень модели OSI, самый верхний уровень называют прикладной уровень модели OSI или седьмой уровень.

На рисунке выше вы можете увидеть архитектуру эталонной модели OSI . Давайте перечислим уровни снизу-вверх: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления, прикладной. Про взаимодействие соседних уровней говорят так: сетевой уровень оказывает услугу транспортному или же канальный уровень оказывает услугу физическому. Также на каждом уровне модели OSI имеются свои собственные единицы измерения данных .

По задумке разработчиков модели OSI любое компьютерное приложение, взаимодействующее с конечным пользователем, должно обращаться за услугами только к прикладному уровню, а далее процесс идет по цепочки вниз, но это не совсем так, и это является одним из недостатков архитектуры модели OSI , о которых мы поговорим более подробно ниже.

Итак, мы разобрались с архитектурой модели OSI и выяснили, что данная модель состоит из семи уровней. Строгость и иерархичность модели OSI — это также недостаток данной модели, так как в природе нет ничего идеального и строго иерархичного.

Давайте несколько более подробно разберемся с каждым из уровней эталонной модели сетевого взаимодействия, начинать будем снизу и пойдем вверх, хотя это и нарушение классического способа подачи информации о уровнях модели OSI, так как обычно описание дается, начиная с прикладного уровня.

Первый уровень модели OSI. Физический уровень эталонной модели взаимодействия

Физический уровень модели OSI – это самый нижний уровень эталонной модели сетевого взаимодействия, который определяет способ передачи и представления информации между устройствами. Разработкой методов передачи данных в различных средах занимаются различные институты стандартизации и телекоммуникационные институты.

Нам важно понимать, что на физическом уровне определяется среда передачи данных, например, оптическое волокно, радиоэфир, электрический сигнал, который может предаваться по витой паре или, например, по коаксиальному кабелю. Помимо среды, по которой будет предаваться сигнал, на физическом уровне модели OSI определяются различные требования к передаче сигнала :

оптимальный уровень сигнала (минимальный и максимальный);
какой уровень сигнала считать нулем;
какой уровень сигнала считать единицей;
какую модуляцию сигнала использовать;
и прочее.

Также нам стоит отметить, что единицей измерения на первом уровне модели OSI является бит. На физическом уровне модель OSI помимо самой среды передачи работают медиаконвертеры и SFP модули, преобразующие электрический сигнал в оптический и наоборот; концентраторы, повторители и усилители сигналов.

Как ни странно, но на физическом уровне уже происходит деление на клиент и сервер. Также на физическом уровне есть свои собственные протоколы: различные протоколы Wi-Fi, GSM, Bluetooth и другие.

Второй уровень модели OSI. Канальный уровень эталонной модели взаимодействия

Канальный уровень модели OSI является вторым по счету . На канальном уровне происходит две важных вещи:

Происходит физическая адресация сетевых устройств. Как вы знаете, у любого устройства есть уникальный (хотя это довольно спорно) mac-адрес, по которому можно однозначно идентифицировать устройство и его производителя в любой точке мира.
А также на втором уровне модели OSI происходит контроль и исключение ошибок передачи данных на физическом уровне модели OSI. Это достигается за счет того, что биты упаковываются в кадры, которые можно проверить на целостность и, если устройство видит, что кадр битый, оно его пытается восстановить, либо делает повторный запрос к передающему устройству.

Как мы уже видели, единицей измерения информации на втором уровне модели OSI является кадр, который состоит из нескольких бит полезной информации и служебной информации. Канальный уровень модели OSI делится на два подуровня:

Подуровень MAC. На этом подуровне определяется доступ к физической среде, за счет данного подуровня канальный уровень может взаимодействовать с несколькими физическими уровнями.
Подуровень LLC. Данный подуровень обеспечивает взаимодействие с сетевым уровнем модели OSI.

Самым широко распространённым устройством второго уровня модели OSI является коммутатор доступа , который устанавливается практически в каждом доме провайдером, именно к коммутатору подключаются роутеры, которые стоят в наших квартирах. Если говорить про наши компьютеры, то второй уровень модели OSI представлен в виде драйверов для сетевой платы.

