Как следует рассматривать архитектуру компьютерных сетей согласно модели iso osi

Обновлено: 04.07.2024

В течение последних нескольких десятилетий размеры и количество сетей значительно выросли. В 80-х годах существовало множество типов сетей. И практически каждая из них была построена на своем типе оборудования и программного обеспечения, зачастую не совместимых между собой. Это приводило к значительным трудностям при попытке соединить несколько сетей (например, различный тип адресации делал эти попытки практически безнадежными).

Эта проблема была рассмотрена Всемирной организацией по стандартизации ( International Organization for Standardization , ISO ) и было принято решение разработать модель сети, которая могла бы помочь разработчикам и производителям сетевого оборудования и программного обеспечения действовать сообща. В результате в 1984 г. была создана модель OSI – модель взаимодействия открытых систем ( Open Systems Interconnected). Она состоит из семи уровней, на которые разделяется задача организации сетевого взаимодействия. Схематично они представлены в таблице 16.1.

Хотя сегодня существуют разнообразные модели сетей, большинство разработчиков придерживается именно этой общепризнанной схемы.

Рис. 16.2. Добавление служебной информации в начало и конец пакета.

Процесс " обертывания " передаваемых данных служебной информацией называется инкапсуляцией ( encapsulation ).

Рис. 16.3. Представление данных в виде электрического импульса.

Так как каждый уровень модели OSI стандартизирован, потребители могут использовать совместно оборудование и программное обеспечение различных производителей. В результате web- сервер под управлением операционной системы Sun Solaris может передать HTML-страницу пользователю MS Windows .

Разумеется, совместимость можно обеспечить лишь до некоторого уровня. Если одна машина передает данные в виде радиоволн, а другая в виде световых импульсов, то их взаимодействие без использования дополнительного оборудования невозможно. Поэтому было введено понятие сете-независимых и сете-зависимых уровней.

Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – являются сете-зависимыми. Например, смена Ethernet на ATM влечет за собой полную смену протокола физического и канального уровней.

Три верхних уровня – приложений, представительский и сессионный – ориентированы на прикладные задачи и практически не зависят от физической технологии построения сети. Так, переход от Token Ring на Ethernet не требует изменений в перечисленных уровнях.

Для более глубокого понимания принципов работы сети рассмотрим каждый уровень по отдельности.

Physical layer (layer 1)

Как видно из общей схемы расположения уровней в модели OSI, физический уровень ( Physical layer ) самый первый. Этот уровень описывает среду передачи данных. Стандартизируются физические устройства, отвечающие за передачу электрических сигналов (разъемы, кабели и т.д.) и правила формирования этих сигналов. Рассмотрим по порядку все составляющие этого уровня.

Большая часть сетей строится на кабельной структуре (хотя существуют сети, основанные на передаче информации с помощью, например, радиоволн). Сейчас существуют различные типы кабелей. Наиболее распространенные из них:

телефонный провод;
коаксиальный кабель ;
витая пара ;
оптоволокно .

Телефонный кабель начал использоваться для передачи данных со времен появления первых компьютеров. Главным преимуществом телефонных линий было наличие уже созданной и развитой инфраструктуры. С ее помощью можно передавать данные между компьютерами, находящимися на разных материках, так же легко, как и вести разговор людям, которые находятся за много тысяч километров друг от друга. На сегодняшний день использование телефонных линий также остается популярным. Пользователи, которых устраивает небольшая скорость передачи данных, могут получить доступ к интернету со своих домашних компьютеров. Основными недостатками использования телефонного кабеля является небольшая скорость передачи , т.к. соединение происходит не напрямую, а через телефонные станции. При этом требование к качеству передаваемого сигнала при передаче данных значительно выше, чем при передаче "голоса". А так как большинство аналоговых АТС не справляется с этой задачей (уровень "шума", или помех, и качество сигнала оставляет желать лучшего), то скорость передачи данных очень низкая. Хотя при подключении к современным цифровым АТС можно получить высокую и надежную скорость связи.

Коаксиальный кабель использовался в сетях еще несколько лет назад, но сегодня это большая редкость. Такой тип кабеля по строению практически идентичен обычному телевизионному коаксиальному кабелю – центральная медная жила отделена слоем изоляции от оплетки. Некоторые отличия есть в электрических характеристиках (в телевизионном кабеле используется кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, в сетевом – 50 Ом).

Основными недостатками этого кабеля является низкая скорость передачи данных (до 10 Мбит/с), подверженность воздействиям внешних помех. Кроме того, подключение компьютеров в таких сетях происходит параллельно, а значит, максимальная возможная скорость пропускания делится на всех пользователей. Но, по сравнению с телефонным кабелем, коаксиал позволяет объединять близко расположенные компьютеры с намного лучшим качеством связи и более высокой скоростью передачи данных.

Витая пара (" twisted pair ") – наиболее распространенное средство для передачи данных между компьютерами. В данном типе кабеля используется медный попарно скрученный провод, что позволяет уменьшить количество помех и наводок, как при передаче сигнала по самому кабелю, так и при воздействии внешних помех.

Существует несколько категорий этого кабеля. Перечислим основные из них. Cat 3 – был стандартизирован в 1991 г., электрические характеристики позволяли поддерживать частоты передачи до 16 МГц, использовался для передачи данных и голоса. Более высокая категория – Cat 5, была специально разработана для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому его электрические характеристики лежат в пределах до 100Мгц. На таком типе кабеля работают протоколы передачи данных 10, 100, 1000 Мбит/с. На сегодняшний день кабель Cat5 практически вытеснил Cat 3. Основное преимущество витой пары перед телефонными и коаксиальными кабелями – более высокая скорость передачи данных. Также использование Cat 5 в большинстве случаев позволяет, не меняя кабельную структуру, повысить производительность сети (переходом от 10 к 100 и от 100 к 1000 Мбит/с).

Оптоволокно используется для соединения больших сегментов сети, которые располагаются далеко друг от друга, или в сетях, где требуется большая полоса пропускания , помехоустойчивость. Оптический кабель состоит из центрального проводника света (сердцевины) – стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. Световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

одномодовое волокно;
многомодовое волокно.

Понятие "мода" описывает режим распространения световых лучей в сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле используется проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света. В многомодовом кабеле применяются более широкие сердечники, которые легче изготовить. В этих кабелях в сердечнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от оболочки под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. Оптоволокно обладает следующими преимуществами: устойчивость к электромагнитным помехам, высокие скоростные характеристики на больших расстояниях. Основным недостатком является как дороговизна самого кабеля, так и трудоемкость монтажных работ , так как все работы выполняются на дорогостоящем высокоточном оборудовании.

Физический уровень также отвечает за преобразование сигналов между различными средами передачи данных. Например, при необходимости соединить сегменты сети, построенные на оптоволокне и витой паре , применяют так называемые конверторы (в данном случае они преобразуют световой импульс в электрический).

Для включения компьютера в сеть используется специальное устройство – сетевой адаптер ( Network adapter ), позволяющий обмениваться наборами битов, представленными электрическими сигналами. Сетевая карта (так чаще называют сетевой адаптер ) обычно имеет шину ISA или PCI для подключения в компьютер и соответствующий разъем для подключения к среде передачи данных (например, для витой пары , коаксиал и т.п.).

Теперь, когда мы знаем, как происходит соединение компьютеров в одну сеть , рассмотрим варианты физической схемы такой сети, или, другими словами, физической топологии (структуры локальной сети).

Топология " шина " ( bus ) показана на рис. 16.4.

Все компьютеры и сетевые устройства подсоединены к одному проводу и фактически напрямую соединены между собой.

Топология "кольцо" (ring) показана на рис. 16.5.

Кольцо состоит из сетевых устройств и кабелей между ними, образующих одно замкнутое кольцо.

Топология " звезда " показана на рис. 16.6.

Все компьютеры и сетевые устройства подключены к одному центральному устройству.

Топология "расширенная звезда " (extended star ) показана на рис. 16.7.

Рис. 16.7. Топология "расширенная звезда"(extended star).

Такая схема практически аналогична топологии " звезда ", за одним исключением. Каждое устройство соединено с локальным центральным устройством, а оно, в свою очередь , соединено с центром другой "звезды".

Открытая сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection model) состоит из семи уровней. Что это за уровни, как устроена модель и какова ее роль при построении сетей — в статье.

Модель OSI является эталонной. Эталонная она потому, что полное название модели выглядит как «Basic Reference Model Open Systems Interconnection model», где Basic Reference Model означает «эталонная модель». Вначале рассмотрим общую информацию, а потом перейдем к частным аспектам.

Принцип устройства сетевой модели

Сетевая модель OSI имеет семь уровней, иерархически расположенных от большего к меньшему. То есть, самым верхним является седьмой (прикладной), а самым нижним — первый (физический). Модель OSI разрабатывалась еще в 1970-х годах, чтобы описать архитектуру и принципы работы сетей передачи данных. Важно помнить, что данные передаются не только по сети интернет, но и в локальных сетях с помощью проводных или беспроводных соединений.

На седьмом уровне информация представляется в виде данных, на первом — в виде бит. Процесс, когда информация отправляется и переходит из данных в биты, называется инкапсуляцией. Обратный процесс, когда информация, полученная в битах на первом уровне, переходит в данные на седьмом, называется декапсуляцией. На каждом из семи уровней информация представляется в виде блоков данных протокола — PDU (Protocol Data Unit).

Рассмотрим на примере: пользователь 1 отправляет картинку, которая обрабатывается на седьмом уровне в виде данных, данные должны пройти все уровни до самого нижнего (первого), где будут представлены как биты. Этот процесс называется инкапсуляцией. Компьютер пользователя 2 принимает биты, которые должны снова стать данными. Этот обратный процесс называется декапсуляция. Что происходит с информацией на каждом из семи уровней, как и где биты переходят в данные мы разберем в этой статье.

Первый, физический уровень (physical layer, L1)

Начнем с самого нижнего уровня. Он отвечает за обмен физическими сигналами между физическими устройствами, «железом». Компьютерное железо не понимает, что такое картинка или что на ней изображено, железу картинка понятна только в виде набора нулей и единиц, то есть бит. В данном случае бит является блоком данных протокола, сокращенно PDU (Protocol Data Unit).

Каждый уровень имеет свои PDU, представляемые в той форме, которая будет понятна на данном уровне и, возможно, на следующем до преобразования. Работа с чистыми данными происходит только на уровнях с пятого по седьмой.

Устройства физического уровня оперируют битами. Они передаются по проводам (например, через оптоволокно) или без проводов (например, через Bluetooth или IRDA, Wi-Fi, GSM, 4G и так далее).

Второй уровень, канальный (data link layer, L2)

Когда два пользователя находятся в одной сети, состоящей только из двух устройств — это идеальный случай. Но что если этих устройств больше?

У канального уровня есть два подуровня — это MAC и LLC. MAC (Media Access Control, контроль доступа к среде) отвечает за присвоение физических MAC-адресов, а LLC (Logical Link Control, контроль логической связи) занимается проверкой и исправлением данных, управляет их передачей.

На втором уровне OSI работают коммутаторы, их задача — передать сформированные кадры от одного устройства к другому, используя в качестве адресов только физические MAC-адреса.

Третий уровень, сетевой (network layer, L3)

На третьем уровне появляется новое понятие — маршрутизация. Для этой задачи были созданы устройства третьего уровня — маршрутизаторы (их еще называют роутерами). Маршрутизаторы получают MAC-адрес от коммутаторов с предыдущего уровня и занимаются построением маршрута от одного устройства к другому с учетом всех потенциальных неполадок в сети.

На сетевом уровне активно используется протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол определения адреса). С помощью него 64-битные MAC-адреса преобразуются в 32-битные IP-адреса и наоборот, тем самым обеспечивается инкапсуляция и декапсуляция данных.

Четвертый уровень, транспортный (transport layer, L4)

Все семь уровней модели OSI можно условно разделить на две группы:

Media layers (уровни среды),
Host layers (уровни хоста).

