Что такое эталонная модель OSI?

Для того чтобы доставить эту информацию по назначению предстоит решить еще много задач (вы знаете уже с предыдущего урока сколько проблем возникает в ходе передачи информации по линиям связи). Ответственность за эти задачи несут нижние уровни модели OSI.

Но сейчас на прикладном уровне модели OSI сообщение сформировано. Прикладной уровень направляет его вниз к представительному уровню. Программные средства представительного уровня читают заголовок полученной информации из прикладного уровня, выполняют требуемые действия, потом добавляют к сообщению собственную служебную информацию - заголовок представительного уровня. В заголовке представительного уровня содержатся указания для представительного уровня компьютера-адресата.

Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. (Некоторые средства уровней помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого "концевика".)

Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи компьютеру-адресату. К этому моменту сообщение "обрастает" заголовками всех уровней.

Ну, половина дела сделана. Да, да ровно половина, ведь теперь нужно чтобы компьютер-адресат  принял и обработал ее на своих  соответствующих уровнях. Итак, сообщение  по сети поступает к компьютеру-адресату. Оно принимается его физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню. В итоге, удаленный компьютер-адресат выполняет какие-то действия, которые были указаны в полученном сообщении, и посылает ответ-результат, и теперь он уже не компьютер-адресат, а компьютер-отправитель и так далее... Вот такая общая картина работы модели OSI.

Как вы заметили, мы в нашем разговоре уже успели определить достаточно много терминов. Термин сообщение (message) имеет много синонимов, которые применяют сетевые специалисты в документации, в описании работы и т.п. для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определенных уровней часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).Эти термины используют при описании работы отдельного уровня модели ISO.

Сейчас мы с  вами, в общем, и начнем знакомится с отдельными уровнями модели OSI. Но, хочу еще и еще раз сказать, что каждый уровень модели OSI мы будем изучать более подробно, и это займет у нас не несколько уроков, а несколько курсов! Поэтому, вы должны иметь в виду, что по сути этот урок еще введение.

Уровни модели OSI

Физический (Physical)

Физический (Physical) занимается в буквальном значении этого слова - передачей данных по проводам.

На этом уровне модели OSI определяются такие характеристики сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические топологии сети, способы передачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов), виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи. Этот уровень предполагает наличие некоторых знаний основ передачи данных (так что нам придется вспомнить немного физики). Но на это у нас будет еще время.

Итак, физический (Physical) уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют еще такие характеристики физических сред передачи данных, как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др. На этом же определяются характеристики электрических сигналов, передающих информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов.

С физическим уровнем  обычно ассоциируется подключение  следующего сетевого оборудования: концентраторов, хабов и повторителей, регенерирующих электрические сигналы; соединительных разъемов среды передачи, обеспечивающих механический интерфейс для связи устройства со средой передачи; модемов и различных преобразующих устройств, выполняющих цифровые и аналоговые преобразования. Этот уровень модели определяет физические топологии в сети, которые строятся с использованием базового набора стандартных топологий (мы с ними познакомились в прошлом уроке). Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Канальный (Data Link)

Итак, мы выяснили, что на физическом уровне просто пересылаются биты и ничего более. И совсем не учитывается, кто передает информацию, кому ее нужно передать, когда, и занят ли канал связи или свободен и остальные проблемы, которые возникают в распределенных линиях связи. Все это его не касается.

Задачами борьбы "за кабель" занимается именно канальный уровень.

Можно сказать  так:

канальный уровень во-первых, проверяет доступность среды передачи.

во-вторых, реализует  механизмы обнаружения и коррекции  ошибок.

Для работы на канальном уровне биты группируются в наборы. Эти наборы называются кадрами (frame). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра. Для этого канальный уровень используется метод подсчета контрольной суммы.

Итак, если на физическом уровне единица информации - биты, то на канальном уровне - кадры.

Специальная последовательность бит помещается в начало и конец  каждого кадра, для его выделения, а также вычисляется контрольная  сумма, все байты обрабатываются определенным способом, и добавляется контрольная сумма к кадру. В таком виде кадр приходит по сети к получателю, он снова вычисляет контрольную сумму полученных данных, сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, то кадр правильный и получатель его принимает. Если же контрольные суммы не совпадают, то о дальнейшей его обработке никакой речи и быть не может - фиксируется ошибка передачи. Вот таким способом обеспечивается контроль на правильность каждого кадра информации, но кроме этого канальный уровень может исправлять эти ошибки за счет повторной передачи кадров.

Но надо оговорить, что в принципе исправление ошибок - это не обязательная функция канального уровня.

Итак, можно  сказать, что если физический уровень определяет физическую структуру сети, то канальный уровень определяет логическую топологию этой же сети. Определяет правила получения доступа к среде передачи данных, решает вопросы, связанные с адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением передачей информации (синхронизация передачи и сервис соединений) между сетевыми устройствами.

Канальный уровень определяет:

правила организации  битов физического уровня (двоичные единицы и нули) в логические группы информации, называемые кадрами или фреймами (frame).

правила обнаружения (и иногда исправления) ошибок при передаче;

правила управления потоками данных (для устройств, работающих на этом уровне модели OSI, например, мостов);

правила идентификации  компьютеров в сети по их физическим адресам.

С канальным уровнем обычно связаны следующие сетевые соединительные устройства:

мосты;

интеллектуальные  концентраторы;

коммутаторы;

сетевые интерфейсные платы (сетевые интерфейсные карты, адаптеры и т.д.).

Та информация, которую добавляет в начало пакета данных канальный уровень, может включать адрес источника и адрес назначения (физический или аппаратный), информацию о длине фрейма и информацию, об активных протоколах верхнего уровня.

В локальной  сети хоть 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 типовым топологиям, которые поддерживает канальный уровень локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов.

В глобальных сетях, в которых редко встретишь  стабильную топологию, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи.

В целом канальный уровень - очень и очень мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети.

Тем не менее, для  обеспечения качественной транспортировки  сообщений в сетях любых топологий  и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный уровни модели OSI.

Сетевой (Network)

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. При этом эти сети могут использовать абсолютно разные принципы передачи информации и быть организованными совершенно произвольно по структуре!

Итак, мы разобрались  немного в том, что канальный  уровень обеспечивает доставку данных между узлами сети ТОЛЬКО с соответствующей типовой топологией, например, только в сети топологии "звезда". Нам хорошо ясно, что это очень жестокое ограничение. Оно не позволит нам строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых действуют избыточные связи между узлами.

Пути выхода есть два. Можно было бы усложнять  средства канального уровня, чтобы  они могли поддерживать избыточные связи, но модель OSI предлагает другое решение - разделения обязанностей между уровнями. И вводит новый уровень сетевой.

На этом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. Здесь под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных средства канального уровня, строго определенные именно для этой типологии.

Скажем так, внутри каждой сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных МЕЖДУ сетями занимается сетевой уровень.

Сети соединяются  между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.

Маршрутизатор - это устройство,

которое собирает информацию о топологии 

межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты

уровня в сеть назначения.

Чтобы передать сообщение от отправителя, который  находится в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно  совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. А выбор наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение одной из главных задач сетевого уровня!

Эта проблема осложняется тем, короткий путь не всегда самый лучший. Но это требует отдельного рассмотрения, и мы этим займемся подробно, но не в этом уроке и даже не в этом курсе.

Итак, на сетевом  уровне единица информации представляется пакетами.

При организации  доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части - номера сети и младшей - номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину "сеть" на сетевом уровне можно дать еще одно, уже более формальное определение:

сеть - это совокупность узлов, сетевой  адрес которых содержит один и  тот же номер сети.

Итак, сетевой уровень отвечает за деление узлов сети на группы (адресацию) и управление сетью. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования аппаратных адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов на транспортный уровень.

Транспортный  уровень (Transport)

Дело в том, что на пути от отправителя к получателю пакеты информации, которые сформировал сетевой уровень, могут быть искажены или утеряны. Поэтому и не только поэтому, необходимость обеспечения надежности передачи данных образовала еще появление следующего уровня модели OSI.

Транспортный  уровень обеспечивает приложениям или верхним уровням прикладному и сеансовому модели OSI - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, которые предоставляет транспортный уровень. Все эти виды отличаются качеством своих услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования, а главное - способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи!, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

При выборе средства транспортного уровня учитывается, с одной стороны, в какой степени само приложение сможет обеспечить защиту информации, а с другой стороны, насколько надежно обеспечивает передачу данных в сети нижние уровни - сетевой, канальный и физический. Так, например, если качество линий передачи связи очень высокое и вероятность возникновения не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то пользуются более простым сервисом транспортного уровня, у которого нет всяких сложных и многочисленных проверок. Если же транспортные средства нижних уровней изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее сложному сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств обнаружения и устранения ошибок.

Остальные три верхних уровня модели решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.