9.Модель osi (коротка характеристика). Рівні моделі osi (призначення, функції і завдання кожного рівня).

Призначення моделі OSI складається в узагальненому поданні засобів мережевої взаємодії. Вона розроблялася в якості свого роду універсальної мови мережевих спеціалістів, саме тому її називають довідковою моделлю.

У моделі ОSI (рис. 4.6) засоби взаємодії діляться на сім рівнів: прикладний, представлення, сеансовий, транспортний, мережевий, канальний і фізичний. Кожен рівень має справу з абсолютно певним аспектом взаємодії мережевих пристроїв.

Додатки можуть реалізовувати власні протоколи взаємодії, використовуючи для цих цілей багаторівневу сукупність системних засобів. Саме для цього в розпорядження програмістів надається прикладний програмний інтерфейс (Application Program Interface, API). Відповідно до ідеальної схеми моделі OSI додаток може звертатися із запитами до самого верхнього рівня - рівня додатків, однак на практиці багато стеків комунікаційних протоколів надають можливість програмістам безпосередньо звертатися до сервісів, або службам, розташованим нижче рівнів.

Наприклад, деякі служби мають вбудовані засоби віддаленого доступу до файлів. У цьому випадку додаток, виконуючи доступ до віддалених ресурсів, не використовує системну файлову службу; він обходить верхні рівні моделі OSI і звертається безпосередньо до відповідальних за транспортування повідомлень по мережі системних засобів, які розташовуються на нижніх рівнях моделі ОSI. Отже, нехай додаток вузла А хоче взаємодіяти з додатком вузла В. Для цього додаток А звертається із запитом до прикладного рівня, наприклад до файлової служби. На підставі цього запиту програмне забезпечення прикладного рівня формує повідомлення стандартного формату. Але для того щоб доставити цю інформацію за призначенням, належить вирішити ще багато задач, відповідальність за які несуть нижче лежачі рівні. Після формування повідомлення прикладний рівень направляє його вниз по стеку рівня представлення. Протокол рівня представлення на підставі інформації, отриманої із заголовка повідомлення прикладного рівня, виконує необхідні дії і додає до повідомлення власну службову інформацію - заголовок рівня представлення, в якому містяться вказівки для протоколу рівня представлення машини-адресата. Отримане в результаті повідомлення передається вниз сеансовому рівню, який в свою чергу додає свій заголовок і т. д. (Деякі реалізації протоколів вміщують службову інформацію не тільки на початку повідомлення у вигляді заголовка, але і в кінці у вигляді так званого кінця.) Нарешті, повідомлення досягає нижнього, фізичного рівня, який, власне, і передає його по лініях зв'язку машині-адресату. До цього моменту повідомлення «обростає» заголовками всіх рівнів

В стандартах ISO для позначення одиниць обміну даними з якими мають справу протоколи різних рівнів, використовується загальна назва «протокольна одиниця даних» (Protocol Data Unit, PDU). Для позначення одиниць обміну даними конкретних рівнів, часто використовуються спеціальні назви: повідомлення, кадр, пакет, дейтаграма, сегмент. 

Фізичний рівень (physical layer) має справу з передачею потоку бітів по фізичних каналах зв'язку, таким як коаксіальний кабель, вита пара, оптоволоконний кабель або цифровий територіальний канал.

Функції фізичного рівня реалізуються на всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережевим адаптером або послідовним портом.

Прикладом протоколу фізичного рівня може служити специфікація 10Base-T технології Ethernet, яка визначає в якості використовуваного кабелю неекрановану обмотану пару категорії 3 із хвильовим опором 100 Ом, роз'єм RJ-45, максимальну довжину фізичного сегмента 100 метрів, манчестерський код для представлення даних в кабелі, а також деякі інші характеристики середовища й електричних сигналів.

Фізичний рівень не вникає в зміст інформації, яку він передає. Для нього ця інформація являє однорідний потік бітів, які потрібно доставити без спотворень і відповідно до заданої тактовою частотою (інтервалом між сусідніми бітами). 

Канальний рівень (data link layer) є першим рівнем (якщо йти знизу вгору), який працює в режимі комутації пакетів. На цьому рівні PDU зазвичай носить назву кадр (frame).

Функції засобів канального рівня визначаються по-різному для локальних і глобальних мереж:

– у локальних мережах канальний рівень повинен забезпечувати доставку кадру між будь-якими вузлами мережі. При цьому передбачається, що мережа має типову топологію, наприклад загальну шину, кільце, зірку або дерево (ієрархічну зірку). Прикладами технологій локальних мереж, застосування яких обмежена типовими топологіями, є Ethernet, FDDI, Token Ring.

– у глобальних мережах канальний рівень повинен забезпечувати доставку кадру тільки між двома сусідніми вузлами, з'єднаними індивідуальною лінії зв'язку. Прикладами двоточкових протоколів (як часто називають такі протоколи) можуть служити широко поширені протоколи РРР і HDLC. На основі двоточкових зв'язків можуть бути побудовані мережі довільної топології. Для зв'язку локальних мереж між собою або для доставки повідомлень між будь-якими кінцевими вузлами глобальної мережі використовуються засоби більш високого мережевого рівня.

Однією з функцій канального рівня є підтримка інтерфейсів з нижче лежачим фізичним рівнем і вищерозміщеним мережевим рівнем. Мережевий рівень направляє канальному рівню пакет для передачі в мережу або приймає від нього пакет, отриманий з мережі. Фізичний рівень використовується каналовим як інструментом, який приймає і передає в мережу послідовності бітів. Почнемо розгляд роботи канального рівня, починаючи з моменту, коли мережевий  рівень відправника передає канальному рівню пакет, а також вказівку, якого вузлу його передати. Для вирішення цього завдання канальний рівень створює кадр, який має поле даних і заголовок. Канальний рівень поміщає (інкапсулює) пакет в поле даних кадру і заповнює відповідною службовою інформацією заголовок кадру. Найважливішою інформацією заголовка кадру є адреса призначення, на підставі якого комутатори мережі будуть просувати пакет.

Одним із завдань канального рівня є виявлення і корекція помилок. Для цього канальний рівень фіксує межі кадру, вміщуючи спеціальну послідовність бітів в його початок і кінець, а потім додає до кадру контрольну суму, яка називається також контрольною послідовністю кадру (Frame Check Sequence, FCS). Контрольна сума обчислюється за деяким алгоритмом як функція від всіх байтів кадру. За значенням FCS вузол призначення зможе визначити, були чи ні спотворені дані кадру в процесі передачі по мережі.

Мережевий рівень служить для утворення єдиної транспортної системи, яка об'єднує декілька мереж, званої складовою мережею, або інтернетом.

Технологія, яка дозволяє з’єднувати в одну мережу багато мереж, в загальному випадку  побудованих на основі різних технологій, називається технологією міжмережевої взаємодії (internetworking). 

Функції мережного рівня реалізуються:

□ групою протоколів;

□ спеціальними пристроями - маршрутизаторами.

Однією з функцій маршрутизатора є фізичне з'єднання мереж. Маршрутизатор має декілька мережевих інтерфейсів, подібних інтерфейсів комп’ютера, до кожного з яких може бути підключена одна мережа. Таким чином, всі інтерфейси маршрутизатора можна вважати вузлами різних мереж. Маршрутизаторам може бути реалізований програмно, на базі універсального комп'ютера (наприклад, типова конфігурація Unix або Windows включає програмний модуль маршрутизатора). Однак частіше маршрутизатори реалізуються на базі спеціалізованих апаратних платформ. До складу програмного забезпечення маршрутизатора входять протокольні модулі мережевого рівня.

Отже, щоб зв'язати мережі, які зображено на рис. 4.8, необхідно з'єднати всі ці мережі маршрутизаторами і встановити протокольні модулі мережевого рівня на всі кінцеві вузли користувачів, які хотіли б зв'язуватися через складову мережу (рис. 4.9).

Дані, які необхідно передати через складену мережу, надходять на мережевий рівень від вищого транспортного рівня. Ці дані забезпечуються заголовком мережевого рівня. Дані разом із заголовком утворюють пакет - так називається PDU мережевого рівня. Заголовок пакета мережного рівня має уніфікований формат, що не залежить від форматів кадрів канального рівня тих мереж, які можуть входити в складену мережу, і несе поряд з іншою службовою інформацією дані про адресу призначення цього пакета.

Для того щоб протоколи мережевого рівня могли доставляти пакети любому вузлу складовою мережі, ці вузли повинні мати адреси, унікальні в межах даної складовою мережі. Такі адреси називаються мережевими, абоглобальними. Кожен вузол складової мережі, який має намір обмінюватися даними з іншими вузлами складовою мережі, повинен мати мережеву адресу поряд з адресою, яка призначена йому на канальному рівні. Наприклад, на рис. 4.9 комп'ютер в мережі Ethernet, яка входить ще й в складену мережу, має адресу канального рівня МАС1 та адреса мережевого рівня NET-A1; аналогічно в мережі ATM вузол, що адресується ідентифікаторами віртуальних каналів ID1 і ID2, має мережеву адресу NET-A2. У пакеті в якості адреси призначення повинен бути вказаний адрес мережевого рівня, на підставі якого визначається маршрут пакета. Визначення маршруту є важливим завданням мережевого рівня. Маршрут описується послідовністю мереж (або маршрутизаторів), через які повинен пройти пакет, щоб потрапити до адресата. Наприклад, на рис. 4.9 штриховою лінією показано 3 маршрути, по моменту, котрим можуть бути передані дані від комп'ютера А до комп'ютера Б. Маршрутизатор збирає інформацію про топологію зв'язків між мережами і на її основі будує таблиці комутації, які в даному випадку носять спеціальну назву таблиць маршрутизації.

