Уровни модели osi

Физический уровень

Физический уровень — самый низкий в модели OSi. На физическом уровне определяются электрические, механические, функциональные и иные параметры реализации физической связи. Физический уровень описывает процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми устройствами. Ею может быть медный кабель (коаксиальный кабель, витая пара и т. д.), оптоволокно, радиоканал. Поэтому к физическому уровню относятся характеристики сред передачи: полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов: фронты импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, типы кодирования, скорости передачи сигналов. Кроме того, стандартизуются типы разъемов, и определяется назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. В компьютере физический уровень поддерживается сетевым адаптером. Единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне, являются повторители.

. Протокол физического уровня в модели ВОС обеспечивает взаимодействие со средой передачи, связывающей системы между собой.

Физический уровень (ФУ) предоставляет канальному уровню (КУ) следующие услуги:

1. физическое соединение между двумя или большим числом компонентов канального уровня для передачи данных;

2. передавать по этому соединению некоторые определенные для физического уровня единицы данных физического уровня, например, биты при последовательной передаче или байты при параллельном способе передачи;

3. идентифицировать цепи (или каналы) передачи данных между компонентами ФУ (определять номер входящего канала);

4. обеспечивать требуемое качество обслуживания.

Функции ФУ реализуются во всех устройствах, подключаемых к сети. В компьютере это – сетевой адаптер, в аппаратуре SDH – это пользовательский интерфейс и порты интерфейсов передачи в агрегатных блоках. Единственные устройства, которые работают только на физическом уровне – это повторители и регенераторы, которые устанавливаются на оптических линиях передачи.

Протоколы физического уровня часто называют спецификациями. Например, технология Ethernet позволяет работать с различными средами и реализует различные спецификации. Об этом подробнее укажем далее.

Устройство преобразования на физическом уровне называется трансивер.

Существует несколько стандартов физического уровня. Например, X.21bis – стандарт на подключение абонентов по коммутируемым цифровым телефонным каналам, для аналоговых каналов используется обычно буква v, например, V.34 bis – стандарт для модема, например, V.96 bis – это модем 56 Кбайт.

Большинство базовых технологий локальных сетей допускают использование различных спецификаций физического уровня в одной сети. Эти спецификации отличаются средой передачи и способами представления сигналов в среде. Например, технология Ethernet, обеспечивающая передачу со скоростью 10 Мбит/с, имеет несколько вариантов реализаций физического уровня: 10BASE-5, 10BASE-2, 10BASE-T, 10BASE-FL и др.. Согласование физических уровней выполняют специальные устройства, имеющие интерфейсы с трансиверами различных типов.

Новые технологии опираются на стандарты, делящие физический уровень на две части: часть, зависящую от физической среды, и часть, не зависящую от физической среды. Связь между этими подуровнями детально описывают стандарты. Такое разбиение позволяет с большей точностью описать процессы физического уровня.

Не существует единой универсальной схемы кодирования сигнала, которая подходила бы для всех физических интерфейсов. Например, для технологий Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, АТМ, SDH разработаны различные варианты физического уровня, которые отличаются не только типом физической среды и электрическими характеристиками, но и способом кодирования сигналов и количеством используемых проводников. В Ethernet используется манчестерское кодирование и дифференциальное манчестерское кодирование. При манчестерском кодировании каждый интервал времени разделяется на две половинки, в течение которого происходит передача одного бита,единица кодируется высоким напряжением в первой половинке, а ноль во второй. Недостатком манчестерсмкого кодирования является необходимость удвоения частоты. В технологии Ethernet 10 Мбит/c действительная передача производится со скоростью 20 Мбит/с.

Канальный уровень (КУ)

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных через физический канал. Канальный уровень оперирует блоками данных, называемыми кадрами (frame). Основным назначением канального уровня является прием кадра из сети и отправка его в сеть.

КУ обеспечивают взаимосвязь между сетевым (СУ) и физическим уровнем, предоставляя СУ более широкий набор услуг, чем даёт физический уровень. КУ получает пакеты от верхнего сетевого уровня, присоединяет к этому пакету адреса получателя и отправителя, формирует набор кадров для передачи.

