Модель OSI — эталонная схема, которая определяет уровни абстракции для организации сетевых коммуникаций. Облегчает понимание и разработку обмена данных, разделяет процесс на простые управляемые компоненты. В материале рассматриваем характеристики каждого уровня и принципы работы модели.
Введение в модель OSI: зачем нужна
Модель OSI — это концептуальная структура, разработанная для описания взаимодействия устройств в компьютерных сетях. Расшифровка понятия — Open Systems Interconnection. Создана Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1970—1980-х годах. Главная цель — обеспечить универсальную основу для разработки сетевых протоколов и устройств, позволяя обмениваться информацией независимо от производителя или функциональности.
Простыми словами, принцип работы заключается в разделении процесса сетевой коммуникации на семь ступеней, которые выполняют определенные задачи для эффективной передачи данных от отправителя к получателю. Модель ОСИ обеспечивает стандартизацию протоколов и интерфейсов на каждом уровне.
Плюсы семиуровневой модели:
- Интероперабельность. Обеспечивает совместимость устройств в сети.
- Разделение функциональности по уровням абстракции. Это облегчает процесс разработки, тестирования, отладки, обслуживания технологий.
Минусы:
- Сложность в освоении для новичков из-за чрезмерной абстрактности. Затрудняет понимание и применение.
- Количество уровней. Избыточно для некоторых сетей.
- Неактуальность. Существуют сетевые протоколы и устройства, которые не соответствуют модели OSI.
Передача пакетов данных между сетями невозможна без специальных правил — протоколов. Один из наиболее часто используемых — сетевая модель TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol):
- Включает 4 уровня: канальный, сетевой, транспортный и прикладной.
- В отличие от теоретической модели OSI, применяемой для понимания и проектирования архитектуры системы, TCP/IP — клиент-сервер, который реально используется для передачи данных через сети, включая интернет.
Источник: ru.freepik.com
1 уровень: Физический
Physical Layer — нижняя ступень. Это основа для вышележащих ступеней модели, так как обеспечивает непосредственную связь между устройствами в сети, помогает делиться данными. Проводит передачу сигналов через физическую среду связи — кабели, оптическое волокно, беспроводные каналы. Используемые средства — концентраторы и репитеры.
Функции:
- Кодирует и декодирует биты информации через протокол Ethernet, а также Bluetooth, Wi-Fi.
- Устанавливает физическое соединение.
- Сигнализирует о начале и завершении отправки информации
- Синхронизирует устройства для правильного обмена данными.
- Ищет и исправляет сбои во время передачи или получения информации.
2 уровень: Канальный
Data Link Layer выполняет передачу данных между разными аппаратно-программными средствами в одной локальной сети (LAN).
Задачи:
- Использует MAC-адреса, чтобы идентифицировать устройства.
- Разделяет данные на кадры, или фреймы, для передачи.
- Применяет разные методы, чтобы регулировать доступ к среде передачи, такие как CSMA/CD, CSMA/CA и токенизация.
- Обнаруживает и исправляет ошибки. Проверяет полноту данных во время отправления.
- Управляет потоком данных. Гарантирует, что отправитель не переполнит буферы адресата.
Вторая ступень получает информацию от физического уровня и разбивает их на кадры, которые включают заголовок с MAC-адресом источника и назначения, а также сами данные. Затем кадры проверяются на наличие ошибок и отправляются сетевому уровню.
3 уровень: Сетевой
Network Layer — третий уровень, который доставляет данные между сетями с помощью маршрутизаторов и коммутаторов.
Функции:
- Выбирает оптимальный маршрут отправки информации в рамках сети. Учитывает скорость, надежность и другое.
- Применяет IP-адреса, чтобы идентифицировать программно-аппаратные средства.
- Разделяет данные на пакеты для передачи. Это помогает эффективно отправлять информацию через сети с лимитированной длиной кадров.
- Использует разные протоколы маршрутизации — RIP, OSPF, BGP.
- Управляет перегрузками.
На сетевом этапе информация разбивается на пакеты, которые включают данные, IP-адреса отправителя и получателя. Затем система передает их по сети, проверяет на наличие ошибок, но не исправляет сбои. Если ошибок нет, сведения извлекаются из фрагментов и передаются транспортному уровню. При возникновении проблем — отправляется запрос на повторную операцию.
H2: 4 уровень: Транспортный
Transport Layer гарантирует корректную передачу данных между приложениями на разных хостах с помощью протоколов TCP и UDP:
- TCP. Обеспечивает надежную доставку информации. Проверяет каждый бит информации, что снижает скорость в сравнении с UDP. К примеру, используется для ввода паролей, обеспечивает авторизацию.
- UDP. Не отслеживает цельность битов, действует быстрее. Применяется для передачи видео, аудио, то есть файлов, для которых небольшая потеря информации не критична.
TCP делит данные на сегменты. Необходимы для отправки информации по сети с учетом пропускной способности. Маленькие пакеты снижают риск потери битов или передачи не тому адресату.
UDP работает с автономными датаграммами, которые не зависят от сети и могут доставляться разными маршрутами произвольно.
H2: 5−7 уровни: Сеансовый, представительский, прикладной
Работа с чистыми данными происходит только на пяти последних уровнях модели ОСИ. Задача на этих ступенях — преобразовать информацию в понятный для пользователя вид.
Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает соединения, или сессии — временное взаимодействие между программно-аппаратными средствами. К примеру, видеозвонок по Skype. Между устройствами устанавливается связь для передачи изображения и голоса. Для этого протоколы проверяют, чтобы собеседники владели нужными кодеками, и сигнал поддерживался с обеих сторон.
Функции уровня:
- Синхронизирует данные.
- Управляет последовательностью обмена информацией.
- Осуществляет блокировки и параллельный доступ.
- Отвечает за восстановление связи в случае сбоев.
Главные протоколы — NBSS, RPC.
Представительский этап (Presentation Layer) преобразует, кодирует, шифрует данные, чтобы провести корректную отправку между сетевыми системами.
Задачи:
- Сжимает информацию, чтобы увеличить скорость процессов.
- Управляет форматом данных, чтобы обеспечить соответствие требованиям адресата. Помогает разным устройствам верно представить полученную информацию.
Применяемые протоколы — SSL/TLS, стандарты кодирования — ASCII, Unicode, JPEG.
Прикладной уровень (Application Layer) обеспечивает функциональность и связь приложений и сервисов в сетях:
- Преобразует форматы данных. Проводит кодирование и сжатие.
- Предоставляет доступ к прикладным сервисам. Например, веб-страницам, электронной почте, базам данных.
- Организует коммуникацию между приложениями с помощью протоколов HTTP и SMTP.
- Создает понятный интерфейс для людей.
Протоколы — DNS, NFS, FTP, BitTorrent, BOOTP.
Источник: ru.freepik.com
Как работает модель
Пример действия модели ОСИ для чайников — поиск веб-страницы с помощью браузера:
Этап 1. Физический. Пользователь вводит доменное имя сайта в строку поисковика. Информация преобразуется в биты и передается, например, по беспроводному Wi-Fi.
Этап 2. Канальный. Ноутбук создает кадры данных, чтобы отправить с помощью маршрутизатора.
Этап 3. Сетевой. Происходит выбора маршрута доставки информации к серверу.
Этап 4. Транспортный. Полученные сведения подразделяются на сегменты и через надежный протокол TCP отправляются на следующую ступень обработки.
Этап 5. Сеансовый. Обеспечивает соединение между ноутбуком и сервером.
Этап 6. Представление данных. Если сервер содержит искомые сведения, они отобразятся в формате, который поддерживает браузер.
Этап 7. Прикладной. Пользователь видит результат запроса на экране.
Второй пример — сценарий отправки электронного письма:
Этап 1. Физический. Пользователь пишет текст. Письмо преобразуется в электрические сигналы и передается через кабель или беспроводной канал до сетевого адаптера устройства.
Этап 2. Канальный. Данные упаковываются в кадры, каждый из которых получает адрес MAC для доставки и проверяется на ошибки. На этом этапе происходит отправка информации по локальной сети до маршрутизатора или коммутатора.
Этап 3. Сетевой. Пакеты данных направляются через Интернет к серверу электронной почты, используя IP-адреса. Здесь определяется маршрут и управляется трафиком данных.
Этап 4. Транспортный. Информация разделяется на более мелкие части (если требуется), и к ним добавляется информация о порядке доставки. Транспортный уровень также контролирует, чтобы все фрагменты были получены правильно.
Этап 5. Сеансовый. Устанавливается соединение с сервером почты, идентифицируется время сессии.
Этап 6. Представительный. Письмо преобразуется в стандартизированный формат, чтобы сервер мог его понять. Происходит кодирование текста.
Этап 7. Прикладной. Используется протокол SMTP для отправки письма на сервер и получения его адресатом. Это последний этап, на котором данные приходят к получателю и обрабатываются конечным приложением — почтовым сервером.
Главное, что нужно знать
- Модель OSI — концептуальная схема в информатике, которая описывает функциональность сетевых протоколов и их взаимодействие в компьютерных сетях.
- Состоит из семи уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительский, прикладной.
- Физический проводит передачу данных через электрические сигналы, световые волны или радиоволны.
- Канальный обеспечивает надежную коммуникацию между устройствами в пределах одной локальной сети.
- Сетевой осуществляет маршрутизацию пакетов данных между разными сетями, управляет трафиком и обнаруживает ошибки.
- Транспортный доставляет сведения от источника к получателю с учетом надежности и целостности, проводит сегментацию.
- Сеансовый устанавливает и завершает сеансы связи между устройствами, обеспечивает синхронизацию, управление длительностью соединения и восстановление после сбоев.
- Представительный преобразует информацию в стандартизированные форматы, чтобы гарантировать совместимость между отдельными системами.
- Прикладной преобразует данные в понятный для пользователя вид. Использует протоколы HTTP, FTP, SMTP.