Для того щоб передати пакет через чергову мережу, мережевий рівень поміщає його в поле даних кадру відповідної канальної технології, вказуючи в заголовку кадру канальний адрес інтерфейсу наступного маршрутизатора. Мережа, використовуючи свою канальну технологію, доставляє кадр з інкапсульованим в нього пакетом за заданою адресою. Маршрутизатор витягує пакет з прибутого кадру і після необхідної обробки передає пакет для подальшого транспортування в наступну мережу, попередньо упакувавши його в новий кадр канального рівня в загальному випадку іншою технологією. Таким чином, мережевий рівень грає роль координатора, що організує спільну роботу мереж, побудованих на основі різних технологій.

Транспортний рівень (transport layer) забезпечує додаткам або верхнім рівням стеку - прикладному, представлення і сеансовому - передачу даних з тим ступенем надійності, яка їм потрібна. Модель OSI визначає п'ять класів транспортного сервісу від нижчого класу 0 до вищого класу 4. Ці види сервісу відрізняються якістю наданих послуг: терміновістю, відновлення перерваного зв'язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне - здатність до виявлення і виправлення помилок передачі, таких як спотворення, втрата і дублювання пакетів.

Вибір класу сервісу транспортного рівня визначається, з одного боку, тим, в якій степені задача забезпечення надійності розв’язується самими програми і протоколами більш високих, ніж транспортний, рівнів. З іншого стеку, цей вибір залежить від того, наскільки надійною є система транспортування даних в мережі, що забезпечується рівнями, розташованими нижче транспортного, - мережевим, канальним і фізичним. Так, якщо якість каналів передачі зв'язку дуже висока і вірогідність виникнення помилок, не виявлених протоколами більш низьких рівнів, невелика, то розумно скористатися одним з полегшених сервісів транспортного рівня, не обтяжених численними перевірками, і іншими прийомами підвищення надійності. Якщо ж транспортні засоби нижніх рівнів дуже ненадійні, то доцільно звернутися до найбільш розвиненого сервісу транспортного рівня, який працює, використовуючи максимум засобів для виявлення і видалення помилок, включаючи попереднє встановлення логічного з'єднання, контроль доставки повідомлень по контрольних сумах і циклічній нумерації пакетів, встановлення таймаутів доставки і т. п. Всі протоколи, починаючи з транспортного рівня і вище, реалізуються програмними засобами кінцевих вузлів мережі - компонентами їх мережевих операційних систем. Як приклад транспортних протоколів можна привести по протоколі TCP і UDP стека TCP / IP і протокол SPX стека Novell. Протоколи нижніх чотирьох рівнів узагальнено називають мережевим транспортом, або транспортною підсистемою, оскільки вони повністю вирішують задачу транспортування повідомлень із заданим рівнем якості в складових мережах з довільною топологією і різними технологіями. Решта три верхніх рівні вирішують задачі надання прикладних сервісів, використовуючи нижчележачу транспортну підсистему.

Сеансовий рівень (session layer) забезпечує управління взаємодією сторін: фіксує, яка зі сторін є активною в даний момент, і надає засоби синхронізації сеансу. Ці засоби дозволяють в ході довгих передач зберігати інформацію про стан цих передач у вигляді контрольних точок, щоб у разі відмови можна було повернутися назад до останньої контрольної точки, а не починати все спочатку. На практиці деякі додатки використовують сеансовий рівень, і він рідко реалізується у вигляді окремих протоколів. Функції цього рівня часто об'єднують з функціями прикладного рівня і реалізують в одному протоколі.

Рівень представлення (presentation layer), як випливає з його назви, забезпечує представлення передаючої по мережі інформації, не змінюючи при цьому її змісту. За рахунок рівня представлення інформація, яка передається прикладним рівнем однієї системи, завжди зрозуміла прикладному рівню іншої системи. За допомогою засобів даного рівня протоколи прикладних рівнів можуть подолати синтаксичні відмінності в представленні даних або ж розмежування в кодах символів, наприклад кодів ASCII і EBCDIC. На цьому рівні можуть виконуватися шифрування і дешифрування даних, завдяки яким секретність обміну даними забезпечується відразу для всіх прикладних служб. Прикладом такого протоколу є протокол SSL (Secure Socket Layer - шар захисних сокетів), який забезпечує секретний обмін повідомленнями для протоколів прикладного рівня стека TCP / IP.

Прикладний рівень (application layer) - це насправді просто набір різноманітних протоколів, за допомогою яких користувачі мережі отримують доступ до ресурсів, таким як файли, принтери або гіпертекстові веб-сторінки, а також організують свою спільну роботу, наприклад, за протоколом електронної пошти. Одиниця даних, якою оперує прикладний рівень, зазвичай називається повідомленням.

Існує дуже велика різноманітність протоколів та відповідних служб прикладного рівня. Наведемо як приклад декілька найбільш розповсюджених реалізацій мережевих файлових служб: NFS і FTP в стеку TCP/IP, SMB в Microsoft Windows, NCP в операційній системі Novell NetWare.