В качестве примера протоколов канального уровня можно привести: wireless LAN, PPPoE, Ethernet.

Третий уровень модели OSI. Сетевой уровень эталонной модели взаимодействия

Сетевой уровень модели OSI является третьим по счету уровнем эталонной модели сетевого взаимодействия . На третьем уровне модели OSI происходит формирование маршрутов и путей передачи данных между устройствами, находящимися в сети. Естественно, маршрут определяется оптимально и при этом учитывается дальность маршрута и нагрузка на узлы сети.

Также на третьем уровне эталонной модели происходит преобразование логических сетевых адресов в физические и наоборот, этот процесс получил название – трансляция. Роутеры, установленные в ваших квартирах – это хороший пример устройств сетевого уровня модели OSI . Самым популярным протоколом третьего уровня модели OSI является протокол IP, на данный момент поддерживается две версии протокола IP: IPv4 и IPv6.

Четвертый уровень модели OSI. Транспортный уровень эталонной модели взаимодействия

Транспортный уровень модели OSI является четвертым по счету уровнем модели сетевого взаимодействия . Транспортный уровень определяет надежность передачи данных по сети, а также устанавливает непосредственную связь между конечными точками цепочки передачи данных.

Четвертый уровень модели OSI насчитывает множество различных протокол передачи данных: есть протоколы, которые только лишь обеспечивают транспортные функции, а есть протоколы, которые гарантируют правильную передачу данных по сети. В зависимости от потребностей и технических условий выбирается тот или иной протокол. Например, потоковое видео в Интернете никто не будет предавать по протоколу, гарантирующему 100% правильность передачи данных, в качестве примера такого протокола можно привести UPD.

Если же говорить о протоколе, который гарантирует правильность передачи данных то в качестве примера можно привести TCP. Протокол TCP является протоколом транспортного уровня модели OSI и гарантирует надёжность и правильность передачи данных по сети , также он исключает потерю данных в процессе их передачи и обеспечивает не нарушения порядка поступления данных, то есть данные по протоколу TCP придут на приемное устройство в том порядке, в котором они передавались.

Пятый уровень модели OSI. Сеансовый уровень эталонной модели взаимодействия

Пятый уровень модели взаимодействия OSI или сеансовый уровень предназначен для управления сеансом связи. Сеансовый уровень позволяет взаимодействовать сетевым приложениям длительное время. Пятый уровень модели сетевого взаимодействия OSI призван решать следующие проблемы:

создавать сеанс связи;
завершать сеанс связи;
поддерживать обмен информацией между приложениями;
осуществлять синхронизацию между приемным и передающим устройством;
поддерживать сеанс связи, когда передача данных не ведется.

На самом деле, задачи сеансового уровня модели OSI несколько шире, чем описаны выше. В качестве примера протоколов сеансового уровня можно привести: ADSP, PPTP, H.245.

Шестой уровень модели OSI. Уровень представления эталонной модели взаимодействия

Уровень представления или представительский уровень модели OSI является шестым уровнем эталонной модели сетевого взаимодействия. Шестой уровень модели OSI определяет способы представления данных, а также способы шифрования передачи данных. Например, протокол HTTP никак не шифрует данные при передаче, поэтому эти функции на себя берут протоколы SSL и TLS, которые относятся к шестому уровню модели OSI.

В качестве представления данных можно привести в качестве примера протоколы ASCII и JPEG. В данном случае термин протокол будет более правильным, чем таблица перекодировки или формат изображения.

Но, помимо выше описанных функций, уровень представления выполняет функции преобразования протоколов и форматов из одного в другой (своеобразный переводчик). Условно мы можем разделить данные, которые передаются по сети и данные, которые видит клиент на экране. Именно на шестом уровне модели взаимодействия OSI происходит преобразование данных, которые понятны машине, в данные, которые понятны человеку и наоборот.

Любой архиватор на вашем компьютере работает на уровне представления. Также шестой уровень позволяет взаимодействовать компьютерам различных производителей между собой, преобразую данные их одного формата записи в другой. Шестой и седьмой уровень модели OSI представляют наибольший интерес для веб-разработчиков и веб-мастеров, а также для администраторов различных веб-серверов.