КУ имеет следующие функции:

1. инициализация – обмен между взаимодействующими станциями служебными сообщениями, подтверждающими готовность к передаче данных, установление логического соединения;

2. идентификация – обмен между двумя взаимодействующими станциями служебной информацией, подтверждающей правильность соединений;

3. синхронизация – выделение в потоке битов-границ знаков (байтов);

4. сегментация – формирование кадров для их передачи по каналу;

5. обеспечение прозрачности – предоставление расположенного выше СУ возможности передачи любой произвольной последовательности битов или байтов;

6. управление потоком – обеспечение согласования скоростей передачи и приёма;

7. контроль ошибок и управление последовательностью передачи – обнаружение ошибок в кадрах и запрос повторной передачи искажённых кадров, обеспечение соответствия последовательности кадров на входе и выходе каналов;

8. выход из ситуации сбоя;

9. управление каналом – обнаружение отказа и восстановление после отказа;

10. завершение работы канала – ликвидация логического соединения, образованного при инициализации канала.

Канальный уровень имеет два подуровня – логического контроля соединения (LLC – Logical Link Control) и контроля доступа к среде (MAC – Medium Access Control). Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров между станциями сети и взаимодействие с сетевым уровнем. МАС-уровень лежит ниже LLC-уров-ня и обеспечивает доступ к каналу передачи данных. Уровень LLC дает более высоким уровням возможность управлять качеством услуг. LLC обеспечивает сервис трех типов:

• Сервис без подтверждения доставки и установления соединения. Он не гарантирует доставку кадров. Этот вид сервиса называют дейтаграммным. Он чаще применяется в приложениях, использующих протоколы более высоких уровней, которые сами обеспечивают защиту от ошибок и поддерживают потоковую передачу данных;

• Сервис с установлением соединения, способный обеспечить надежный обмен кадрами;

• Сервис без установления соединения с подтверждением доставки.

Главной функцией МАС-уровня является обеспечение доступа к каналу. На этом уровне формируется физический адрес устройства, подсоединенного к каналу. Этот физический адрес также называется МАС-адресом. Каждое устройство сети идентифицируется этим уникальным адресом, который присваивается всем сетевым интерфейсам устройства. МАС-адрес позволяет выполнять точеч ную адресацию кадров, групповую и широковещательную. При передаче данных в сети отправитель указывает МАС-адрес получателя в передаваемом кадре.

Нижний подуровень MAC проверяет адрес, контрольную сумму и наличие ошибок в пакете. Например, для широко распространенные протоколы SLIP и PPP охватывают физический и, частично, канальный уровень, только SLIP – без контроля ошибок. PPP (Point-to-Point Protocol) является усовершенствованием SLIP. PPP предусматривает адресацию физических устройств на уровне МАС и контроль ошибок LLC-уровня.

Функции протоколов КУ могут быть реализованы как с помощью отдельных сетевых технологий, так и в виде отдельных уровней в ряде базовых технологий. Например, в технологии ATM уровень КУ существует, а технология IP начинает работать с сетевого уровня.

Для доступа к среде в локальных сетях используются два метода:

• метод случайного доступа;

• метод маркерного доступа.

Метод случайного доступа основан на том, что любая станция сети пытается получить доступ к каналу передачи в необходимый для нее момент времени. Если канал занят, станция повторяет попытки доступа до его освобождения. Примером реализации этого метода является технология Ethernet.

Метод маркерного доступа применяется в сетях Token Ring, ArcNet, FDDI. Он основан на передаче от одной станции сети к другой маркера доступа. При получении маркера станция имеет право передать свою информацию.

Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются Token Ring, Ethernet, Fast Ethernet, AnyLAN, FDDI.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными отдельной линией связи. К таким протоколам типа «точка-точка» относятся РРР, SLIP, LAP-B и LAP-D. Эти протоколы не используют подуровень доступа к среде, но требуют процедур управления потоком кадров, так как промежуточные коммутаторы могут переполняться при слишком высокой интенсивности трафика.

Сетевой уровень

Сетевой уровень занимает в модели OSI промежуточное положение: его услугами пользуются более высокие уровни, а для выполнения своих функций он использует канальный уровень. Сетевой уровень служит для работы в произвольных сетевых топологиях с сохранением простоты передачи пакета базовых топологий. Раньше взаимодействие неоднородных (по топологии) сетей обеспечивали с помощью прикладных программ. Например, некоторые системы электронной почты включали программы-отправители писем, которые передавали их по одному. Путь от отправителя до получателя пролегал через различные сети, но это не имело значения, если только системы электронной почты на всех машинах понимали друг друга. Использование прикладных программ для скрытия деталей реализации имело свои недостатки. Совершенствование таких систем приводило к необходимости обновления программ на всех машинах. Добавление нового сетевого оборудования также приводило к неизбежности модификации программ. Альтернативой программному взаимодействию являются системы, основанные на соединении сетевого уровня.

Канальный уровень не позволяет производить адресацию в сложных сетях. Поэтому при объединении сетей в кадры канального уровня добавляется заголовок сетевого уровня. Этот заголовок позволяет находить адресата в сети с любой топологией.

Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня сетей, входящих ъ объединенную сеть. Основное место в заголовке сетевого уровня отводится адресу получателя. При этом используется не МАС-адрес, а составной адрес — номер сети и номер абонента в данной сети. Такая адресация позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную схему связи и выбирать оптимальные маршруты" при любой топологии. Помимо адреса, заголовок сетевого уровня может содержать дополнительную информацию, например, время жизни пакета в сети, информацию о связях между сетями, данные для фрагментации и сборки пакетов, информацию о загруженности сети, требования к качеству обслуживания и т. д.

Логическое соединение на сетевом уровне обеспечивает механизм доставки пакетов от отправителя к получателю в масштабе времени, определяемом используемым сетевым протоколом. При этом различные сетевые протоколы могут вносить различные технологические задержки в передачу данных.

Ключевым понятием сетевого уровня является понятие абстрактной коммутационной системы или межсетевого обмена. Коммутация при передаче маленьких блоков, а не файлов или больших сообщений, имеет ряд преимуществ. Во-первых, она напрямую отображается в базовое сетевое оборудование, что делает ее очень эффективной. Во-вторых, она разделяет процессы передачи данных от прикладных программ, позволяя компьютерам обрабатывать сетевой трафик, не зная, какие приложения передают его. В-третьих, она делает систему гибкой, поддерживая сетевые протоколы общего назначения. В-четвертых, она позволяет администраторам сетей вводить новые сетевые технологии, модифицируя только программное обеспечение сетевого уровня, не внося при этом никаких изменений в прикладные программы. Логика объединенной сети отделяет сетевое взаимодействие от деталей сетевых технологий и скрывает низкоуровневые подробности от пользователя. Она определяет проектирование программ и физическую адресацию и маршрутизацию.

Существуют два метода назначения сетевого адреса:

• В первом методе сетевой и канальный адреса не совпадают, что обеспечивает гибкость за счет независимости от формата адреса канального уровня. Недостатком метода является необходимость повторной нумерации станций в сети, причем чаще всего это приходится делать вручную. Данный метод нашел применение в сетях, построенных на базе протокола IP;

• Во втором методе на сетевом уровне используется адрес канального уровня. Это избавляет администратора от присваивания адресов вручную и установления соответствия между сетевыми и канальными адресами одного и того же абонента в сети. Однако этот метод приводит к сложностям интерпретации адреса узла в сетях с разными форматами адресов. Метод нашел применение в сетях, построенных на базе протокола IPX.

Сетевой уровень позволяет соединяться двум системам, подключенным к разным сетям. Он же отвечает за выбор маршрута соединения. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи данных. Сетевой уровень предоставляет средства:

• доставки пакетов в сетях с произвольной топологией;

• структуризации сети методом локализации широковещательного трафика;

• согласования канальных уровней.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор — это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество переходов между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

Выбор маршрута называется маршрутизацией — она и является главной задачей сетевого уровня. Задача осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием выбора является время передачи данных по маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться со временем. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются учесть изменение нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, по надежности передачи.

