Сетевая модель OSI (ЭМВОС) (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model, 1978 г.) — абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Предлагает взгляд на компьютерной сети с точки зрения измерений. Каждое измерение обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.
В настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, разработка которого не была связана с моделью OSI и к тому же была совершена до её принятия.
Модель состоит из семи уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции. Подробнее можно посмотреть на рисунке.
|
Модель OSI |
||
|---|---|---|
|
Тип данных |
Уровень |
Функции |
|
Данные |
7. Прикладной уровень |
Доступ к сетевым службам |
|
6. Уровень представления |
Представление и кодирование данных |
|
|
5. Сеансовый уровень |
Управление сеансом связи |
|
|
Сегменты |
4. Транспортный |
Прямая связь между конечными пунктами и надежность |
|
Пакеты |
3. Сетевой |
Определение маршрута и логическая адресация |
|
Кадры |
2. Канальный |
Физическая адресация |
|
Биты |
1. Физический уровень |
Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными |
Верхний уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалённый доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы куровню представления. Пример: HTTP, POP3, SMTP, FTP, XMPP, OSCAR, Modbus, SIP, TELNET
Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.
Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.
Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.
Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы. Одна использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC, например, это может быть мэйнфрейм компании IBM, а другая — американский стандартный код обмена информацией ASCII (его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.
Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными получателями. Чтобы решить эту задачу, процессы и коды, находящиеся на уровне представлений, должны выполнить преобразование данных. На этом уровне существуют и другие подпрограммы, которые сжимают тексты и преобразовывают графические изображения в битовые потоки, так что они могут передаваться по сети.
Стандарты уровня представлений также определяют способы представления графических изображений. Для этих целей может использоваться формат PICT — формат изображений, применяемый для передачи графики QuickDraw между программами для компьютеров Macintosh и PowerPC.
Другим форматом представлений является тэгированный формат файлов изображений TIFF, который обычно используется для растровых изображений с высоким разрешением. Следующим стандартом уровня представлений, который может использоваться для графических изображений, является стандарт, разработанный Объединенной экспертной группой по фотографии (Joint Photographic Expert Group); в повседневном пользовании этот стандарт называют просто JPEG.
Существует другая группа стандартов уровня представлений, которая определяет представление звука и кинофрагментов. Сюда входят интерфейс электронных музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) для цифрового представления музыки, разработанный Экспертной группой по кинематографии стандарт MPEG, используемый для сжатия и кодирования видеороликов на компакт-дисках, хранения в оцифрованном виде и передачи со скоростями до 1,5 Мбит/с, и QuickTime — стандарт, описывающий звуковые и видео элементы для программ, выполняемых на компьютерах Macintosh и PowerPC.
Пример: AFP — Apple Filing Protocol, ASCII — American Standard Code for Information Interchange, EBCDIC — Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, ICA —Independent Computing Architecture, LPP — Lightweight Presentation Protocol, NCP — NetWare Core Protocol, NDR — Network Data Representation RDP — Remote Desktop Protocol, XDR — eXternal Data Representation, X.25 PAD — Packet Assembler/Disassembler Protocol
5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.
Пример: ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol), ASP (AppleTalk Session Protocol), H.245 (Call Control Protocol for Multimedia Communication), ISO-SP (OSI Session Layer Protocol (X.225, ISO 8327)), iSNS (Internet Storage Name Service), L2F (Layer 2 Forwarding Protocol), L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol), NetBIOS (Network Basic Input Output System), PAP (Password Authentication Protocol), PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol), RPC (Remote Procedure Call Protocol), RTCP (Real-time Transport Control Protocol), SMPP (Short Message Peer-to-Peer), SCP (Secure Copy Protocol), ZIP (Zone Information Protocol), SDP (Sockets Direct Protocol).
4-й уровень модели предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Пример: TCP, UDP.
Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.
Пример: ATP (AppleTalk Transaction Protocol), CUDP (Cyclic UDP), DCCP (Datagram Congestion Control Protocol), FCP (Fiber Channel Protocol), IL (IL Protocol), NBF (NetBIOS Frames protocol), NCP (Netware Core Protocol), SCTP (Stream Control Transmission Protocol), SPX (Sequenced Packet Exchange), SST (Structured Stream Transport), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).
3-й уровень сетевой модели OSI предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.
Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю.
На этом уровне работает маршрутизатор (роутер).
Пример: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2) CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security), ICMP (Internet Control Message Protocol), RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), ARP (Address Resolution Protocol).
Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно, исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.
Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на два подуровня — MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC(Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.
На этом уровне работают коммутаторы, мосты.
Протоколы: ARCnet, ATM, Cisco Discovery Protocol (CDP), Controller Area Network (CAN), Econet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC), IEEE 802.2 (provides LLC functions to IEEE 802 MAC layers), IEEE 802.11 wireless LAN, Link Access Procedures, D channel (LAPD), LocalTalk, Multiprotocol Label Switching (MPLS), Point-to-Point Protocol (PPP), Serial Line Internet Protocol (SLIP) (obsolete), Spanning tree protocol, StarLan, Token ring, Unidirectional Link Detection (UDLD), x.25.
В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS
Самый нижний уровень модели предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.
Определяемые на данном уровне параметры: тип передающей среды, тип модуляции сигнала, уровни логических «0» и «1» и т. д.
На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы.
Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие виды среды передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.
Протоколы: IRDA, USB, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, Ethernet (включая 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T, 1000BASE-T, 1000BASE-SX и другие), 802.11Wi-Fi, DSL, ISDN, SONET/SDH, GSM Um radio interface, IEEE 802.15, ITU и ITU-T, Firewire, TransferJet, Etherloop,ARINC 818, G.hn/G.9960.