Седьмой уровень модели OSI. Прикладной уровень эталонной модели взаимодействия

Мы уже упоминали, что прикладной уровень модели OSI или седьмой уровень эталонной модели взаимодействия является наивысшим . Этот уровень позволяет обычному неподготовленному пользователю работать с машиной и передавать данные по сети. По задумке разработчиков эталонной модели OSI клиентские приложения при передаче данных должны взаимодействовать только с седьмым уровнем модели OSI, но это далеко не так.

В качестве примера рассмотрим , например, ( нам в данном случае не очень подходит), во-первых, указывая TCP порт, а как вы помните, протокол TCP работает на четвертом уровне модели взаимодействия, то есть мы можем сделать вывод, что в клиентской части MySQL есть механизмы, позволяющие взаимодействовать с четвертым уровнем модели OSI.

Для согласования работы устройств сети от разных производителей, обеспечения взаимодействия сетей, которые используют различную среду распространения сигнала создана эталонная модель взаимодействия открытых систем (ВОС). Эталонная модель построена по иерархическому принципу. Каждый уровень обеспечивает сервис вышестоящему уровню и пользуется услугами нижестоящего уровня.

Обработка данных начинается с прикладного уровня. После этого, данные проходят через все уровни эталонной модели, и через физический уровень отправляются в канал связи. На приеме происходит обратная обработка данных.

В эталонной модели OSI вводятся два понятия: протокол и интерфейс .

Протокол – это набор правил, на основе которых взаимодействуют уровни различных открытых систем.

Интерфейс – это совокупность средств и методов взаимодействия между элементами открытой системы.

Протокол определяет правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейс – модулей соседних уровней в одном узле.

Всего существует семь уровней эталонной модели OSI. Стоит отметить, что в реальных стеках используется меньше уровней. Например, в популярном TCP/IP используется всего четыре уровня. Почему так? Объясним чуть позже. А сейчас рассмотрим каждый из семи уровней в отдельности.

Уровни модели OSI:

Физический уровень. Определяет вид среды передачи данных, физические и электрические характеристики интерфейсов, вид сигнала. Этот уровень имеет дело с битами информации. Примеры протоколов физического уровня: Ethernet, ISDN, Wi-Fi.
Канальный уровень. Отвечает за доступ к среде передачи, исправление ошибок, надежную передачу данных. На приеме полученные с физического уровня данные упаковываются в кадры после чего проверяется их целостность. Если ошибок нет, то данные передаются на сетевой уровень. Если ошибки есть, то кадр отбрасывается и формируется запрос на повторную передачу. Канальный уровень подразделяется на два подуровня: MAC (Media Access Control) и LLC (Locical Link Control). MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде. LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На канальном уровне работают коммутаторы. Примеры протоколов: Ethernet, PPP.
Сетевой уровень. Его основными задачами являются маршрутизация – определение оптимального пути передачи данных, логическая адресация узлов. Кроме того, на этот уровень могут быть возложены задачи по поиску неполадок в сети (протокол ICMP). Сетевой уровень работает с пакетами. Примеры протоколов: IP, ICMP, IGMP, BGP, OSPF).
Транспортный уровень. Предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. Выполняет сквозной контроль передачи данных от отправителя до получателя. Примеры протоколов: TCP, UDP.
Сеансовый уровень. Управляет созданием/поддержанием/завершением сеанса связи. Примеры протоколов: L2TP, RTCP.
Представительский уровень. Осуществляет преобразование данных в нужную форму, шифрование/кодирование, сжатие.
Прикладной уровень. Осуществляет взаимодействие между пользователем и сетью. Взаимодействует с приложениями на стороне клиента. Примеры протоколов: HTTP, FTP, Telnet, SSH, SNMP.

После знакомства со эталонной моделью, рассмотрим стек протоколов TCP/IP.

В модели TCP/IP определено четыре уровня. Как видно из рисунка выше – один уровень TCP/IP может соответствовать нескольким уровням модели OSI.