Уровни группы Media Layers (L1, L2, L3) занимаются передачей информации (по кабелю или беспроводной сети), используются сетевыми устройствами, такими как коммутаторы, маршрутизаторы и т.п. Уровни группы Host Layers (L4, L5, L6, L7) используются непосредственно на устройствах, будь то стационарные компьютеры или портативные мобильные устройства.

Четвертый уровень — это посредник между Host Layers и Media Layers, относящийся скорее к первым, чем к последним, его главной задачей является транспортировка пакетов. Естественно, при транспортировке возможны потери, но некоторые типы данных более чувствительны к потерям, чем другие. Например, если в тексте потеряются гласные, то будет сложно понять смысл, а если из видеопотока пропадет пара кадров, то это практически никак не скажется на конечном пользователе. Поэтому, при передаче данных, наиболее чувствительных к потерям на транспортном уровне используется протокол TCP, контролирующий целостность доставленной информации.

Для мультимедийных файлов небольшие потери не так важны, гораздо критичнее будет задержка. Для передачи таких данных, наиболее чувствительных к задержкам, используется протокол UDP, позволяющий организовать связь без установки соединения.

При передаче по протоколу TCP, данные делятся на сегменты. Сегмент — это часть пакета. Когда приходит пакет данных, который превышает пропускную способность сети, пакет делится на сегменты допустимого размера. Сегментация пакетов также требуется в ненадежных сетях, когда существует большая вероятность того, что большой пакет будет потерян или отправлен не тому адресату. При передаче данных по протоколу UDP, пакеты данных делятся уже на датаграммы. Датаграмма (datagram) — это тоже часть пакета, но ее нельзя путать с сегментом.

Главное отличие датаграмм в автономности. Каждая датаграмма содержит все необходимые заголовки, чтобы дойти до конечного адресата, поэтому они не зависят от сети, могут доставляться разными маршрутами и в разном порядке. Датаграмма и сегмент — это два PDU транспортного уровня модели OSI. При потере датаграмм или сегментов получаются «битые» куски данных, которые не получится корректно обработать.

Первые четыре уровня — специализация сетевых инженеров, но с последними тремя они не так часто сталкиваются, потому что пятым, шестым и седьмым занимаются разработчики.

Пятый уровень, сеансовый (session layer, L5)

Пятый уровень оперирует чистыми данными; помимо пятого, чистые данные используются также на шестом и седьмом уровне. Сеансовый уровень отвечает за поддержку сеанса или сессии связи. Пятый уровень оказывает услугу следующему: управляет взаимодействием между приложениями, открывает возможности синхронизации задач, завершения сеанса, обмена информации.

Службы сеансового уровня зачастую применяются в средах приложений, требующих удаленного вызова процедур, т.е. чтобы запрашивать выполнение действий на удаленных компьютерах или независимых системах на одном устройстве (при наличии нескольких ОС).

Примером работы пятого уровня может служить видеозвонок по сети. Во время видеосвязи необходимо, чтобы два потока данных (аудио и видео) шли синхронно. Когда к разговору двоих человек прибавится третий — получится уже конференция. Задача пятого уровня — сделать так, чтобы собеседники могли понять, кто сейчас говорит.

Шестой уровень, представления данных (presentation layer, L6)

О задачах уровня представления вновь говорит его название. Шестой уровень занимается тем, что представляет данные (которые все еще являются PDU) в понятном человеку и машине виде. Например, когда одно устройство умеет отображать текст только в кодировке ASCII, а другое только в UTF-8, перевод текста из одной кодировки в другую происходит на шестом уровне.

Шестой уровень также занимается представлением картинок (в JPEG, GIF и т.д.), а также видео-аудио (в MPEG, QuickTime). Помимо перечисленного, шестой уровень занимается шифрованием данных, когда при передаче их необходимо защитить.

Седьмой уровень, прикладной (application layer)

Седьмой уровень иногда еще называют уровень приложений, но чтобы не запутаться можно использовать оригинальное название — application layer. Прикладной уровень — это то, с чем взаимодействуют пользователи, своего рода графический интерфейс всей модели OSI, с другими он взаимодействует по минимуму.

Все услуги, получаемые седьмым уровнем от других, используются для доставки данных до пользователя. Протоколам седьмого уровня не требуется обеспечивать маршрутизацию или гарантировать доставку данных, когда об этом уже позаботились предыдущие шесть. Задача седьмого уровня — использовать свои протоколы, чтобы пользователь увидел данные в понятном ему виде.

Критика модели OSI

Семиуровневая модель была принята в качестве стандарта ISO/IEC 7498, действующего по сей день, однако, модель имеет свои недостатки. Среди основных недостатков говорят о неподходящем времени, плохой технологии, поздней имплементации, неудачной политике.

Первый недостаток — это неподходящее время. На разработку модели было потрачено неоправданно большое количество времени, но разработчики не уделили достаточное внимание существующим в то время стандартам. В связи с этим модель обвиняют в том, что она не отражает действительность. В таких утверждениях есть доля истины, ведь уже на момент появления OSI другие компании были больше готовы работать с получившей широкое распространение моделью TCP/IP.

Вторым недостатком называют плохую технологию. Как основной довод в пользу того, что OSI — это плохая технология, приводят распространенность стека TCP/IP. Протоколы OSI часто дублируют другу друга, функции распределены по уровням неравнозначно, а одни и те же задачи могут быть решены на разных уровнях.

Разделение на семь уровней было скорее политическим, чем техническим. При построении сетей в реальности редко используют уровни 5 и 6, а часто можно обойтись только первыми четырьмя. Даже изначальное описание архитектуры в распечатанном виде имеет толщину в один метр.

Кроме того, в отличие от TCP/IP, OSI никогда не ассоциировалась с UNIX. Добиться широкого распространения OSI не получилось потому, что она проектировалась как закрытая модель, продвигаемая Европейскими телекоммуникационными компаниями и правительством США. Стек протоколов TCP/IP изначально был открыт для всех, что позволило ему набрать популярность среди сторонников открытого программного кода.

Даже несмотря на то, что основные проблемы архитектуры OSI были политическими, репутация была запятнана и модель не получила распространения. Тем не менее, в сетевых технологиях, при работе с коммутацией даже сегодня обычно используют модель OSI.

Вывод, роль модели OSI при построении сетей

В статье мы рассмотрели принципы построения сетевой модели OSI. На каждом из семи уровней модели выполняется своя задача. В действительности архитектура OSI сложнее, чем мы описали. Существуют и другие уровни, например, сервисный, который встречается в интеллектуальных или сотовых сетях, или восьмой — так называют самого пользователя.

Как мы упоминали выше, оригинальное описание всех принципов построения сетей в рамках этой модели, если его распечатать, будет иметь толщину в один метр. Но компании активно используют OSI как эталон. Мы перечислили только основную структуру словами, понятными начинающим.

Модель OSI служит инструментом при диагностике сетей. Если в сети что-то не работает, то гораздо проще определить уровень, на котором произошла неполадка, чем пытаться перестроить всю сеть заново.

Зная архитектуру сети, гораздо проще ее строить и диагностировать. Как нельзя построить дом, не зная его архитектуры, так невозможно построить сеть, не зная модели OSI. При проектировании важно учитывать все. Важно учесть взаимодействие каждого уровня с другими, насколько обеспечивается безопасность, шифрование данных внутри сети, какой прирост пользователей выдержит сеть без обрушения, будет ли возможно перенести сеть на другую машину и т.д. Каждый из перечисленных критериев укладывается в функции одного из семи уровней.

OSI расшифровывается как Open System Interconnection - эталонная модель, которая описывает, как информация из программного приложения на одном компьютере перемещается через физический носитель к программному приложению на другом компьютере.
OSI состоит из семи уровней, и каждый уровень выполняет определенную сетевую функцию.
Модель OSI была разработана Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1984 году, и теперь она рассматривается как архитектурная модель для межкомпьютерных коммуникаций.
Модель OSI делит всю задачу на семь небольших и управляемых задач. Каждому слою назначается определенная задача.
Каждый уровень является автономным, поэтому задача, назначенная каждому уровню, может выполняться независимо.