На сетевом уровне действуют два вида протоколов. Первый относится к определению правил передачи пакетов от конечных узлов к маршрутизаторам и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другие протоколы, называемые протоколами обмена информацией о маршрутах. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.

Протоколы сетевого уровня реализуются драйверами операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP.

В технологии ATM сетевому уровню модели OSI соответствует уровень адаптации ATM. Основной функцией этого является «нарезка» блоков пользовательских данных, поступающих с более высоких уровней, на 48-байтные информационные поля ячеек ATM (на передающей стороне) и выделение информации из поступающих ячеек (на принимающей стороне).

Рассмотренные физический, канальный и сетевой уровни модели OSI являются обязательными практически для всех технологий. Именно на этих уровнях формируются информационные потоки, происходит коммутация и маршрутизация по сетям и осуществляется доставка данных получателю.

Транспортный уровень

Транспортный уровень предназначен для оптимизации передачи данных от отправителя к получателю, управления потоком данных и реализации запрошенного сеансовым уровнем качества обслуживания. На этом уровне определяется требуемый размер пакета на основании объема отправляемых данных и максимального размера пакета для данной сетевой архитектуры. Если данные посылаются пакетом, размер которого превосходит тот, что способна поддержать сеть, транспортный уровень отвечает за разделение этого пакета на фрагменты подходящего размера и их доставку в определенном порядке. Транспортный уровень гарантирует, что данные получены в правильном порядке, он же проверяет дубликаты и пересылает потерянные пакеты. Если данные доставлены не в порядке отправления, то транспортный уровень переставляет их и предоставляет сеансовому уровню для дальнейшей обработки.

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют программы, ориентированные на надежное соединение. Транспортный уровень обеспечивает передачу данных с той степенью надежности, которая требуется приложениям. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти классы сервиса отличаются предоставляемыми услугами: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, мультиплексированием нескольких соединений, созданных для различных прикладных протоколов через общий транспортный протокол, а главное — обнаружением и исправлением ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется умением приложения проверять данные и надежностью всей системы транспортировки в сети. Так, например, если качество каналов связи очень высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруживаемых протоколами более низких уровней, невелика, разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не усложненного многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня с максимальными средствами обнаружения и устранения ошибок — с предварительным установлением логического соединения, контрольными суммами и циклической нумерацией пакетов, установлением тайм-аутов доставки и т. п.

Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX Novell.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень управляет диалогом между двумя устройствами. На этом уровне устанавливаются правила начала и завершения взаимодействия и поддерживаются функции восстановления после обнаружения ошибок и информирования о них верхних уровней.

На сеансовом уровне определяется, какая из сторон является активной в данный момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют организовывать контрольные точки в длинных передачах, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, не начиная всю передачу данных с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень.

Уровень представления

Уровень представления выполняет преобразование данных между устройствами с различными форматами данных (например из ANCII в EBCDIC). Кроме того, он может выполнять шифрование и дешифровку данных. В режиме передачи уровень представления передает информацию от прикладного уровня сеансовому уровню после того, как он сам выполнит подходящую модификацию или конвертирование данных. В режиме приема этот уровень передает информацию наверх от сеансового уровня к прикладному. Уровень представления гарантирует, что информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, будет понятна прикладному уровню другой системы. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает защищенный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень служит пользовательским интерфейсом с сетью. Этот уровень непосредственно взаимодействует с пользовательскими прикладными программами, предоставляя им доступ в сеть. Все другие уровни служат, в конечном счете, для поддержки данного уровня. На прикладном уровне обычно находятся сетевые приложения: электронная почта, передача файлов по сети, совместная подготовка документов и т. д. На этом уровне выполняется синхронизация приложений на разных системах, устанавливаются соглашения по устранению ошибок и происходит управление целостностью информации, На этом уровне также определяется наличие ресурсов.

Прикладной уровень — это, в действительности, просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры, гипертекстовые Web-страницы, электронная почта. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Существует огромное количество служб прикладного уровня. В качестве примеров протоколов прикладного уровня можно привести: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек протоколов TCP/IP.