Семиуровневая модель OSI является теоретической, и содержит ряд недоработок. Были попытки строить сети в точном соответствии с моделью OSI, но созданные таким образом сети были дорогими, ненадёжными и неудобными в эксплуатации. Реальные сетевые протоколы, используемые в существующих сетях, вынуждены отклоняться от неё, обеспечивая непредусмотренные возможности, поэтому привязка некоторых из них к уровням OSI является несколько условной: некоторые протоколы занимают несколько уровней модели OSI, функции обеспечения надёжности реализованы на нескольких уровнях модели OSI.
Основная недоработка OSI — непродуманный транспортный уровень. На нём OSI позволяет осуществлять обмен данными между приложениями (вводя понятие порта — идентификатора приложения), однако, возможность обмена простыми датаграммами (по типу UDP) в OSI не предусмотрена — транспортный уровень должен образовывать соединения, обеспечивать доставку, управлять потоком и т. п. (по типу TCP). Реальные же протоколы реализуют такую возможность. (Утверждения этого абзаца не соответствуют действительности)
Семейство TCP/IP имеет три транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий OSI, обеспечивающий проверку получения данных; UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмен датаграммами между приложениями, не гарантирующий получения данных; и SCTP, разработанный для устранения некоторых недостатков TCP, в который добавлены некоторые новшества. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является служебный протокол ICMP, используемый для внутренних нужд обеспечения работы; остальные также не являются транспортными протоколами.)
Стек протоколов TCP/IP.
Стек TCP/IP - набор протоколов, разработанных для обеспечения взаимосвязи различных устройств в сети Интернет. Стек включает следующие протоколы
Протокол IP (Internet protocol) - основной протокол сетевого уровня. Определяет способ адресации на сетевом уровне. Обеспечивает маршрутизацию в сетях, представляющих собой объединение сетей, базирующихся на разных сетевых технологиях.
Протокол ARP (Address Resolution Protocol) - вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для определения аппаратного адреса узла назначения по заданному IP-адресу.
Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol) - вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для обмена информацией об ошибках передачи данных протоколом IP, а также для обмена управляющей информацией на сетевом уровне. В частности, утилита PING использует этот протокол для посылки так называемого "эхо-запроса".
Протокол IGMP (Internet Group Management Protocol) - протокол, используемый для отправки данных определенной группе получателей.
Протокол TCP (Transmission Control Protocol) - протокол, обеспечивающий гарантированную доставку данных с установлением виртуального соединения между программами, которым требуется использовать сетевые услуги. Установление виртуального соединения предполагает, что получатель готов к приему данных от конкретного отправителя. Это означает, что все параметры взаимодействия согласованы, и компьютер-получатель выделил соответствующие ресурсы для обеспечения приема.
Протокол UDP (User Datagram Protocol) - протокол, обеспечивающий негарантированную доставку данных без установления виртуального соединения между программами, которым требуется использовать сетевые услуги.
Транспортные протоколы TCP и UDP.
Протокол IP обеспечивает доставку данных между двумя (или более) компьютерами. Однако на одном узле может функционировать параллельно несколько программ, которым требуется доступ к сети. Следовательно, данные внутри компьютерной системы должны распределяться между программами. Поэтому, при передаче данных по сети недостаточно просто адресовать конкретный узел. Необходимо также идентифицировать программу-получателя, что невозможно осуществить средствами сетевого уровня.
Другой серьезной проблемой IP является невозможность передачи больших массивов данных. Протокол IP разбивает передаваемые данные на пакеты, каждый из которых передается в сеть независимо от других. В случае если какие-либо пакеты потерялись, то модуль IP на принимающей стороне не сможет обнаружить потерю, т.е. нарушение целостности общего массива данных.
Для решения этих проблем разработаны протоколы транспортного уровня TCP и UDP.
Идентификация программ в протоколах TCP и UDP обеспечивается уникальными числовыми значениями, так называемыми номерами портов. Номера портов назначаются программам в соответствии с ее функциональным назначением на основе определенных стандартов. Для каждого протокола существуют стандартные списки соответствия номеров портов и программ. Так, например, программное обеспечение WWW, работающее через транспортный протокол TCP, использует TCP-порт 80, а служба DNS взаимодействует с транспортными протоколами TCP и UDP через TCP-порт 53 и UDP-порт 53 соответственно.
Таким образом, протокол сетевого уровня IP и транспортные протоколы TCP и UDP реализуют двухуровневую схему адресации: номера TCP- и UDP-портов позволяют однозначно идентифицировать программу в рамках узла, однозначно определяемого IP-адресом. Следовательно, комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети Интернет. Такой комбинированный адрес называетсясокетом (socket).
Дополнительно к этому протокол TCP обеспечивает гарантированную доставку данных. Принцип гарантированной доставки основан на том, что передающий компьютер всегда "знает", были ли доставлены данные получателю или нет. Это обеспечивается тем, что принимающий компьютер подтверждает успешный прием данных. Если передающий компьютер не получает подтверждения, он пытается произвести повторную передачу. Режим передачи с гарантией доставки имеет существенный недостаток - сеть дополнительно загружается пакетами-подтверждениями. Это может оказаться принципиальной проблемой на каналах с низкой производительностью. Поэтому для передачи небольших порций данных, если нет необходимости в подтверждении, или для передачи потоковых данных (например, видео или аудио) используется протокол передачи с негарантированной доставкой UDP.