Еталонна модель OSI

Еталонна модель OSI

Модель OSI була запропонована Міжнародною  організацією стандартів ISO (International Standards Organization) в 1984 році. З тих пір її використовують (більш-менш строго) усі виробники мережевих продуктів. Як і будь-яка універсальна модель, OSI достатньо громіздка, надлишкова, і не дуже гнучка. Тому реальні мережеві засоби, пропоновані різними фірмами, не обов'язково дотримуються прийнятого поділу функцій. Однак знайомство з моделлю OSI дозволяє краще зрозуміти, що ж відбувається в мережі.

Всі мережеві функції в моделі розділені  на 7 рівнів (мал. 1.1). При цьому вищі рівні виконують більш складні, глобальні завдання, для чого використовують у своїх цілях нижчі рівні, а також управляють ними. Мета нижчого рівня - надання послуг вищому рівню, причому вищестоящому рівню не важливі деталі виконання цих послуг. Нижчі рівні виконують більш прості і конкретні функції. В ідеалі кожен рівень взаємодіє тільки з тими, які знаходяться поруч з ним (вище і нижче за нього). Верхній рівень відповідає прикладній задачі, що працює в даний момент додатком, нижній - безпосередній передачі сигналів по каналу зв'язку. 

Рис. 1.1. Сім рівнів моделі OSI

Модель OSI відноситься не тільки до локальних мереж, але і до будь мереж зв'язку між комп'ютерами  або іншими абонентами. Зокрема, функції  Інтернету також можна поділити на рівні згідно з моделлю OSI. Принципові відмінності локальних мереж  від глобальних, з точки зору моделі OSI, спостерігаються тільки на нижніх рівнях моделі.

Функції, що входять в показані на мал. 1.1 рівні, реалізуються кожним абонентом мережі. При цьому кожен рівень на одному абоненті працює так, як ніби він має прямий зв'язок з відповідним рівнем іншого абонента. Між однойменними рівнями абонентів мережі існує віртуальний (логічний) зв'язок, наприклад, між прикладними рівнями взаємодіючих по мережі абонентів. Реальний ж, фізичний зв'язок (кабель, радіоканал) абоненти однієї мережі мають тільки на самому нижньому, першому, фізичному рівні. У передавальному абоненті інформація проходить всі рівні, починаючи з верхнього і закінчуючи нижнім. У приймаючому абоненті отримана інформація робить зворотний шлях: від нижнього рівня до верхнього (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Шлях інформації від абонента до абонента

Дані, які необхідно передати по мережі, на шляху від верхнього (сьомого) рівня до нижнього (першого) проходять процес інкапсуляції. Кожен нижченаведений рівень не тільки виконує обробку даних, що приходять з більш високого рівня, але й постачає їх своїм заголовком, а також службовою інформацією. Такий процес обростання службовою інформацією продовжується до останнього (фізичного) рівня. На фізичному рівні вся ця багато оболонкова конструкція передається по кабелю приймачу. Там вона проробляє зворотну процедуру декапсуляції, тобто при передачі на вищий рівень забирається одна з оболонок. Верхнього сьомого рівня досягають вже дані, звільнені від усіх оболонок, тобто від всієї службової інформації нижчестоящих рівнів. При цьому кожен рівень приймаючого абонента робить обробку даних, отриманих з нижченаведеного рівня відповідно до прибраної ним службової інформації.

Якщо на шляху між абонентами в мережі включаються якісь проміжні пристрої (наприклад, трансивери, репітери, концентратори, комутатори, маршрутизатори), то і вони теж можуть виконувати функції, що входять в нижні рівні  моделі OSI. Чим більша складність проміжного пристрою, тим більше рівнів він захоплює. Але будь-який проміжний пристрій повинен приймати і повертати інформацію на нижньому, фізичному рівні. Всі внутрішні перетворення даних повинні проводитися двічі і в протилежних напрямках (рис. 1.3). Проміжні мережеві пристрої на відміну від повноцінних абонентів (наприклад, комп'ютерів) працюють тільки на нижніх рівнях і до того ж виконують двостороннє перетворення. 

Рис. 1.3. Включення проміжних пристроїв між абонентами мережі

Розглянемо докладніше функції  різних рівнів.

• Прикладний (7) рівень (Application Layer) або рівень додатків - забезпечує послуги, що безпосередньо підтримують програми користувача, наприклад, програмні засоби передачі файлів, доступ до баз даних, засоби електронної пошти, служба реєстрації на сервері. Цей рівень керує всіма іншими шістьма рівнями. Наприклад, якщо користувач працює з електронними таблицями Excel і вирішує зберегти робочий файл у своїй директорії на мережному файл-сервері, то прикладній рівень забезпечує переміщення файлу з робочого комп'ютера на мережевий диск прозоро для користувача.

• Представницький (6) рівень (Presentation Layer) або рівень представлення даних - визначає і перетворює формати даних і їх синтаксис у форму, зручну для мережі, тобто виконує функцію перекладача. Тут же проводиться шифрування і дешифрування даних, а при необхідності - і їх стиснення. Стандартні формати існують для текстових файлів (ASCII, EBCDIC, HTML), звукових файлів (MIDI, MPEG, WAV), малюнків (JPEG, GIF, TIFF), відео (AVI). Усі перетворення форматів робляться на представницькому рівні. Якщо дані передаються у вигляді двійкового коду, то перетворення формату не потрібно.

• Сеансовий (5) рівень (Session Layer) керує проведенням сеансів зв'язку (тобто встановлює, підтримує і припиняє зв'язок). Цей рівень передбачає три режими установки сеансів: симплексний (передача даних в одному напрямку), напів дуплексний (передача даних по черзі в двох напрямках) і повно дуплексний (передача даних одночасно в двох напрямках). Сеансовий рівень може також вставляти в потік даних спеціальні контрольні точки, які дозволяють контролювати процес передачі при розриві зв'язку. Цей же рівень розпізнає логічні імена абонентів, контролює надані їм права доступу.

• Транспортний (4) рівень (Transport Layer) забезпечує доставку пакетів без помилок і втрат, а також в потрібній послідовності. Тут же проводиться розбивка переданих даних на блоки, що поміщаються в пакети, і відновлення прийнятих даних з пакетів. Доставка пакетів можлива як з встановленням з'єднання (віртуального каналу), так і без. Транспортний рівень є прикордонним і сполучним між верхніми трьома, сильно залежними від додатків, і трьома нижніми рівнями, сильно прив'язаними до конкретної мережі.

• Мережевий (3) рівень (Network Layer) відповідає за адресацію пакетів і переклад логічних імен (логічних адрес, наприклад, IP-адрес або IPX-адрес) в фізичні мережеві MAC-адреси (і назад). На цьому ж рівні вирішується завдання вибору маршруту (шляху), по якому пакет доставляється за призначенням (якщо в мережі є кілька маршрутів). На мережевому рівні діють такі складні проміжні мережеві пристрої, як маршрутизатори.

Найчастіше на мережевому рівні використовуються протоколи:

• IPv4 -  четверта версія мережевого протоколу IP;
• IPv6 - IP версії 6; 
• ICMP - міжмережевий протокол керуючих повідомлень; 
• IGMP - протокол керування групами Інтернету; 
• IPX – протокол між мережевого обміну; 
• NetBEUI - розширений інтерфейс датаграмної передачі NetBIOS;
• IPSec - набір протоколів для забезпечення захисту дани;
• ARP - протокол визначення адрес;

• Канальний (2) рівень або рівень керування лінією передачі (Data link Layer) відповідає за формування пакетів (кадрів) стандартного для даної мережі (Ethernet, Token-Ring, FDDI) виду, що включають початкові і кінцеві керуючі поля. Тут же здійснюється управління доступом до мережі, виявляються помилки передачі шляхом підрахунку контрольних сум, і проводиться повторна пересилка приймачу помилкових пакетів. Канальний рівень ділиться на два підрівні: верхній LLC і нижній MAC. На канальному рівні працюють такі проміжні мережеві пристрої, як, наприклад, комутатори.

Найбільш часто вживані  протоколи на рівні 2 включають:

• HDLC - для послідовних з’єднань;
• IEEE 802.2 LLC (тип I і тип II) забезпечують MAC для середовищ 802.x;
• Ethernet;
• Token ring;
• FDDI - описує високошвидкісні мережі  на основі оптоволокна;
• PPP -  протокол точка-точка;
• PPTP -  тунельний протокол типу точка-точка;
• IEEE 802.11 - набір стандартів для комунікації в бездротовій локальній мережевій зоні (WLAN);

• Фізичний (1) рівень (Physical Layer) - це найнижчий рівень моделі, який відповідає за кодування переданої інформації на рівні сигналів, прийнятих в використовуваному середовищі передачі, і зворотне декодування. Тут же визначаються вимоги до з'єднувачів, роз'ємів, електричного узгодження, заземлення, захисту від перешкод і т.д. На фізичному рівні працюють такі мережеві пристрої, як трансивери, репітери і репітерні концентратори.

До числа найбільш поширених протоколів фізичного рівня відносяться:

• EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механічні/електричні характеристики незбалансованого послідовного інтерфейсу;
• EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механічні, електричні та оптичні характеристики збалансованого послідовного інтерфейсу;
• IEEE 802.3 - Ethernet;
• IEEE 802.5 - Token ring;

Більшість функцій  двох нижніх рівнів моделі (1 і 2) зазвичай реалізуються апаратно (частина функцій  рівня 2 - програмним драйвером мережевого адаптера). Саме на цих рівнях визначається швидкість передачі і топологія  мережі, метод керування обміном  і формат пакета, тобто те, що має  безпосереднє відношення до типу мережі, наприклад, Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Більш високі рівні, як правило, не працюють безпосередньо з конкретною апаратурою, хоча рівні 3, 4 і 5 ще можуть враховувати її особливості. Рівні 6 і 7 ніяк не пов'язані з апаратурою, заміни одного типу апаратури на інший вони не помічають.

Як уже зазначалося, в рівні 2 (канальному) нерідко виділяють  два підрівня (sublayers) LLC і MAC (рис. 1.4):

• Верхній підрівень (LLC - Logical Link Control) здійснює управління логічним зв'язком, тобто встановлює віртуальний канал зв'язку. Строго кажучи, ці функції не пов'язані з конкретним типом мережі, але частина з них все ж покладається на апаратуру мережі (мережевий адаптер). Інша частина функцій підрівня LLC виконується програмою драйвера мережного адаптера. Підрівень LLC відповідає за взаємодію з рівнем 3 (мережевим).

• Нижній підрівень (MAC - Media Access Control) забезпечує безпосередній доступ до середовища передачі інформації (каналу зв'язку). Він безпосередньо пов'язаний з апаратурою мережі. Саме на підрівні MAC здійснюється взаємодія з фізичним рівнем. Тут виробляється контроль стану мережі, повторна передача пакетів задане число разів при колізіях, прийом пакетів і перевірка правильності передачі.

Рис. 1.4. Підрівні LLC і MAC канального рівня

Крім моделі OSI існує  також модель IEEE Project 802, прийнята в  лютому 1980 року (звідси і число 802 у  назві), яку можна розглядати як модифікацію, розвиток, уточнення моделі OSI. Стандарти, що визначаються цією моделлю (так звані 802-специфікації) відносяться до нижніх двох рівнів моделі OSI і діляться на дванадцять категорій, кожній з яких привласнений свій номер:

802.1 - об'єднання мереж  за допомогою мостів і комутаторів

802.2 - управління логічним зв'язком на підрівні LLC.

802.3 - локальна мережа  з методом доступу CSMA / CD і топологією  шина (Ethernet).

802.4 - локальна мережа  з топологією шина і маркерним  доступом (Token-Bus).

802.5 - локальна мережа  з топологією кільце і маркерним  доступом (Token-Ring).

802.6 - міська мережа (Metropolitan Area Network, MAN) з відстанями між абонентами більше 5 км.

802.7 - широкосмугова  технологія передачі даних.

802.8 - оптоволоконна  технологія.

802.9 - інтегровані мережі  з можливістю передачі мови  та даних.

802.10 - безпека мереж,  шифрування даних.

802.11 - бездротова мережа  по радіоканалу (WLAN - Wireless LAN).

802.12 - локальна мережа  з централізованим управлінням  доступу за пріоритетами запитів і топологією зірка (100VG-AnyLAN).

Апаратура локальних  мереж 1, 2 та 3 рівня моделі OSI

Апаратура локальних  мереж забезпечує реальний зв'язок між абонентами. Вибір апаратури  має найважливіше значення на етапі  проектування мережі, так як вартість апаратури складає найбільш істотну  частину від вартості мережі в  цілому, а заміна апаратури пов'язана  не тільки з додатковими витратами, але часто і з трудомісткими  роботами. До апаратури локальних мереж відносяться:

• кабелі для передачі інформації;

• роз'єми для приєднання кабелів;

• термінатори;

• мережеві адаптери;

• репітери;

• трансивери;

• концентратори;

• мости;

• маршрутизатори;

• шлюзи.

Мережеві  адаптери (вони ж контролери, карти, плати, інтерфейси, NIC - Network Interface Card) - це основна частина апаратури локальної мережі. Призначення мережевого адаптера - сполучення комп'ютера (або іншого абонента) з мережею, тобто забезпечення обміну інформацією між комп'ютером і каналом зв'язку відповідно до прийнятих правил обміну. Саме вони реалізують функції двох нижніх рівнів моделі OSI. Як правило, мережеві адаптери виконуються у вигляді плати (рис. 1.5), що вставляється в слоти розширення системної магістралі (шини) комп'ютера (найчастіше PCI, ISA або PC-Card). Плата мережевого адаптера зазвичай має також один або декілька зовнішніх роз'ємів для підключення до неї кабелю мережі. 

Рис. 1.5. Плата мережевого адаптера

Наприклад, мережеві адаптери Ethernet можуть випускатися з наступними наборами роз'ємів:

AUI

BNC

ST

RJ-45

• TPO - роз'єм RJ-45 (для  кабелю на кручених парах за стандартом 10BASE-T).

• TPC - роз'єми RJ-45 (для  кабелю на кручених парах 10BASE-T) і BNC (для коаксіального кабелю 10BASE2).

• TP - роз'єм RJ-45 (10BASE-T) і  трансиверний роз'єм AUI.

• Combo - роз'єми RJ-45 (10BASE-T), BNC (10BASE2), AUI.

• Coax - роз'єми BNC, AUI.

• FL - роз'єм ST (для оптоволоконного  кабелю 10BASE-FL).

Функції мережевого адаптера поділяються на магістральні та мережеві. До магістральних відносяться ті функції, які здійснюють взаємодію адаптера з магістраллю (системною шиною) комп'ютера (тобто розпізнання своєї магістрального адреси, пересилання даних в комп'ютер і з комп'ютера, вироблення сигналу переривання процесора і т.д.). Мережеві функції забезпечують спілкування адаптера з мережею.

До основних мережевих функцій адаптерів відносяться:

• гальванічна розв'язка комп'ютера та кабелю локальної мережі (для цього зазвичай використовується передача сигналів через імпульсні  трансформатори);

• перетворення логічних сигналів в мережеві (електричні або  світлові) і назад;

• кодування і декодування  мережевих сигналів, тобто пряме  і зворотне перетворення мережевих  кодів передачі інформації (наприклад, манчестерський код);

• впізнання прийнятих  пакетів (вибір з усіх пакетів, що приходять, тих, які адресовані даному абоненту або всім абонентам мережі одночасно);

• перетворення паралельного коду в послідовний при передачі і зворотне перетворення при прийомі;

• буферизація переданої  та прийнятої інформації у буферній пам'яті адаптера;

• організація доступу  до мережі відповідно до прийнятого методом  управління обміном;

• підрахунок контрольної  суми пакетів при передачі і прийомі.

Типовий алгоритм взаємодії  комп'ютера з мережевим адаптером  виглядає наступним чином.

Якщо комп'ютер хоче передати пакет, то він спочатку формує цей пакет у своїй пам'яті, потім  пересилає його в буферну пам'ять  мережевого адаптера і дає команду  адаптеру на передачу. Адаптер аналізує поточний стан мережі і при першій же можливості видає пакет в мережу (виконує управління доступом до мережі). При цьому він виконує перетворення інформації з буферної пам'яті в послідовний вид для побітної передачі по мережі, підраховує контрольну суму, кодує біти пакета в мережевий код і через вузол гальванічної розв'язки видає пакет в кабель мережі. Буферна пам'ять в даному випадку дозволяє звільнити комп'ютер від контролю стану мережі, а також забезпечити необхідний для мережі темп видачі інформації.

Якщо по мережі приходить  пакет, то мережевий адаптер через  вузол гальванічної розв'язки приймає  біти пакета, виконує їх декодування з мережевого коду і порівнює мережеву адресу приймача з пакету зі своєю власною адресою. Адреса мережевого адаптера, як правило, встановлюється виробником адаптера. Якщо адреса збігається, то мережевий адаптер записує пакет, що прийшов в свою буферну пам'ять і повідомляє комп'ютера (зазвичай - сигналом апаратного переривання) про те, що прийшов пакет і його треба читати. Одночасно із записом пакету проводиться підрахунок контрольної суми, що дозволяє до кінця прийому зробити висновок, чи є помилки в цьому пакеті. Буферна пам'ять в даному випадку знову ж дозволяє звільнити комп'ютер від контролю мережі, а також забезпечити високий ступінь готовності мережевого адаптера до прийому пакетів.

Найчастіше мережні  функції виконуються спеціальними мікросхемами високого ступеня інтеграції, що дає можливість знизити вартість адаптера і зменшити площу його плати.

Деякі адаптери дозволяють реалізувати функцію віддаленого  завантаження, тобто підтримувати роботу в мережі бездискових комп'ютерів, що завантажують свою операційну систему  прямо з мережі. Для цього до складу таких адаптерів включається  постійна пам'ять з відповідною  програмою завантаження. Правда, не всі мережеві програмні засоби підтримують  даний режим роботи.

Мережевий адаптер  виконує функції першого та другого  рівнів моделі OSI (мал. 1.6). 

Рис. 1.6. Функції мережевого адаптера в моделі OSI

Всі інші апаратні засоби локальних мереж (крім адаптерів) мають  допоміжний характер, і без них  часто можна обійтися. Це мережеві проміжні пристрої.

Трансивери або прийомопередавачі (від англійського TRANsmitter + reCEIVER) служать для передачі інформації між адаптером та кабелем мережі або між двома сегментами (частинами) мережі. Трансивери підсилюють сигнали, перетворюють їх рівні або перетворюють сигнали в іншу форму (наприклад, з електричної у світлову і назад). Трансиверами також часто називають вбудовані в адаптер прийомопередавачі.

Репітери або повторювачі (repeater) виконують більш просту функцію, ніж трансивери. Вони не перетворюють ні рівні сигналів, ні їх фізичну природу, а тільки відновлюють ослаблені сигнали (їх амплітуду і форму), приводячи їх до початкового стану. Мета такої ретрансляції сигналів полягає виключно у збільшенні довжини мережі (мал. 1.7). 

Рис. 1.7. З'єднання репітером двох сегментів мережі

Однак часто репітери виконують і деякі інші, допоміжні  функції, наприклад, гальванічну розв'язку з'єднуючих сегментів і кінцеве узгодження. Репітери так само як трансивери не виробляють жодної інформаційної обробки сигналів, що проходять через них. 

Рис. 1.8. Структура репітерного концентратора

Концентратори (хаби, hub), як випливає з їхньої назви, служать для об'єднання в мережу декількох сегментів. Концентратори (або репітерні концентратори) являють собою кілька зібраних в єдиній конструкції репітерів, вони виконують ті ж функції, що і репітери (рис. 5.8).

Перевага подібних концентраторів у порівнянні з окремими репітерами в тому, що всі точки  підключення зібрані в одному місці, це спрощує реконфігурацію мережі, контроль і пошук несправностей. До того ж всі репітери в даному випадку живляться від єдиного  якісного джерела живлення.

Концентратори іноді  втручаються в обмін, допомагаючи  усувати деякі явні помилки обміну. У будь-якому випадку вони працюють на першому рівні моделі OSI, так  як мають справу тільки з фізичними  сигналами, з бітами пакету і не аналізують вміст пакету, розглядаючи пакет як єдине ціле (рис. 1.9). На першому ж рівні працюють і трансивери, і репітери. 

Рис. 1.9. Функції концентраторів, репітерів і трансиверів в моделі OSI

Випускаються також  зовсім прості концентратори, які з'єднують  сегменти мережі без відновлення форми сигналів. Вони не збільшують довжину мережі.

Комутатори (свічі, комутуючі концентратори, switch), як і концентратори, служать для з'єднання сегментів в мережу. Вони також виконують більш складні функції, виконуючи сортування пакетів, що надходять на них.

Комутатори передають  з одного сегмента мережі в інший не всі надіслані на них пакети, а тільки ті, які адресовані для комп'ютерів з іншого сегмента. Пакети, передані між абонентами одного сегмента, через комутатор не проходять. При цьому сам пакет комутатором не приймається, а тільки пересилається. Інтенсивність обміну в мережі знижується внаслідок поділу навантаження, оскільки кожен сегмент працює не тільки зі своїми пакетами, але і з пакетами, які прийшли з інших сегментів.

Комутатор працює на другому  рівні моделі OSI (підрівень MAC), так  як аналізує МАС-адреси всередині пакету (рис. 1.10). Природно, він виконує і функції першого рівня. 

Рис. 1.10. Функції комутаторів в моделі OSI

Останнім часом обсяг  випуску комутаторів сильно виріс, ціна на них впала, тому комутатори поступово витісняють концентратори.

Мости (bridge), маршрутизатори (router) і шлюзи (gateway) служать для об'єднання в одну мережу декількох різнорідних мереж з різними протоколами обміну нижнього рівня, зокрема, з різними форматами пакетів, методами кодування, швидкістю передачі і т.д. В результаті їх застосування складна і неоднорідна мережа, що містить у собі різні сегменти, з точки зору користувача виглядає звичайної мережею. Забезпечується прозорість мережі для протоколів високого рівня. Всі вони набагато дорожчі, ніж концентратори, так як від них потрібна досить складна обробка інформації. Реалізуються вони зазвичай на базі комп'ютерів, підключених до мережі за допомогою мережевих адаптерів. По суті, вони являють собою спеціалізовані абоненти (вузли) мережі.

Мости - найбільш прості пристрої, що служать для об'єднання мереж з різними стандартами обміну, наприклад, Ethernet і Arcnet, або декількох сегментів (частин) однієї і тієї ж мережі, наприклад, Ethernet (рис. 1.11). В останньому випадку міст, як і комутатор, тільки розділяє навантаження сегментів, підвищуючи тим самим продуктивність мережі в цілому. На відміну від комутаторів мости приймають надіслані пакети цілком і в разі необхідності роблять їх найпростішу обробку. Мости, як і комутатори, працюють на другому рівні моделі OSI (мал. 1.10), але на відміну від них можуть захоплювати також і верхній підрівень LLC другого рівня (для зв'язку різнорідних мереж). Останнім часом мости швидко витісняються комутаторами, які стають більш функціональними.

Рис. 1.11. Включення мосту

Маршрутизатори здійснюють вибір оптимального маршруту для кожного пакета з метою уникнення надмірного навантаження окремих ділянок мережі і обходу пошкоджених ділянок. Вони застосовуються, як правило, в складних розгалужених мережах, що мають декілька маршрутів між окремими абонентами. Маршрутизатори не перетворюють протоколи нижніх рівнів, тому вони з'єднують тільки сегменти однойменних мереж.

Маршрутизатори працюють на третьому рівні моделі OSI, так  як вони аналізують не тільки MAC-адреси пакета, але і IP-адреси, тобто більш  глибоко проникають в інкапсульований пакет (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Функції маршрутизатора в моделі OSI

Існують також гібридні маршрутизатори (brouter), що представляють собою гібрид моста і маршрутизатора. Вони виділяють пакети, яким потрібна маршрутизація і обробляють їх як маршрутизатор, а для решти пакетів служать звичайним мостом.

Шлюзи - це пристрої для з'єднання мереж з сильно відмінними протоколами, наприклад, для з'єднання локальних мереж з великими комп'ютерами або з глобальними мережами. Це найдорожчі і рідко вживані мережеві пристрої. Шлюзи реалізують зв'язок між абонентами на верхніх рівнях моделі OSI (з четвертого по сьомий). Відповідно, вони повинні виконувати і всі функції нижчестоящих рівнів.