Уровни модели TCP/IP:

Уровень сетевых интерфейсов. Соответствует двум нижним уровням модели OSI: канальному и физическому. Исходя из этого, понятно, что данный уровень определяет характеристики среды передачи (витая пара, оптическое волокно, радиоэфир), вид сигнала, способ кодирования, доступ к среде передачи, исправление ошибок, физическую адресацию (MAC-адреса). В модели TCP/IP на этом уровне работает протокол Ethrnet и его производные (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet).
Уровень межсетевого взаимодействия. Соответствует сетевому уровню модели OSI. Берет на себя все его функции: маршрутизацию, логическую адресация (IP-адреса). На данном уровне работает протокол IP.
Транспортный уровень. Соответствует транспортному уровню модели OSI. Отвечает за доставку пакетов от источника до получателя. На данному уровне задействуется два протокола: TCP и UDP. TCP является более надежным, чем UDP за счет создания предварительного соединения, запросов на повторную передачу при возникновении ошибок. Однако, в то же время, TCP более медленный, чем UDP.
Прикладной уровень. Его главная задача – взаимодействие с приложениями и процессами на хостах. Примеры протоколов: HTTP, FTP, POP3, SNMP, NTP, DNS, DHCP.

Инкапсуляция – это метод упаковки пакета данных, при котором независимые друг от друга служебные заголовки пакета абстрагируются от заголовков нижестоящих уровней путем их включения в вышестоящие уровни.

Рассмотрим на конкретном примере. Пусть мы хотим попасть с компьютера на сайт. Для этого наш компьютер должен подготовить http-запрос на получение ресурсов веб-сервера, на котором хранится нужная нам страница сайта. На прикладном уровне к данным (Data) браузера добавляется HTTP-заголовок. Далее на транспортном уровне к нашему пакету прибавляется TCP-заголовок, содержащий номера портов отправителя и получателя (80 порт – для HTTP). На сетевом уровне формируется IP-заголовок, содержащий IP-адреса отправителя и получателя. Непосредственно перед передачей, на канальном уровне добавляется Ethrnet-заголовок, который содержит физические (MAC-адреса) отправителя и получателя. После всех этих процедур пакет в виде битов информации передается по сети. На приеме происходит обратная процедура. Web-сервер на каждом уровне будет проверять соответствующий заголовок. Если проверка прошла удачно, то заголовок отбрасывается и пакет переходит на верхний уровень. В противном случае весь пакет отбрасывается.

Подписывайтесь на нашу

Эталонная модель OSI

Это описательная схема сети; ее стандарты гарантируют высокую совместимость и способность к взаимодействию различных типов сетевых технологий. Кроме того, она иллюстрирует процесс перемещения информации по сетям. Модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь через сетевую среду (например, провода) от одной прикладной программы (например, программы обработки таблиц) к другой прикладной программе, находящейся в другом подключенном к сети компьютере.

Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации между компьютерами через сетевую среду на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых подзадач. Каждая из этих семи подзадач выбрана потому, что она относительно автономна и, следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию. Такое разделение на уровни называется иерархическим представлением. Каждый уровень соответствует одной из семи подзадач...

Поскольку нижние уровни (с 1 по 3) модели OSI управляют физической доставкой сообщений по сети, их часто называют уровнями среды передачи данных (media layers). Верхние уровни (с 4 по 7) модели OSI обеспечивают точную доставку данных между компьютерами в сети, поэтому их часто называют уровнями хост-машины (host layers).

Прикладной уровень (уровень 7) - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI. Он обеспечивает услугами прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить процессы передачи речевых сигналов, базы данных, текстовые процессоры и т.д.

Этот уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные процессы, а также устанавливает и согласовывает процедуры устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Проще говоря этот уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся:

FTP - протокол переноса файлов

TFTP - упрощенный протокол переноса файлов

X.400 - электронная почта

SMTP - простой протокол почтового обмена

CMIP - общий протокол управления информацией

SNMP - простой протокол управления сетью

NFS - сетевая файловая система

FTAM - метод доступа для переноса файлов

Представительный уровень (уровень 6) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Этот уровень занят не только форматом и представлением фактических данных пользователя, но также структурами данных, которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня.

Сеансовый уровень (уровень 5) устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними.

Кроме того, предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень (уровень 4) Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть представлена как граница между протоколами высших (прикладных) уровней и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.

Транспортный уровень обеспечивает услуги по транспортировке данных, что избавляет высшие слои от необходимости вникать в ее детали. Функцией транспортного уровня является надежная транспортировка данных через сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Проще говоря транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают:

TCP - протокол управления передачей

NCP - Netware Core Protocol

SPX - упорядоченный обмен пакетами

TP4 - протокол передачи класса 4

Сетевой уровень (уровень 3) - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами.

Поскольку две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

Другими словами сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

IP - протокол Internet

IPX - протокол межсетевого обмена

X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2)

CLNP - сетевой протокол без организации соединений

Канальный уровень (уровень 2) (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде. (Он же IEEE 802.1 - задает стандарты управления сетью на MAC-уровне, включая алгоритм Spanning Tree. Этот алгоритм используется для обеспечения единственности пути (отсутствия петель) в многосвязных сетях на основе мостов и коммутаторов с возможностью его замены альтернативным путем в случае выхода из строя.)

Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают:

HDLC для последовательных соединений

IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x

Физический уровень (уровень 1) определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики установления, поддержания и разъединения физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как величины напряжений, параметры синхронизации, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

Этот уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включаютя:

Тип кабелей и разъемов

Разводку контактов в разъемах

Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:

EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса.

EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса.

IEEE 802.3 -- Ethernet

IEEE 802.5 -- Token ring

Физической средой в различных телекоммуникационных системах могут быть самые разнообразные средства от простейшей пары проводов до сложной системы передачи синхронной цифровой иерархии.

Чтобы понять структуру и принципы функционирования сети, необходимо уяснить, что любой обмен данными в сети осуществляется от источника к получателю. Информацию, посланную в сеть, называют данными, или пакетами данных. Если один компьютер (источник) хочет послать данные другому компьютеру (получателю), то данные

сначала должны быть собраны в пакеты в процессе инкапсуляции; который перед отправкой в сеть погружает их в заголовок конкретного протокола. Этот процесс можно сравнить с подготовкой бандероли к отправке - обернуть содержимое бумагой, вложить в транспортный конверт, указать адрес отправителя и получателя, наклеить марки и бросить в почтовый ящик.

При выполнении сетями услуг пользователям, поток и вид упаковки информации изменяются.

Например..пять этапов преобразования:

1. Формирование данных. Когда пользователь посылает сообщение электронной почтой, алфавитно-цифровые символы сообщения преобразовываются в данные, которые могут перемещаться в сетевом комплексе.

2. Упаковка данных для сквозной транспортировки. Для передачи через сетевой комплекс данные соответствующим образом упаковываются. Благодаря использованию сегментов, транспортная функция гарантирует надежное соединение участвующих в обмене

Эталонная модель под названием "Взаимодействие Открытых Систем" (OSI - Open Systems Interconnection) была выпущена в 1984 году.

Включает в себя:

· Поиск приложения, с которым будем обмениваться информацией.
· Установление и поддержание связи.
· Обработка потерь и помех при обмене.

Модель OSI разделяет задачу сетевого обмена на семь более мелких задач, что упрощает решение. Каждая из подзадач сформулирована таким образом, чтобы для её решения требовался минимум внешней информации.

Каждый уровень модели OSI соответствует своей подзадаче. Из этого следует, что каждый уровень модели в достаточной степени автономен. Поэтому реальные реализации сетей могут использовать не все уровни, а только часть из них.

Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию (рис. 1) разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

· горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах
· вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.

Рисунок 1. Модель OSI

Уровень 1, физический.

Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:

· Тип кабелей и разъемов.
· Разводку контактов в разъемах.
· Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.

Уровень 2, канальный.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

Уровень 3, сетевой.

Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Уровень 4, транспортный.

Транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

Уровень 5, сеансовый.

Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Уровень 6, уровень представления.

Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Уровень 7, прикладной.

Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (Open System Interconnection) . Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения. На рис. 1.10 представлена структура базовой модели.

Каждый уровень модели OSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам.

Рис. 1.10. Модель OSI

Если приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, то для обмена данными оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.

Взаимодействие уровней модели OSI

Модель OSI можно разделить на две различных модели, как показано на рис. 1.11:

Горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;

Вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.

Каждый уровень компьютера-отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютера-получателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера.

Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера-получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе.

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface).

Рис. 1.11. Схема взаимодействия компьютеров в базовой эталонной модели OSI

Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети.

При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рис. 1.12, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета.

На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.

Рис. 1.12. Формирование пакета каждого уровня семиуровневой модели

Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

Отдельные уровни модели OSI удобно рассматривать как группы программ, предназначенных для выполнения конкретных функций. Один уровень, к примеру, отвечает за обеспечение преобразования данных из ASCII в EBCDIC и содержит программы, необходимые для выполнения этой задачи.

Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь сервис у нижестоящего уровня. Верхние уровни запрашивают сервис почти одинаково: как правило, это требование маршрутизации каких-то данных из одной сети в другую. Практическая реализация принципов адресации данных возложена на нижние уровни. На рис. 1.13 приведено краткое описание функций всех уровней.

Рис. 1.13. Функции уровней модели OSI

Рассматриваемая модель определяет взаимодействие открытых систем разных производителей в одной сети. Поэтому она выполняет для них координирующие действия по:

Взаимодействию прикладных процессов;

Формам представления данных;

Единообразному хранению данных;

Управлению сетевыми ресурсами;

Безопасности данных и защите информации;

Диагностике программ и технических средств.

Прикладной уровень (Application layer)

Прикладной уровень обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия, является верхним (седьмым) уровнем и непосредственно примыкает к прикладным процессам.

В действительности прикладной уровень – это 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. Специальные элементы прикладного сервиса обеспечивают сервис для конкретных прикладных программ, таких как программы пересылки файлов и эмуляции терминалов. Если, например программе необходимо переслать файлы, то обязательно будет использован протокол передачи, доступа и управления файлами FTAM (File Transfer, Access, and Management). В модели OSI прикладная программа, которой нужно выполнить конкретную задачу (например, обновить базу данных на компьютере), посылает конкретные данные в виде Дейтаграммы на прикладной уровень. Одна из основных задач этого уровня – определить, как следует обрабатывать запрос прикладной программы, другими словами, какой вид должен принять данный запрос.

Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Прикладной уровень выполняет следующие функции:

1. Выполнение различных видов работ.

Передача файлов;

Управление заданиями;

Управление системой и т. д;

2. Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям;

3. Определение функционирующих абонентов и возможности доступа к новым прикладным процессам;

4. Определение достаточности имеющихся ресурсов;

5. Организация запросов на соединение с другими прикладными процессами;

6. Передача заявок представительскому уровню на необходимые методы описания информации;

7. Выбор процедур планируемого диалога процессов;

8. Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов;

9. Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок);

10. Соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных;

11. Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).

Указанные функции определяют виды сервиса, которые прикладной уровень предоставляет прикладным процессам. Кроме этого, прикладной уровень передает прикладным процессам сервис, предоставляемый физическим, канальным, сетевым, транспортным, сеансовым и представительским уровнями.

На прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское программное обеспечение.

К числу наиболее распространенных протоколов верхних трех уровней относятся:

FTP (File Transfer Protocol) протокол передачи файлов;

TFTP (Trivial File Transfer Protocol) простейший протокол пересылки файлов;

X.400 электронная почта;

Telnet работа с удаленным терминалом;

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) простой протокол почтового обмена;

CMIP (Common Management Information Protocol) общий протокол управления информацией;

SLIP (Serial Line IP) IP для последовательных линий. Протокол последовательной посимвольной передачи данных;

SNMP (Simple Network Management Protocol) простой протокол сетевого управления;

FTAM (File Transfer, Access, and Management) протокол передачи, доступа и управления файлами.

Уровень представления данных (Presentation layer)

Функции данного уровня – представление данных, передаваемых между прикладными процессами, в нужной форме.

