Модель OSI. Нижні рівні

Матеріал з Вікі ЦДПУ
Перейти до: навігація, пошук

У цій статті дається уявлення про стандартної моделі взаємодії відкритих систем OSI, рівнях функцій, виконуваних при взаємодії з мережі, можливості мережевих адаптерів і проміжних мережевих пристроїв.


В мережі проводиться безліч операцій, які забезпечують передачу даних від комп'ютера до комп'ютера. Користувача не цікавить, як саме це відбувається, йому необхідний доступ до додатка або комп'ютерного ресурсу, розташованому в іншій комп'ютерній мережі. У дійсності ж вся передана інформація проходить багато етапів обробки.

Перш за все, вона розбивається на блоки, кожний з яких забезпечується керуючою інформацією. Отримані блоки оформляються у вигляді мережевих пакетів, потім ці пакети кодуються, передаються за допомогою електричних або світлових сигналів по мережі відповідно до обраного методу доступу, потім з прийнятих пакетів знову відновлюються укладені в них блоки даних, блоки з'єднуються в дані, які і стають доступні іншому додатку. Це, звичайно, спрощений опис процесів, що відбуваються.

Частина з зазначених процедур реалізується тільки програмно, інша частина - апаратно, а якісь операції можуть виконуватися як програмами, так і апаратурою.

Упорядкувати всі виконувані процедури, розділити їх на рівні і підрівні, взаємодіючі між собою, якраз і покликані моделі мереж. Ці моделі дозволяють правильно організувати взаємодію як абонентам всередині однієї мережі, так і самим різним мережам на різних рівнях. В даний час найбільшого поширення набула так звана еталонна модель обміну інформацією відкритої системи OSI (Open System Interconnection). Під терміном "відкрита система" розуміється не замкнута в собі система, що має можливість взаємодії з якимись іншими системами (на відміну від закритої системи).

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 досить 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 (Рис. 1). При цьому вищестоящі рівні виконують більш складні, глобальні завдання, для чого використовують у своїх цілях нижчестоящі рівні, а також управляють ними. Мета нижчого рівня - надання послуг вищестоящому 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 прикладної задачі, що працює в даний момент додатком, нижній - безпосередній передачі сигналів по каналу зв'язку.

Рис. 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 Рис. 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 віртуальна (логічна) зв'язок, наприклад, між прикладними рівнями взаємодіючих по мережі абонентів. Реальну 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. 2).

Рис. 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 (рис. 4.6). Кожен нижченаведений рівень не тільки виробляє 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 многооболочечная конструкція передається по кабелю приймачу. Там вона проробляє зворотну процедуру декапсуляціі, 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 прибираної їм службовою інформацією.

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 більше складність проміжного пристрою, тим більше рівнів воно захоплює. Але будь проміжне пристрій повинен приймати і повертати інформацію на нижньому, фізичному рівні. Всі внутрішні перетворення даних повинні проводитися двічі і в протилежних напрямках (Рис. 3). Проміжні мережеві пристрої на відміну від повноцінних абонентів (наприклад, комп'ютерів) працюють тільки на нижніх рівнях і до того ж виконують двосторонню перетворення.

Рис. 3. Включення проміжних пристроїв між абонентами мережі

Функції різних рівнів

  • Прикладний рівень Рівень 7, Прикладний (Application Layer), - самий верхній рівень моделі OS1. Він являє собою вікно для доступу прикладних процесів до мережевих послуг. Прикладний рівень забезпечує доступ прикладних процесів в середовищі OSI. Функції прикладного рівня поділяються на дві групи: загальні та спеціальні. Перші дають засоби взаємодії, що використовуються різними програмами, наприклад, засоби організації зв'язку між прикладними процесами. Другі забезпечують певні потреби конкретних додатків, наприклад, обмін файлами, доступ до баз даних і електронну пошту.
  • Представницький рівень Рівень 6, Представницький (Presentation Layer), Представницький рівень призначений для представлення даних, що підлягають передачі між прикладними об'єктами, представлення структур даних, на які посилаються прикладні об'єкти, представленням методів, які можуть використовуватися для маніпулювання і обробки даних. Представницький рівень має справу з синтаксисом, тобто з формальним їх поданням. Семантика, тобто спосіб інтерпретації даних, їх зміст - прерогатива тільки прикладного рівня. Наявність представницького рівня звільняє додатка від необхідності піклуватися про проблему загального представлення даних і забезпечує незалежність від синтаксису. Це дозволяє прикладним об'єктам використовувати будь-який локальний синтаксис, представницький рівень забезпечує перетворення локальних синтаксисів в узгоджений обома прикладними об'єктами. Перетворення синтаксисів виконуються локально і видні для інших відкритих систем. У зв'язку з цим представницькі протоколи не стандартизуються. Функції представницького рівня включають:
    1. запит на встановлення сеансу;
    2. передачу даних;
    3. узгодження і перепогодження вибору синтаксису;
    4. перетворення синтаксису, включаючи перетворення даних,
    5. форматування та спеціальні перетворення (стиснення, шифрування / дешифрування).

    Сутність другої і третьої функції полягає в наступному. Існує три варіанти синтаксису даних: синтаксис відправника, синтаксис одержувача і синтаксис, використовуваний об'єктами представницького рівня (синтаксис пердачи). Будь або два з них можуть бути іденітічнимі. Рівень представлення містить функції, необхідне для перетворення між синтаксисом передачі і кожним з синтаксисів прикладних об'єктів по мірі необхідності. Єдиного синтаксису передачі для всієї OSI не існує тому представницькі об'єкти-кореспонденти узгодять синтаксис в процесі встановлення з'єднання. Представницький об'єкт повинен знати синтаксис свого прикладного об'єкта і узгоджений синтаксис передачі. Узгодження синтаксису передачі здійснюється в процесі діалогу між об'єктами представницького рівня або в процесі встановлення з'єднання, або в будь-який час в процесі передачі даних.

    Представницький рівень відповідає за перетворення протоколів, трансляцію даних, їх шифрування, зміну або перетворення застосовуваного набору символів (кодової таблиці) і розширення графічних команд. Представницький рівень, крім того, управляє стиском даних для зменшення переданих бітів. На цьому рівні в Win / DOS працює утиліта, звана редиректором (редиректор). Її призначення - переадресувати операції введення / виводу до ресурсів сервера Lan Manager.


  • Сеансовий рівень Рівень 5, Сеансовий (Session Layer) Сеансовий рівень призначений для організації і синхронізації діалогу та управління обміном даними. З цією метою рівень надає послуги по встановленню сеансового з'єднання між двома представницькими об'єктами і підтриманню упорядкованого взаємодії при обміні даними між ними. Для здійснення передачі даних між представницькими об'єктами сеанс відображається на транспортне сполучення і використовує останнє. Сеанс може бути розірваний сеансового або представницькими об'єктами. Функції сеансового рівня зводяться до:
    1. встановлення та розірвання сеансового з'єднання;
    2. обміну нормальними і терміновими даними
    3. управлінню взаємодією; синхронізації сеансу;
    4. відновленню сеансу

    Всі ці функції тісно пов'язані з сеансовий сервісом, оскільки власні, не ініційовані з боку верхнього рівня дії практично відсутні.

    Синхронізацію між користувацькими завданнями сеансовий рівень забезпечує допомогою розстановки в потоці даних контрольних точок (chekpoints). Та-ким чином, у разі мережевої помилки, потрібно заново передати тільки дані, наступні за останньою контрольною точкою. На цьому рівні виконується управління діалогом між взаємодіючими процесами, тобто регулюється, яка зі сторін здійснює передачу, коли, як довго і т.д.

  • Транспортний рівень Рівень 4, Транспортний (Transport Layer) Транспортний рівень забезпечує прозору передачу даних між сеансовий об'єктами і звільняє їх від функцій, пов'язаних з надійною та економічно ефективною передачею даних. Рівень оптимізує іспользолваніе наявних мережевих ресурсів представляючи транспортний сервіс при мінімальній вартості. Оптимізація виконується при обмеженнях, що накладаються всіма взаємодіючими в межах мережі сеансового об'єктами, з одного боку, і можливостями і параметрами мережного сервісу, який використовується транспортним рівнем, з іншого. Протоколи транспортного рівня призначені для межконцевого (точка-точка) взаємодії, де кінці визначаються як транспортні об'єкти-кореспонденти. Транспортний рівень звільняється від маршрутизації і ретрансляції та займається виключно забезпеченням взаємодії між кінцевими відкритими системами. Транспортні функції залежать від мережевого сервісу і включають:
    1. відображення транспортного адреси на мережеву адресу;
    2. мультиплексування і рассщепленіе транспортних сполучень на мережеві з'єднання;
    3. встановлення та розірвання транспортних сполучень;
    4. управління потоком на окремих з'єднаннях;
    5. виявлення помилок і керування якістю сервісу;
    6. виправлення помилок;
    7. сегментування, блокування та зчеплення;
    8. передача термінових блоків даних.

    Транспортний рівень гарантує доставку пакетів без помилок, в тій же послідовності, без втрат і дублювання. На цьому рівні повідомлення переупаковувати: довгі розбиваються на кілька пакетів, а короткі об'єднуються в один. Це збільшує ефективність передачі пакетів по мережі. На транспортному рівні вузла-одержувача повідомлення розпаковуються, відновлюються у початковому вигляді, і звичайно посилається сигнал підтвердження прийому. Транспортний рівень управляє потоком, перевіряє помилки і бере участь у ванні проблем, пов'язаних з відправленням і отриманням пакетів.

  • Мережевий рівень Рівень 3, Мережний (Network Layer). Мережевий рівень відповідає за адресацію повідомлень і переклад логічних адрес та імен у фізичні адреси. Мережний рівень забезпечує встановлення, підтримання та роз'єднання мережевих з'єднань між системами, що містять взаємодіючі прикладні об'єкти, а також надає функціональні та процедурні засоби для блочного обміну даними між транспортними об'єктами по мережевим з'єднанням. Мережевий рівень визначає маршрут транспортного об'єкту-відправника до транспортного б'екту-одержувачу і забезпечує незалежність від особливостей маршрутизації і ретрансляції, пов'язаних із встановленням і використанням даного мережевого з'єднання. Це той випадок, коли кілька [під] мереж використовуються послідовно або паралельно. На цьому рівні вирішуються також такі задачі і проблеми, пов'язані з мережевим трафіком, як комутація пакетів, маршрутизація і перевантаження. Якщо мережевий адаптер маршрутизатора не може передавати великі блоки даних, послані комп'ютером-відправником, на мережевому рівні ці блоки розбиваються на менші. Мережевий рівень комп'ютера-одержувача збирає ці дані в початковий стан. Функції мережевого рівня:
    1. маршрутизація і ретрансляція;
    2. організація мережевих з'єднань;
    3. мультиплексування мережевих з'єднань на канальне з'єднання;
    4. сегментування і блокування;
    5. виявлення та виправлення помилок;
    6. сериализация;
    7. управління потоком;
    8. передача термінових даних;
    9. повернення до вихідного стану.

    Мережні з'єднання можуть мати різну конфігурацію - від простого двох-точкового з'єднання до складної комбінації підмереж з різними характеристиками. Зазвичай мережеві функції поділяються на підрівні. Б.м. детально такий поділ описано в оригінальних документах ISO, що описують модель OSI.

  • Канальний рівень Рівень 2, Канальний (Data Link Layer), Канальний рівень здійснює передачу кадрів (кадрів) даних від Cетевой рівня до фізичного. Кадри - це логічно організована структура в яку можна поміщати дані. Канальний рівень вузла-одержувача упаковує сирої потік бітів, що надходять від фізичного рівня, в кадри даних. Керуюча інформація використовується для маршрутизації, а також вказує на тип пакету і сегментацію. Дані - власне передана інформація. CRC (Надлишковий циклічний код) - це відомості, які допоможуть виявити помилки, що, в свою чергу, гарантує правильний прийом інформації. Канальний рівень забезпечує функціональні і процедурні кошти для встановлення, підтримки і розірвання канальних з'єднань між мережевими об'єктами і передачі блоків даних. Канальне з'єднання (канал передачі даних) будується на одному або декількох фізичних з'єднаннях. Канальний рівень виявляє і, в більшості випадків виправляє помилки, які можуть виникнути на фізичному рівні. Це дозволяє мережному рівню вважати передачу даних по мережному з'єднанню фактично безпомилковою. Крім цього канальний рівень дозволяє мережному управляти взаємними сполуками фізичних каналів. Зазвичай, коли канальний рівень посилає кадр, він очікує з боку одержувача підтвердження прийому. Канальний рівень одержувача перевіряє наявність можливих помилок передачі. Кадри, пошкоджені при передачі, чи кадри, отримання яких не підтверджено, надсилаються вдруге. Функції канального рівня:
    1. встановлення та розірвання канального з'єднання;
    2. розщеплення канального з'єднання на кілька фізичних;
    3. сериализация;
    4. виявлення та виправлення помилок;
    5. управління потоком;
    6. управління з'єднанням фізичних каналів передачі даних.
  • Фізичний рівень Рівень 1, Фізичний (Physical Layer) Це самий нижній у моделі OSI. Цей рівень здійснює передачу неструктурованого, © сирого © потоку біт з фізичної середовищі (наприклад, по мережевому кабелю). Фізичний рівень забезпечує механічні, електричні, функціональні і процедурні кошти активізації, підтримки та деактивизации фізичних з'єднань для передачі даних між канальними об'єктами. Функції рівня зводяться до активізації та деактивизации фізичного з'єднання, а також передачі даних. Тут реалізуються електричний, оптичний, механічний і функціональний інтерфейси з кабелем. Фізичний рівень також формує сигнали, які переносять дані, що надійшли від усіх вищерозміщених рівнів. На цьому рівні визначається спосіб з'єднання мережевого кабелю з платою мережного адаптера, зокрема, кількість контактів в роз'ємах і їх функції. Крім того, тут визначається спосіб передачі даних по мережному кабелю. Фізичний рівень призначений для передачі бітів (нулів і одиниць) від одного комп'ютера до іншого. Рівень відповідає за кодування даних і синхронізацію бітів, гарантуючи, що передана одиниця буде сприйнята саме як одиниця, а не як нуль. Також фізичний рівень встановлює тривалість кожного біта і спосіб переказу біта у відповідні електричні або оптичні імпульси, що передаються по мережевому кабелю. </ui>

    Як уже зазначалося, в рівні 2 (канальному) нерідко виділяють два підрівня (sublayers) LLC і MAC (Рис. 4):

    Рис. 4. Підрівні LLC і MAC канального рівня
      Верхній підрівень (LLC - Logical Link Control) здійснює управління логічної 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. 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 двом рівням 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 логічної 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 доступом за пріоритетами запитів і топологією зірка (100VG-AnyLAN).