Эталонная модель взаимодействия открытых систем. Модель OSI(Open System Interconnection reference model)

Эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Модель OSI(Open System Interconnection reference model)

Главная цель при соединении компьютеров в сеть - это возможность использования ресурсов каждого компьютера всеми пользователями сети. Для того чтобы реализовать эту возможность, компьютеры должны иметь необходимые для этого средства взаимодействия с другими компьютерами сети. Задача разделения сетевых ресурсов является сложной, она включает в себя решение множества проблем.

Обычным подходом при решении сложной проблемы является ее разделение на несколько частных проблем - подзадач. При решении задачи межсетевого обмена она разбивается на иерархически упорядоченные группы - уровни. Для каждого уровня определяется набор функций-запросов, с которыми к модулям данного уровня могут обращаться модули выше лежащего уровня для решения своих задач. Такой формально определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для выше лежащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня, называется интерфейсом.

Интерфейс определяет совокупный сервис, предоставляемый данным уровнем  выше лежащему уровню.

При организации взаимодействия компьютеров  в сети каждый уровень ведет "переговоры" с соответствующим уровнем другого  компьютера. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п.

Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.

Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации  межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов.

Международная Организация по Стандартизации (International Standards Organization, ISO) разработала технологический стандарт, четко определяющий различные уровни взаимодействия систем, и указывающий, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется Эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или модель OSI.

Модель была представлена в 1984 году.  Она была разработана для гарантии взаимодействия различных типов  сетевого оборудования таких как сетевые адаптеры(nic – network interface connector), хабы и роутеры), даже при условии того, что они разработаны разными производителями. Она координирует (в ней специфицированы)

• Взаимодействие прикладных процессов
• Формы представления данных
• Управление сетевыми ресурсами
• Безопасность данных и целостность данных
• Диагностику программ и технических средств.

Модель OSI – это абстрактная сетевая модель и концептуальная схема взаимодействия и коммуникации сетевых протоколов

Модель OSI описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных.

На базе этой модели задаются правила и процедуры передачи данных между открытыми системами.

Модель описывает только системные  средства взаимодействия, реализуемые  ОС, системными утилитами, аппаратными  средствами. Она не включает в себя средства взаимодействия приложений конечных пользователей.

Стек OSI

Модель OSI разбивает комплекс задач  межсетевого обмена на семь уровней. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств. Эти уровни расположены друг над другом и нумеруются в порядке от нижнего к верхнему формируют, стек OSI. Стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов. Он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели.

Логически уровни принято разделять  на две группы.

Верхние уровни:

7. Прикладной Уровень (Application Layer)

6. Уровень представления (Presentation Layer)

5. Сеансовый Уровень (Session Layer)

Нижние уровни:

4. Транспортный Уровень (Transport Layer)

3. Сетевой Уровень (Network Layer)

2. Канальный Уровень (Data Link Layer)

1. Физический Уровень (Physical Layer)

Модель OSI содержит в себе по сути две 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

Верхние уровни модели OSI

Верхние уровни  модели представляют П.О., которое обеспечивает сетевые сервисы, такие как формирование данных, шифрование и управление соединениями.

Примерами верхнеуровневых технологий в модели OSI являются HTTP, SSL и NFS.

Нижние уровни модели OSI

Оставшиеся нижние уровни предоставляют  аппаратно-ориентированные сетевые функции, такие как маршрутизация, адресация и регулирование потоков данных. Примерами нижнеуровневых технологий в модели OSI являются  TCP, IP, and Ethernet.

Передача данных начинается с верхнего уровня отправляющей стороны, далее  данные следуют вниз по стеку OSI до нижнего  уровня, по сетевому соединению передаются на нижний уровень получающей стороны и следуют вверх по стеку.

Физический  уровень модели

Физический уровень отвечает за действительную передачу сигналов с  помощью определенных устройств  с одного компьютера на другой. Он имеет  дело с передачей битов по физическим каналам связи. Концентраторы, хабы и повторители  – стандартные сетевые устройства, работающие на Физическом уровне, также на этом уровне работают модемы и различные преобразующие устройства, выполняющие цифровые и аналоговые преобразования. Кабели и соединители также являются частью Физического уровня.

Этот уровень модели определяет физические топологии в сети, которые строятся с использованием базового набора стандартных топологий (шинной, кольцевой, звездообразная, полносвязная, сотовая, иерархическая).

* Шинная(bus) -  все сетевые устройства и компьютеры подключаются к общей шине передачи данных.

Кольцевая(ring) - все сетевые устройства и компьютеры объединены в физическое кольцо. В этой топологии информация всегда передается по кольцу в одну сторону. При двойном кольце в обе стороны.

Звездообразная(star) - предусматривает наличие центрального устройства, к которому лучами (отдельными кабелями) подключаются другие сетевые устройства и компьютеры

Полносвязная(mesh) - каждое из сетевых устройств или компьютеров соединяется с каждым другим компонентом сети.

Сотовая(cell) - сетевые устройства и компьютеры объединяются в зоны — ячейки, взаимодействуя только с приемо-передающим устройством ячейки.

Этот уровень включает спецификации электрических и механических характеристик, (таких как: уровень напряжения, время сигнала, уровень данных, максимальная длина передачи) сетевого оборудования. Поскольку устройство работает исключительно на физическом уровне, оно не обладает никакими знаниями о том, какие данные оно передает. Устройство физического уровня просто передает и принимает данные. Есть общие функции, за которые отвечает физический уровень. Это следующие функции:

• Определение спецификации оборудования
• Кодирование и передача сигналов
• Прием и передача данных
• Топология и физическая конфигурация сети

Примеры протоколов: IRDA, USB, EIA, Ethernet, DSL, ISDN, GSM

Канальный уровень модели

Канальный уровень отвечает за передачу данных между соседними узлами в глобальной сети или между узлами одного сегмента локальной сети. Канальный уровень обеспечивает функциональные и методические средства для передачи данных между сетевыми объектами и может предоставлять средства обнаружения и исправления ошибок, возникнувших на физическом уровне. Примерами протоколов канального уровня могут служить Ethernet для локальных сетей, протокол PPP(Point-to-Point Protocol), HDLC и ADCCP для соединений точка-точка.

С канальным уровнем обычно связаны  сетевые соединительные устройства: мосты, интеллектуальные концентраторы, коммутаторы, сетевые интерфейсные платы (сетевые интерфейсные карты, адаптеры и т.д.).

Этот уровень определяет правила получения доступа к среде передачи данных и организации битов физического уровня, решает вопросы, связанные с идентификацией компьютеров в сети по их физическим адресам. Также управляет передачей данных между сетевыми устройствами, работающими на этом уровне модели OSI (например, мосты), имеет средства для обнаружения (иногда исправления) ошибок и уведомления о них.

Маршрутизация межсетевого обмена и глобальная адресация – это функции более высоких уровней модели OSI. Таким образом, функции канального уровня сосредоточены вокруг локальной доставки, локальной адресации и разрешения возникающих конфликтов по доступу к данным.  При попытке одновременного доступа к данным несколькими устройствами возникает конфликт. Канальный уровень определяет способы обнаружения и восстановления устройств после таких конфликтов, но он не может предотвратить их.

Канальный уровень связан с локальной  доставкой фреймов между устройствами одной локальной сети.  Фреймы или кадры – это единица данных канального уровня, состоящая из непрерывной последовательности сгруппированных битов, передаваемая между сетевыми устройствами. Формат кадра зависит от сетевой топологии. Направляемые по каналу кадры подразделяются на информационные кадры, переносящие данные, и управляющие кадры, обеспечивающие передачу информации, связанной с управлением сетью. Передача фреймов происходит только в границах локальной сети. Доставка фреймов была бы невозможна без физических адресов сетевых устройств.

Заголовок фрейма содержит адреса отправителя  и получателя, которые определяют в каком именно устройстве возник фрейм и какое устройство ожидает его получение и последующую обработку.

Адресация канального уровня является «плоской». Это значит, что адрес идентифицирует физическое устройство и не может быть использован для определения логической или физической группы  к которой он принадлежит.

Подуровни Канального уровня.

Стандарт IEEE 802(стандарт проектирования нижних уровней локальных сетей, стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня - физический и канальный) разделяет канальный уровень на два подуровня:

• MAC (Media Access Control) - управления доступом к среде, регулирует доступ к разделяемой физической среде
• LLC (Logical Link Control) - логической передачи данных, обеспечивает обслуживание сетевого уровня

Подуровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень отвечает за такие элементы канального уровня, как логическая топология сети, обеспечение корректного совместного использования общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение того или иного узла сети и правила физической адресации сетевых объектов.  

MAC адрес – это уникальный идентификатор, назначаемый различным сетевым устройствам локальной сети. МАС адрес также называют аппаратным или физическим адресом.

МАС адрес состоит из 12 символов в шестнадцатеричном формате(48 бит). Обычно запись его производится в одном из следующих форматов:

• MM:MM:MM:SS:SS:SS
• MM-MM-MM-SS-SS-SS

Первая половина адреса содержит идентификационный номер производителя устройства. Вторая половина – это серийный номер, присвоенный устройству производителем. Например, в адресе 00:A0:C9:14:C8:29, префикс 00A0C9 обозначает производство устройства компанией Intel.

Для большого количества сетевых устройств, особенно сетевых карт, существует возможность программно изменить MAC-адрес, но канальный уровень модели OSI накладывает ограничения на использование MAC-адресов: в одной физической сети (сегменте большей по размеру сети) не может быть двух или более устройств, использующих одинаковые MAC-адреса.

Подуровень  МАС определяет начало и конец  фреймов. Существует четыре способа, обеспечивающие эту возможность: добавление временных интервалов между фреймами, подсчет символов и передача их количества в заголовке, битовые (добавление определенного набора битов, например 01111110) или байтовые вставки. Байтовые вставки – это добавление перед фреймом определенной последовательности байт, например DLE STX*, и DLE ETX* после него. Метки начала и конца определяются и удаляются на стороне получателя. Таким же образом работают и битовые вставки, заменяя эти метки определенным флагом, соответствующим определенному битовому шаблону, например 01111110).

* DLE - Data Link Escape – обозначает, что следующие далее данные должны быть   интерпретированы как необработанные данные, а не как коды управления или графические символы.

STX - Start of Text – первый символ сообщения, может быть использован для завершения заголовка.

ETX – End of Text – используется как символ прерывания.

Подуровень LLC отвечает за передачу фреймов между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Может предоставлять функции по управлению потоками, подтверждению и уведомлению об ошибках.  

Этот подуровень канального уровня тесно взаимодействует с сетевым уровнем модели OSI и отвечает за надежность физических (с использованием MAC-адресов) соединений. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Уровень LLC дает более высоким уровням возможность управления качеством услуг, предоставляемых канальным уровнем. Так передача данных на канальном уровне может быть выполнена дейтаграммным способом либо с установлением соединений, с подтверждением правильности приема либо без подтверждения.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.

Функции Канального уровня:

• Инкапсуляция пакетов данных сетевого уровня во фреймы
• Синхронизация фреймов
• Управление логической связью  - Подуровень LLC 

• Контроль ошибок

• Управление потоками

• Осуществление сетевого доступа - Подуровень МАС

• Физическая адресация (МАС адресация)

• Обеспечение корректного совместного использования общей среды

Примеры протоколов: ARCnet, ATM, CAN, CDP, FDDI, PPP, SLIP, Token ring

Сетевой уровень модели

Сетевой уровень предоставляет функциональные средства передачи данных между логическими сетями, обеспечивает фрагментацию этих данных, отвечает за формирование логических адресов узлов сети, выполняет функции маршрутизации и отчета об ошибках доставки.

На этом уровне модели OSI работают маршрутизаторы и некоторые из коммутаторов.

На сетевом уровне работают два  вида протоколов, реализованных программными модулями ОС, программными и аппаратными средствами маршрутизаторов:

• Сетевые протоколы (Routed protocols) реализуют продвижение пакетов через сеть.
• Протоколы маршрутизации (Routing protocols) – протоколы обмена маршрутной информацией. С помощью них маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.

Сетевой уровень передает данные с  одной конечной точки к другой, осуществляя следующие функции:

• Адресация
• Маршрутизация
• Инкапсуляция
• Фрагментация
• Работа с ошибками
• Управление заторами

На сетевом уровне устанавливаются  соответствия физических и логических адресов узлов сети, за это отвечает протокол ARP (Address Resolution Protocol - протокол разрешения адресов).

Сетевой уровень определяет правила  формирования логических адресов (logical network address) сетевых объектов. Использование  логической адресации позволяет  организовать передачу данных между  разными логическими сетями. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. При организации доставки пакетов используется понятие «номер сети». Адрес получателя состоит из старшей части - логического адреса сети и младшей части - логического адреса узла сети, который является уникальным для этого объекта. Адрес сетевого уровня является логическим адресом, не зависящим от какого-либо конкретного физического устройства. Пример такой адресации – это Internet Protocol (IP) адресация.

Каждый сетевой объект может выполнять много сетевых функций одновременно, обеспечивая работу различных сервисов. Для обращения к сервисам используется специальный идентификатор сервиса, который называется порт (port), или сокет (socket). При обращении к сервису идентификатор сервиса следует сразу за логическим адресом компьютера, обеспечивающего работу сервиса.

Во многих сетях резервируются  группы логических адресов и идентификаторов  сервисов с целью выполнения конкретных заранее определенных и общеизвестных  действий. Например, в случае необходимости отправить данные всем сетевым объектам отправка будет произведена на специальный broadcast-адрес.

Для передачи данных от точки к точке сетевой уровень должен иметь возможность определения оптимальных путей передачи данных. Эту задачу решают маршрутизаторы, также они поддерживают маршрутную информацию. Маршрутизация может осуществляться статическим либо динамическим способом. При задании статической маршрутизации должны быть заданы все взаимосвязи между логическими сетями, которые остаются неизменными. Динамическая маршрутизация предполагает, что маршрутизатор может сам определять новые пути либо модифицировать информацию о старых. Динамическая маршрутизация использует специальные алгоритмы маршрутизации. На выбор наилучшего маршрута чаще всего влияют такие факторы, как количество переходов через маршрутизаторы (hop count) и количество тиков (единиц времени), необходимых для достижения сети назначения (tick count).

При получении пакета от источника  маршрутизатор определяет адрес  получателя, это делается путем удаления заголовков, добавленных на канальном уровне, и получением адреса из определенного места пакета(расположение адреса определено используемым стандартом). Далее происходит проверка принадлежности полученного адреса. Если адрес относится к собственной сети маршрутизатора, то пакет отправляется обратно на канальный уровень, на котором будут вновь добавлены заголовки и далее пакет будет отправлен получателю. Если адрес не принадлежит сети маршрутизатора, то будет произведен поиск адреса в таблице маршрутов. При нахождении адреса в таблице, то пакет будет направлен в сеть назначения и на канальный уровень. Если адрес не найден в таблице маршрутизации, пакет будет отправлен для обработки ошибок.

Передача данных между двумя  сетевыми объектами может осуществляться с использованием маршрутизации или коммутации.

Различают три метода коммутации при  передаче данных: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов.

При использовании коммутации каналов  устанавливается канал передачи данных между отправителем и получателем. Этот канал будет задействован в течение всего сеанса связи. При использовании этого метода возможны длительные задержки при выделении канала, связанные с отсутствием достаточной полосы пропускания, загруженностью коммутационного оборудования или занятостью получателя.

Коммутация сообщений позволяет  передавать целое (неразбитое на части) сообщение по принципу «сохранить и  передать дальше» (store-and-forward). Каждое промежуточное  устройство принимает сообщение, локально его сохраняет и при освобождении канала связи, по которому это сообщение должно быть отправлено, отправляет его. Этот метод хорошо подходит для передачи сообщений электронной почты и организации электронного документооборота.

При использовании коммутации пакетов соединяются вместе преимущества двух предыдущих методов. Каждое большое сообщение разбивается на небольшие пакеты, каждый из которых последовательно отправляется получателю. При прохождении через объединенную сеть для каждого из пакетов определяется наилучший в этот момент времени путь. Получается, что части одного сообщения могут прийти к получателю в разное время и только после того, как все части будут собраны вместе, получатель сможет работать с полученными данными.

На сетевом уровне также как и на всех других происходит инкапсуляция полученных данных и к пакету добавляется информация, предназначенная соответствующему уровню узла-получателя.

При отправке слишком больших данных на канальный уровень, сетевой уровень производит разбивку данных на более мелкие сегменты, которые будут отправлены по очереди – этот процесс называется фрагментация.

Очень важной функцией сетевого уровня является обработка ошибок. Различные ситуации могут быть источниками ошибок, например недоступность, неизвестность хоста или сети, отсутствие доступа к хосту или сети,  превышение времени жизни пакета(TTL – Time To Live). Все ошибки возможные на сетевом уровне соответствуют определенным стандартам, определенным в ICMP(в Internet Control Message Protocol)

Примеры протоколов: IP/IPv4/IPv6, IPX, ICMP, RIP

Транспортный уровень модели

Транспортный уровень обеспечивает механизм сквозной передачи данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. На этом уровне происходит обработка данных и их переформирования в зависимости от применяемого протокола, так длинные разбиваются на несколько, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи данных по сети. Сообщения принимаются на транспортном уровне получателя, распаковываются и восстанавливаются.

Для идентификации сетевых сервисов (приложений) протоколы транспортного уровня используют номера портов. Номера портов назначаются в соответствии с их функциональным назначением на основе определенных стандартов. Для каждого протокола существуют стандартные списки соответствия номеров портов и сервисов.  Роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняет номер порта.

Анализируя заголовок своего пакета, полученного от сетевого уровня, транспортный уровень определяет по номеру порта получателя, какому из прикладных процессов направлены данные, и передает эти данные соответствующему прикладному процессу. Номера портов получателя и отправителя записываются в заголовок транспортным уровнем, отправляющим данные; заголовок транспортного уровня содержит также и другую служебную информацию; формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола. Комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети. Такой комбинированный адрес называется сокетом (socket).

Протоколы транспортного уровня можно разбить на два класса – не требующие установки соединения и протоколы с установкой логического соединения.

Протоколы, не требующие установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они были посланы источником. Как правило, при работе с протоколами без установления соединения, взаимодействие между клиентом и сервером происходит следующим образом: клиент посылает одиночный запрос, а сервер на него отвечает. При этом посылаемые клиентом запросы никак не связаны друг с другом с точки зрения протокола. Протоколы без установления соединения можно назвать ненадежными потому, что нет никаких гарантий, что отправленный пакет будет доставлен по месту назначения.

Протоколами, требующие установления логического соединения, сохраняют  информацию о состоянии, что позволяет  обеспечивать надежную доставку пересылаемых данных. Между отправителем и получателем происходит обмен информацией о ходе выполнения передачи данных. К примеру, отправитель, посылая данные, сохраняет информацию о том, какие данные он послал. После этого в течение определенного времени он ожидает информацию от получателя о доставке этих данных, и, если такая информация не поступает, данные пересылаются повторно.

Модель OSI определяет несколько классов сервисов транспортного уровня. Разделение по классам происходит с учетом качества предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, способностью к обнаружению и исправлению ошибок, таких как искажение, потеря и дублирование пакета. Тип сервиса определяется при установлении транспортного соединения. Выбор класса сервиса транспортного уровня зависит от того, в какой степени приложения и протоколы более высоких уровней решают задачу надежности. Также выбор зависит от надежности системы транспортировки данных на более низких уровнях.

Транспортный уровень может также предоставлять  функции мультиплексирования (multiplexing) и демультиплексирования данных – это означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных — это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой.

Примеры протоколов: ATP, NBF, NCP, SPX, SST, TCP, UDP

Сеансовый уровень модели

Сеансовый уровень предоставляет  функциональность для установки, использования  и завершения соединения – сеанса между двумя приложениями на разных узлах сети. Также он обеспечивает распознавание имен и защиту.

Сеансовый уровень производит управление диалогом между двумя взаимодействующими процессами, то есть выполняет регулировку  осуществления передачи сторонами (очередность, продолжительность, время передачи). Так, например, потоки данных могут быть разрешены в обоих направлениях одновременно, либо поочередно в одном направлении. Сервис на уровне сессии будет управлять направлением передачи. Сеансовый уровень реализует управление диалогом с использованием одного из трех способов общения — симплекс (simplex), полудуплекс (half duplex), полный дуплекс (full duplex).

Симплексное общение предполагает только однонаправленную передачу от источника к приемнику информации. Никакой обратной связи (от приемника к источнику) этот способ общения не обеспечивает. Полудуплекс позволяет использовать одну среду передачи данных для двунаправленных передач информации, однако в каждый момент времени информация может передаваться только в одну сторону. Полный дуплекс обеспечивает одновременную передачу информации в обе стороны по среде передачи данных.