Этот уровень обеспечивает то, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. В случаях необходимости уровень представления в момент передачи информации выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а в момент приема, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. Такая ситуация может возникнуть в ЛВС с неоднотипными компьютерами (IBM PC и Macintosh), которым необходимо обмениваться данными. Так, в полях баз данных информация должна быть представлена в виде букв и цифр, а зачастую и в виде графического изображения. Обрабатывать же эти данные нужно, например, как числа с плавающей запятой.

В основу общего представления данных положена единая для всех уровней модели система ASN.1. Эта система служит для описания структуры файлов, а также позволяет решить проблему шифрования данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня.

Представительный уровень выполняет следующие основные функции:

1. Генерация запросов на установление сеансов взаимодействия прикладных процессов.

2. Согласование представления данных между прикладными процессами.

3. Реализация форм представления данных.

4. Представление графического материала (чертежей, рисунков, схем).

5. Засекречивание данных.

6. Передача запросов на прекращение сеансов.

Протоколы уровня представления данных обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.

Сеансовый уровень (Session layer)

Сеансовый уровень – это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами.

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 сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.

Сеансовый уровень управляет передачей информации между прикладными процессами, координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений во время сеанса и завершение сеанса.

На сеансовом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процессами:

Полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди);

Дуплексной (процессы будут передавать данные, и принимать их одновременно).

В полудуплексном режиме сеансовый уровень выдает тому процессу, который начинает передачу, маркер данных. Когда второму процессу приходит время отвечать, маркер данных передается ему. Сеансовый уровень разрешает передачу только той стороне, которая обладает маркером данных.

Сеансовый уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Установление и завершение на сеансовом уровне соединения между взаимодействующими системами.

2. Выполнение нормального и срочного обмена данными между прикладными процессами.

3. Управление взаимодействием прикладных процессов.

4. Синхронизация сеансовых соединений.

5. Извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях.

6. Установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки.

7. Прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его корректное возобновление.

8. Прекращение сеанса без потери данных.

9. Передача особых сообщений о ходе проведения сеанса.

Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.

Транспортный уровень (Transport Layer)

Транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки.

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 модели (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.

Транспортный уровень определяет адресацию физических устройств (систем, их частей) в сети. Этот уровень гарантирует доставку блоков информации адресатам и управляет этой доставкой. Его главной задачей является обеспечение эффективных, удобных и надежных форм передачи информации между системами. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения пакетов. Если проходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

В функции транспортного уровня входят:

1. Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных.

2. Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация и сообщение о неисправленных ошибках.

3. Восстановление передачи после отказов и неисправностей.

4. Укрупнение или разделение блоков данных.

5. Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная).

6. Подтверждение передачи.

7. Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.

Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают в себя:

TCP (Transmission Control Protocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;

UDP (User Datagram Protocol) пользовательский протокол дейтаграмм стека TCP/IP;

NCP (NetWare Core Protocol) базовый протокол сетей NetWare;

SPX (Sequenced Packet eXchange) упорядоченный обмен пакетами стека Novell;

TP4 (Transmission Protocol) – протокол передачи класса 4.

Сетевой уровень (Network Layer)

Сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих абонентские и административные системы через коммуникационную сеть, выбор маршрута наиболее быстрого и надежного пути.

Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя системами и обеспечивает прокладку виртуальных каналов между ними. Виртуальный или логический канал – это такое функционирование компонентов сети, которое создает взаимодействующим компонентам иллюзию прокладки между ними нужного тракта. Кроме этого, сетевой уровень сообщает транспортному уровню о появляющихся ошибках. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). В них помещаются фрагменты данных. Сетевой уровень отвечает за их адресацию и доставку.

Прокладка наилучшего пути для передачи данных называется маршрутизацией, 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.

Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой 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.

Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. 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, по которым проходит пакет.

Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы и маршрутизацию пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Сетевой уровень выполняет функции:

1. Создание сетевых соединений и идентификация их портов.

2. Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть.

3. Управление потоками пакетов.

4. Организация (упорядочение) последовательностей пакетов.

5. Маршрутизация и коммутация.

6. Сегментирование и объединение пакетов.

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. Однако часто 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.

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

IP (Internet Protocol) протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP, который предоставляет адресную и маршрутную информацию;

IPX (Internetwork Packet Exchange) протокол межсетевого обмена пакетами, предназначенный для адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell;

X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов (частично этот протокол реализован на уровне 2);

CLNP (Connection Less Network Protocol) сетевой протокол без организации соединений.

Канальный уровень (Data Link)

Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Задача канального уровня – передавать кадры от сетевого уровня к физическому уровню.

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются 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.

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.

Задача канального уровня – брать пакеты, поступающие с сетевого уровня и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Этот уровень обязан определить, где начинается и где заканчивается блок, а также обнаруживать ошибки передачи.

На этом же уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной передачи данных) ошибки.

LLC (Logical Link Control) управление логическим каналом осуществляет логический контроль связи. Подуровень LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня и связан с передачей и приемом пользовательских сообщений.

MAC (Media Assess Control) контроль доступа к среде. Подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и управляет доступом к каналу связи. Подуровень LLC находится выше подуровня МАC.

Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей посредством процедуры передачи данных по каналу.

При больших размерах передаваемых блоков данных канальный уровень делит их на кадры и передает кадры в виде последовательностей.

При получении кадров уровень формирует из них переданные блоки данных. Размер блока данных зависит от способа передачи, качества канала, по которому он передается.

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.

Канальный уровень может выполнять следующие виды функций:

1. Организация (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификация их портов.

2. Организация и передача кадров.

3. Обнаружение и исправление ошибок.

4. Управление потоками данных.

5. Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

Наиболее часто используемые протоколы на канальном уровне включают:

HDLC (High Level Data Link Control) протокол управления каналом передачи данных высокого уровня, для последовательных соединений;

IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x;

Ethernet сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликтов;

Token ring сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;

FDDI (Fiber Distributed Date Interface Station) сетевая технология по стандарту IEEE 802.6, использующая оптоволоконный носитель;

X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов;

Frame relay сеть, организованная из технологий Х25 и ISDN.

Физический уровень (Physical Layer)

Физический уровень предназначен для сопряжения с физическими средствами соединения. Физические средства соединения – это совокупность физической среды, аппаратных и программных средств, обеспечивающая передачу сигналов между системами.

Физическая среда – это материальная субстанция, через которую осуществляется передача сигналов. Физическая среда является основой, на которой строятся физические средства соединения. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц.

Физический уровень состоит из Подуровня стыковки со средой и Подуровня преобразования передачи.

Первый из них обеспечивает сопряжение потока данных с используемым физическим каналом связи. Второй осуществляет преобразования, связанные с применяемыми протоколами. Физический уровень обеспечивает физический интерфейс с каналом передачи данных, а также описывает процедуры передачи сигналов в канал и получения их из канала. На этом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:

Тип кабелей и разъемов;

Разводку контактов в разъемах;

Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.

Физический уровень выполняет следующие функции:

1. Установление и разъединение физических соединений.

2. Передача сигналов в последовательном коде и прием.

3. Прослушивание, в нужных случаях, каналов.

4. Идентификация каналов.

5. Оповещение о появлении неисправностей и отказов.

Оповещение о появлении неисправностей и отказов связано с тем, что на физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий, мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря механического контакта и т.д.). Виды сервиса, предоставляемого канальному уровню, определяются протоколами физического уровня. Прослушивание канала необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем, но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи. В ряде случаев для более четкого определения структуры физический уровень разбивается на несколько подуровней. Например, физический уровень беспроводной сети делится на три подуровня (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Физический уровень беспроводной локальной сети

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером. Повторители являются единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне.

Физический уровень может обеспечивать как асинхронную (последовательную) так и синхронную (параллельную) передачу, которая применяется для некоторых мэйнфреймов и мини-компьютеров. На Физическом уровне должна быть определена схема кодирования для представления двоичных значений с целью их передачи по каналу связи. Во многих локальных сетях используется манчестерское кодирование.

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 и другие характеристики среды и электрических сигналов.

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:

EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 – механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса;

EIA-RS-422/449, CCITT V.10 – механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса;

Ethernet – сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов;

Token ring – сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера.