Вопрос 19. Модель osi

1. В начале 1980-х гг. ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU-T и некоторые другие — разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей.² Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель представляет собой универсальный стандарт на взаимодействие двух систем (компьютеров) через вычислительную сеть.³

Главная идея данной модели состоит в том, что вся сложная процедура сетевого взаимодействия может быть разбита на некоторое количество стандартных шагов, последовательно выполняющихся программным и аппаратным обеспечением компьютера для передачи пользовательских данных в сеть или при приеме данных из сети. Для описания действий, выполняемых на каждом таком шаге, вводится понятие уровня.

Модель OSI описывает функции семи иерархических уровней и интерфейсы взаимодействия между ними. Каждый уровень определяется сервисом, который он предоставляет вышестоящему уровню, и протоколом — набором правил и форматов данных для взаимодействия объектов одного уровня, работающих на разных компьютерах.

Объекты, выполняющие функиии уровней, могут быть реализованы в:

• программном;

• программно-аппаратном;

• аппаратном виде.

Как правило, чем ниже (ближе к физической среде передачи) уровень, тем больше доля аппаратной части в его реализации.

Модель построена так, что объекты одного уровня двух взаимодействующих компьютеров сообщаются непосредственно друг с другом с помощью соответствующих протоколов, не зная, какие уровни лежат под ними и какие функции они выполняют. Задача объектов — предоставить через стандартизованный интерфейс определенный сервис вышестоящему уровню, воспользовавшись, если нужно, сервисом, который предоставляет данному объекту нижележащий уровень.

2. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней (перечислены в направлении сверху вниз):¹

• прикладной уровень (application layer) обеспечивает работу сетевых приложений, с которыми имеют дело пользователи, например электронную почту, передачу файлов, регистрацию и т. п.;

• представительный уровень {presentation layer) содержит общие структуры данных (на этом уровне происходит согласование представления данных прикладных процессов);

• сеансовый уровень (session layer) осуществляет аутентификацию и проверку полномочий, а также обеспечивает постоянное соединение между сетевыми приложениями;

• транспортный уровень (transport layer) обеспечивает получение данных точно в том виде, в каком они были посланы;

• сетевой уровень (network layer) обеспечивает фрагментацию (сборку) данных, маршрутизацию и продвижение их в сети; на нем определяются адреса машин;

• канальный уровень (data link layer) обеспечивает корректный прием и передачу пакетов в пределах однородной физической сети;

• физический уровень (physical layer) задает физические параметры сети, например уровни напряжения, типы кабелей, контакты интерфейсов.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами.¹ Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам.

3. Открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.²

Спецификация (в вычислительной технике) — формализованное описание аппаратных (или программных компонентов); способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами; условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Не всякая спецификация является стандартом.

Под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

4. При продвижении пакета с данными прикладного процесса по уровням сверху вниз каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и, возможно, окончания (трейлера) — информации, помещаемой в конец сообщения.³ Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего

уровня в пакет нижнего уровня. Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере, ее формат и интерпретация определяются протоколом данного уровня.

Данные, приходящие с верхнего уровня, могут представлять собой пакеты с уже инкапсулированными данными еще более верхнего уровня.

При получении пакета от нижнего уровня он разделяется на заголовок, трейлер и данные. Служебная информация из заголовка и трейлера анализируется, и в соответствии с ней принимается решение, что делать с данными, содержащимися в полученном пакете.

Одним из вариантов является направление данных одному из объектов верхнего уровня (какому именно — должно быть указано в проанализированной служебной информации). Тот, в свою очередь, рассматривает эти данные как пакет со своей служебной информацией и данными для еще более верхнего уровня, и процедура повторяется, пока пользовательские данные, очищенные от всей служебной информации, не достигнут прикладного процесса.

Но есть возможность, что пакет не будет проведен до самого верхнего уровня (например, если данный компьютер представляет собой промежуточную станцию на пути между отправителем и получателем). В этом случае объект соответствующего уровня при анализе служебной информации заметит, что пакет на этом уровне адресован не ему. Тогда объект выполнит необходимые действия для перенаправления пакета к месту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке, но в любом случае не будет продвигать данные на верхний уровень.

Протоколы, основанные на модели OSL используются редко:

• в силу своей не всегда оправданной сложности;

• из-за существования хорошо зарекомендовавших себя стеков протоколов TCP/IP.

Поэтому модель OSI — опорная база для классификации и сопоставления протокольных стеков.

5. TCP/IP — собирательное название для стека сетевых протоколов разных уровней, используемых в Internet.¹ Особенности TCP/IP.

• открытые стандарты протоколов, разрабатываемые независимо от программного и аппаратного обеспечения;

• независимость от физической среды передачи;

• система уникальной адресации;

• стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных пользовательских сервисов.

Стек протоколов TCP/IP делится на четыре уровня:

• прикладной (application). Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции уровней представления и частично сеансового модели OSI.¹ Распространенными примерами приложений являются программы telnet, ftp, WWW-серверы и клиенты (Интернет-браузеры), программы работы с электронной почтой. Для пересылки данных через сеть другому приложению оно обращается к тому или иному модулю транспортного уровня;

• транспортный (transport). Протоколы данного уровня обеспечивают прозрачную (сквозную) доставку данных между двумя прикладными процессами. Для передачи и получения данных, отправляемых друг другу, они используют межсетевой уровень. На транспортном уровне работают два основных протокола:²

• TCP (Transmission Control Protocol) — надежный протокол с установлением соединения: он управляет логическим сеансом связи (устанавливает, поддерживает и закрывает соединение) между процессами и обеспечивает надежную (безошибочную и гарантированную) доставку прикладных данных от процесса к процессу;

• UDP (User Datagram Protocol) — протокол дейтаграмм пользователя — является ненадежным протоколом без установления соединения: это значит, что ни логический сеанс связи, ни надежная доставка прикладных данных этим протоколом не обеспечиваются. Фактически UDP не предоставляет никаких услуг, кроме мультиплексирования пакетов с прикладными данными — то есть направления данных тому или иному приложению в зависимости от номера порта. Услугами UDP пользуются, например, доменная система имен (DNS), сетевая файловая система NFS;

• сетевой (межсетевой, или Internet). Основным протоколом этого уровня является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол является центром, вокруг которого строится весь стек TCP/IP.

Протокол IP доставляет блоки данных, называемые дейтаграммами, от одного IP-адреса к другому через компьютерную сеть. IP-адрес является уникальным 32-битным идентификатором компьютера (точнее, его сетевого интерфейса). Данными для дейтаграммы является блок данных, передаваемых IP-модулю транспортным уровнем. IP-модуль предваряет эти данные заголовком, содержащим IP-адреса отправителя и получателя и другую служебную информацию, и сформированная таким образом дейтаграмма передается на уровень доступа к сети для отправки по каналу передачи данных; • уровень доступа к сети {network access), который выполняет сле-, дующие функции:¹

• отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol);

• инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров. При этом не требуется какого-либо контроля безошибочности передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение;

• определение метода доступа к среде передачи, то есть способа, с помощью которого компьютер устанавливает свое право на произведение передачи данных;

• определение представления (кодирования) данных в физической среде;

• пересылка и прием кадра.

Часто в качестве уровня доступа к сети выступают целые протокольные стеки; тогда говорят об IP поверх ATM, IP поверх IPX и т. д.