Иерархия протоколов. Модель OSI

С целью стандартизации сетей и для помощи производителям в стандартизации и интегрировании производимого сетевого программного обеспечения, Международная организация по стандартизации (ISO, International Standart Organization) в 1984 году определила программную модель пересылки сообщений между компьютерами. Эта модель получила название опорной модели взаимодействия открытых систем - Open Systems Interconnection (OSI) reference model [1,2,5]. В модели OSI определены семь уровней программного обеспечения, как показано на рис.4.1.

Рис.4.1. Семиуровневая модель OSI

Модель OSI имеет иерархическую структуру. Взаимосвязь одноименных уровней регламентируется протоколом. Взаимосвязь соседних слоев определяется стандартами, именуемыми интерфейсами. Взаимодействие уровней в этой модели – субординарное. Каждый уровень может реально непосредственно взаимодействовать только с соседними уровнями (верхним и нижним), виртуально (опосредовано) – только с аналогичным уровнем на другом конце линии.

Каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее. Рассмотрим функции каждого из уровней.

Физический уровень предназначен непосредственно для передачи потока данных. Определяет характеристики оборудования, преобразующие передаваемые данные в физический сигнал, передающийся по кабелю. На этом уровне определяются уровни напряжения и конкретные контакты разъема.

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.

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 свойства среды сети 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.

Примерами протоколов могут быть: 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, Firewire.

Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля над 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 2 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.

К функциям протокола относятся:

- управление процедурами установления и прекращения связи;

- упаковка передаваемой информации в кадры перед ее передачей и разупаковка информации при приеме;

- генерация и чтение управляющих кадров;

- обеспечение прозрачности информационного канала;

- прием и передача подтверждений;

- повторная передача кадров потерянных или с ошибками.

Примерами являются протоколы ВSC, HDLС.

Протоколы: BSC, ARCnet, ATM, Ethernet, 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, Point-to-Point Protocol (PPP), Serial Line Internet Protocol (SLIP) (obsolete), StarLan, Token ring, x.25.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы. В операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS

Сетевой уровень управляет соединениями через сети и делает прозрачными для протоколов верхнего уровня детали самой сети. Этот 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. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор. Сетевой уровень обеспечивает:

- выбор маршрута;

- управление потоком данных в сети;

- буферизацию данных.

Пример: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2), ICMP (Internet Control Message Protocol), RIP (Routing Information Protocol).

Транспортный уровень гарантирует, что получатель получит данные точно в таком виде, в каком они были отправлены. Разделяет сообщения на пакеты на передающем конце и осуществляет сборку на приемном. Обеспечивает согласование сетевых уровней различных несовместимых между собой сетей через специальные шлюзы. Примером могут служить протоколы TCP, UDP, SPX.

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.

Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных – это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

Сеансовый уровень выполняет управление обменами меду рабочими станциями, которые участвуют в сеансе связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. На этом уровне осуществляется управление доступом на основе прав доступа. 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.

Уровень представлений определяет форматы данных, алфавиты и коды, представление специальных и графических символов, описывает шифрование данных, их сжатие и кодовое преобразование. Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, 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.

Для примера пусть одна сеть использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC(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.

Функция шифрования данных применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными получателями. 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 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;

- QuickTime– стандарт, описывающий звуковые и видео элементы для программ, выполняемых на компьютерах Macintosh и PowerPC.

Уровень приложений обслуживает задачи пользователя и прикладное ПО по передаче данных через сеть и доступу к сетевым ресурсам. Это верхний уровень модели. Он обеспечивает взаимодействие сети и пользователя. Уровень разрешает приложениям пользователя иметь доступ к сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Пример: HTTP, POP3, SMTP, FTP, DNS, MODBUS

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: