Уровни сетевой архитектуры (OSI)

ВВЕДЕНИЕ
Современные сети построены на основе многоуровневого принципа. Для того, чтобы отладить связь между двумя компьютерами, необходимо создать своеобразный свод правил их взаимодействия, определить язык общения, который позволит понять, что означают те или иные пересылаемые сигналы. Эти правила и определения получили название протоколов. Многоуровневая структура призвана упростить и упорядочить большое число существующих протоколов и отношений, а также формировать целые сетевые системы из продуктов-модулей программного обеспечения различных производителей. Стандарт, получивший название «взаимодействие открытых систем» или OSI - описывает структуру открытых систем, выдвигаемые к ним требования и их взаимодействие. Таким образом, модель взаимодействия сетевых систем, рассматриваемая в данном стандарте, носит название «Эталонной модели OSI» и была создана для осуществления стандартизации протоколов и технологий. Таким образом, независимость технологий каждого уровня предоставляет возможность разработчикам новых приложений и технологий абстрагироваться от реализации протоколов, затрагивающих внедряемый или разрабатываемый объект, что позволяет снизить материальные и временные затраты.
Целью работы является изучение уровней эталонной модели OSI. Для достижения поставленной цели в рамках работы был сформирован ряд задач, таких как:
- рассмотреть понятие открытой системы;
- охарактеризовать взаимодействие уровней модели OSI;
- описать основные функции уровней эталонной модели.
В ходе работы были использованы зарубежная и отечественная литература, научные статьи, Интернет-ресурсы.
1 МОДЕЛЬ OSI КАК ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА
В модели OSI средства сетевого взаимодействия подразделяются на семь уровней, подчиненных определенным стандартам, имеющих свои названия и функции. Данная модель подразумевает под собой своеобразный каркас и общие рекомендации для осуществления сетевых коммуникаций. Эталонную модель можно отнести к так называемым открытым системам, которые могут изменяться и наращиваться в зависимости от изменения потребностей пользователя, не имея привязки к конкретному программному или аппаратному обеспечению.
В широком смысле термин открытая система может быть применен к любой системе – компьютер, вычислительная сеть, операционная система- которая предоставляет или потребляет сетевые ресурсы, и построена на основе открытых спецификаций. Понятие спецификации объединяет в себе описание аппаратных или программных компонентов, таких как способы функционирования, взаимодействия, условия эксплуатации, а также характеристики и ограничения. Говоря об открытых спецификациях, следует отметить, что это опубликованные и общедоступные спецификации, которые соответствуют стандартам, принятые на основе проведенных обсуждений и полученного согласия со стороны всех заинтересованных лиц [1].
В случае модели OSI под открытой системой подразумевается сетевое устройство, которое готово к взаимодействию с иными устройствами на основе стандартных правил, регламентирующих формат, содержание и значение отправляемых и принимаемых сообщений.
Принцип открытости при построении сетей позволяет достичь следующих преимуществ:
- возможность построения сети с использованием программных и аппаратных средств различных производителей, которые придерживаются единого стандарта;
- возможность замены отдельных компонентов сети более современными, позволяющая снизить уровень затрат при развитии сети;
- простота в объединении нескольких сетей;
- удобство в освоении и обслуживании сети.
В модели OSI каждый из уровней имеет дело в одной определенной стороной взаимодействия сетевых устройств. Передача данных между компьютерами начинается с седьмого уровня, постепенно передаваясь с уровня на уровень. При приеме, напротив, процесс передачи данных осуществляется вверх с первого уровня. При сетевом взаимодействии вышестоящие уровни выполняют сложные и глобальные задачи, а нижестоящие – конкретные несложные операции. Каждый из уровней может взаимодействовать только с теми уровнями, которые находятся выше и ниже через точки входа с помощью интерфейса. Уровни модели работают с абонентом таким образом, будто осуществляют прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента, тем самым обеспечивая виртуальную связь одноименных уровней абонентов сети, регламентируемую рядом протоколов [3].

Рисунок 1 - Модель взаимодействия открытых систем
2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ УРОВНЯМИ OSI
В основе модели OSI лежит концепция многоуровневой организации протоколов. Одно из особенностей модели взаимодействия открытых систем является разработка и применение единого подхода к организации протоколов, а также интерфейсов различных уровней. Согласно концепции, каждому уровню соответствует набор определенных функций, направленных на решение конкретной задачи по организации процесса взаимодействия открытых систем. Нумерация уровней осуществляется на основе физических средств соединения, поэтому первый уровень присвоен физическому уровню, а наивысший – прикладному, то есть, пользовательскому уровню. Каждый последующий уровень с меньшим номером играет роль вспомогательного для смежного с ним более высокого уровня, предоставляя ему определенный набор услуг или сервис. Эталонная модель не определяет средства реализации протоколов, а только осуществляет их спецификацию, исходя из этого, каждый из уровней может быть реализован различными программными и аппаратными средствами. Определенным условием осуществления взаимодействия является его четкость и определенность, что означает использование точек доступа стандартного межуровневого интерфейса. Точки доступа играют роль своеобразных портов, в которых объект N-го уровня предоставляет услуги N+1 уровню. Это условие позволяет осуществлять изменение протоколов отдельных уровней, не изменяя всей системы в целом. Набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия в сети получил название стека коммуникационных протоколов. В случае программной реализации межуровневого интерфейса портами выступают адреса, по которым осуществляется занесение межуровневых сообщений. Структурная единица информации, которая передается между уровнями, называется протокольным блоком данных. Каждый уровень при передаче блока нижестоящему уровню добавляет к нему свои заголовки. При получении блока информации от нижестоящего уровня данные заголовки, а также иная служебная информация отбрасывается и происходит обработка полученных данных [4]. Допустим, что приложение обращается с запросом к прикладному уровню, в качестве которого выступает файловая система. На основании полученного запроса программное обеспечение данного уровня формирует сообщение, которое состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит в себе служебную информацию, в данном случае – местоположение необходимого файла и необходимые операции с ним. Эти данные необходимо передать через сеть прикладному уровню компьютера-адресата, которому необходима информация о том, что нужно сделать. Поле данных сообщения может содержать какие-либо данные либо быть пустым. Прикладной уровень направляет протокольный блок данных нижестоящему представительному уровню, на котором с помощью программных средств осуществляется чтение заголовка полученной информации, выполнение указанных действий а также добавление собственного заголовка уровня, в котором уже содержатся данные для представительского уровня компьютера адресата. Данная операция повторяется для всех уровней модели, наконец сообщение достигает самого нижнего – физического уровня, который и передает сообщение по линиям связи адресату. Поступив, сообщение последовательно перемещается с уровня на уровень вверх, каждый из уровней анализирует и обрабатывает предназначаемый заголовок, выполняет функции и передает сообщение вышестоящему уровню уже с удаленным заголовком [3].
При описании процесса осуществления взаимодействия уровней модели был использован термин сообщение, который в стандартах ISO имеет общее название протокольный блок данных. Обозначение определенных блоков данных осуществляется с использованием специализированных названий, таких как кадр, пакет, дейтаграмма или сегмент и другие, чаще всего они используются для описания функционирования определенного уровня модели OSI.
3 ФУНКЦИИ УРОВНЕЙ МОДЕЛИ OSI
3.1 Физический уровень
На физическом уровне осуществляется передача данных в буквальном значении этого слова – по проводам. На данном уровне модели OSI происходит определение таких характеристик сетевых компонентов как тип среды передачи данных, топология сети, способ передачи данных, разделение каналов связи, также данный уровень предполагает наличие некоторых знаний в области передачи данных.
Физический уровень передает информацию по таким физическим каналам связи как витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель и другие. На данном уровне происходит определение таких характеристик физических сред передачи данных как полоса пропускания, крутизна фронтов импульсов, уровень напряжения передаваемого сигнала, тип и скорость кодирования.
На физическом уровне происходит подключение такого сетевого оборудования как концентраторы и повторители, с помощью которых осуществляется процесс регенерации электрических сигналов; соединительные разъемы, которые обеспечивают механический интерфейс, необходимый для связи устройств со средой передачи; модемы и различные преобразующие устройства, которые выполняют цифровые, а также аналоговые преобразования. Таким образом, физический уровень модели определяет физические топологии в сети, которые строятся на основе применения базового набора стандартных топологий. В свою очередь, со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером, а также последовательным портом.
3.2 Канальный уровень
На канальном уровне модели происходит реализация следующих функций – проверка доступности среды передачи, а также реализация механизмов поиска и коррекции ошибок. Данные проблемы возникают в силу того, что на физическом уровне осуществляется передача только битов, и не учитывается, кто, кому, когда передает информацию, а также доступен ли канал связи и т.д.
Для работы на канальном уровне биты формируют наборы, называемые кадрами. Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, реализуя метод подсчета контрольной суммы. Определенная последовательность бит помещается в начало и конец кадра для его выделения, далее вычисляется контрольная сумма, обработка всех байтов происходит определенным способом, по результату к кадру добавляется контрольная сумма. Кадр, достигнув получателя по сети, подвергается обработке – адресат вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. В случае совпадения – он принимает кадр, в обратном случае – фиксируется ошибка передачи.
Если на физическом уровне осуществляется определение физической структуры сети, то на канальном уровне – логической топологии данной сети. Данный уровень модели определяет правила получения доступа к среде передачи данных, организует адресацию физических устройств в рамках логической сети, а также синхронизирует передачу и сервис соединений между сетевыми устройствами [2].
Таким образом, к основным функциям канального уровня следует отнести:
- формирование правил организации битов физического уровня в логические группы информации – кадры;
- формирование правил поиска и исправления ошибок при передаче;
- формирование правил управления потоками данных;
- формирование правил идентификации компьютеров в сети по их физическим адресам.
С данным уровнем связаны такие сетевые соединительные устройства как мосты, интеллектуальные концентраторы, сетевые интерфейсные платы, а также коммутаторы.
Информация, добавленная в начало пакета данных, может включать в себя адрес источника и адрес назначения, данные о длине фрейма, об активных протоколах верхнего уровня.
Следует отметить, что канальный уровень локальной сети может обеспечить доставку кадров между двумя узлами сети только в том случае, когда она имеет ту же топологию связей, что и та, для которой он разработан. Среди типовых топологий, поддерживаемых канальным уровнем локальной сети можно выделить общую шину, кольцо, звезду, а также структуры, получаемые из них с использованием мостов и коммутаторов. В глобальных же сетях, которые редко характеризуются стабильной топологией, канальный уровень может обеспечить обмен данными только между компьютерами, которые соединены индивидуальной линией связи.
На канальном уровне в локальных сетях используются адреса, получившие название MAC-адресов.
Канальный уровень можно разделить на два подуровня:
- верхний (LLC), на котором происходит управление логической связью, т.е. данный подуровень устанавливает виртуальный канал связи при помощи драйвера сетевого адаптера.
- нижний (MAC), на котором осуществляется непосредственный доступ к среде с помощью аппаратуры сети [].
Таким образом, канальный уровень локальной сети – мощный, законченный набор функций, направленный на пересылку сообщений между узлами сети. Несмотря на это, для обеспечения качественной транспортировки сообщений по сетям различных топологий и технологий, зачастую, функций канального уровня бывает недостаточно, поэтому решением данной задачи занимаются следующие уровни – сетевой и транспортный.
3.3 Сетевой уровень
Сетевой уровень модели OSI призван формировать единую транспортную систему, объединяющую несколько сетей, которые могут имеет разнообразные принципы передачи информации и произвольную структуру.
При рассмотрении канального уровня было сказано, что он обеспечивает доставку данных между узлами сети с соответствующей типовой топологией. Данное ограничение не позволяет строить сети с развитой структурой, как, например, высоконадежные сети, характеризующиеся избыточностью связей между узлами, или сети, объединяющие несколько сетей крупной компании в единую сеть. Для решения данной проблемы существует два варианта – усложнение средств канального уровня для поддержки избыточности связей или разделение обязанностей между уровнями. Именно это решение реализует в себе модель OSI, вводя новый уровень – сетевой.
На данном уровне понятие сети наделяется специфическим значением. Под сетью подразумевается совокупность компьютеров, которые соединены между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и используют для передачи данных средства канального уровня, строго определенные именно для данной топологии. Внутри каждой сети доставка данных осуществляется соответствующим канальным уровнем, а доставка данных между сетями обеспечивается уже сетевым уровнем. Соединение сетей между собой происходит с помощью специального устройства – маршрутизатора – собирающего информацию о топологии межсетевых соединений и пересылающего пакеты уровня в сеть назначения на ее основании [6].
Для передачи сообщения отправителя из одной сети получателю в другой сети, необходимо совершить некоторое число транзитных передач между сетями, осуществляя выбор подходящих маршрутов, которые представляют собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. В данном случае, выбор наилучшего пути носит имя маршрутизации, именно ее осуществление является одной из главных задач сетевого уровня модели OSI.
Как уже было сказано, единицей информации сетевого уровня является пакет. При организации их доставки используется понятие номера сети. В таком случае, адрес получателя сообщения состоит из старшей части – номера сети, а а также младшей части – номера узла в этой сети. Все узлы одной сети имеют одинаковую старшую часть адреса, исходя из этого, получается еще одно определение термина сеть, но уже более формальное – совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит одинаковый номер сети. Сетевой уровень для адресации компьютеров применяет составные числовые адреса, в данном случае – IP-адреса. Поскольку канальный уровень для доставки кадров применяет физические адреса устройств, на сетевом уровне происходит перевод числовых адресов в физические сетевые и обратно.
Исходя из всего вышесказанного, главными задачами сетевого уровня модели OSI является адресация и управление сеть. На данном уровне осуществляется маршрутизация пакетов, в основе которой лежит процесс преобразования аппаратных адресов в сетевые адреса. При этом, сетевой уровень не обеспечивает надежности передачи данных, а лишь передает пакеты на следующий – транспортный уровень.
3.4 Транспортный уровень
На транспортном уровне обеспечивается доставка пакетов в необходимой последовательности без ошибок и потерь. Это происходит посредством разбиения передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, которые восстанавливаются при приеме. Так как на пути от отправителя к получателю пакеты информации, сформированные на сетевом уровне, могут быть утеряны или искажены, необходимо обеспечить должную надежность передачи данных, что обуславливает формирование данного уровня модели OSI.
Именно транспортный уровень модели обеспечивает необходимый уровень надежности передачи пакетов сообщений верхним уровням – прикладному и сеансовому. Модель OSI определяет пять классов сервиса, которые предоставляет транспортный уровень. Все они отличаются качеством услуг – срочностью, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений, возможностью восстановления прерванной связи, но самое важное – возможностью поиска и исправления ошибок передачи, к которым относятся искажение, дублирование, а также потеря пакетов. При выборе средств транспортного уровня учитывается степень надежности, которую обеспечивает приложение, а также степень надежности осуществления передачи данных в сети на нижние уровни – сетевой, канальный, физический. В случае, если качество линии передачи связи высокое, вероятность появления ошибок, которые не были обнаружены протоколами низких уровней, является низкой, а, значит, нет необходимости в использовании сложных сервисов и возможно применении простых, в которых отсутствуют сложные и многочисленные проверки. В случае, когда, напротив, транспортные средства нижних уровней имеют низкий уровень надежности, целесообразно прибегнуть к применению наиболее сложного сервиса транспортного уровня, который в своем арсенале имеет широкий спектр средств поиска и устранения ошибок.
3.5 Сеансовый уровень
На сеансовом уровне модели происходит процесс управления проведением сеанса связи, а именно, устанавливается соединение, поддерживается, а затем, прекращается связь. Сеансовый уровень реализуется посредством работы с диалогами сети или сессиями, обеспечивая управление – фиксируя активность каждой из сторон, предоставляя средства синхронизации, которые позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи для возврата к одной из таких точек в случае отказа. Таким образом, сеансовый уровень ответственен за организацию и поддержку соединений между сессиями, администрирование и безопасность сети.
3.6 Представительный уровень
Представительный уровень модели отвечает за обеспечение возможности диалога между приложениями на разных компьютерах, выступая своеобразным переводчиком, так как имеет дело с внешним представлением данных и позволяет преобразовывать данные прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня [5]. Представительный уровень работает с формой представления передаваемой по сети информации, но не меняет ее содержания, поэтому передаваемая прикладным уровнем одной системы, информация всегда понятна и прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня осуществляется преодоление синтаксических различий в представлении данных или различия в кодах символов протоколами прикладных уровней. Также, на данном уровне возможно выполнение шифрования или дешифрования данных, которое обеспечивает секретность обмена данными сразу для всех прикладных служб.
3.7 Прикладной уровень
Наконец, прикладной уровень – самый верхний уровень модели OSI. Он представляет собой набор программных средств, с помощью которых пользователи сети могут получить доступ к разделяемым ресурсам, например, файлам, Web-страницам, а также организовать свою совместную работу, используя, например, протокол электронной почты. На данном уровне в качестве единицы данных выступает сообщение. На сегодняшний день существует большое количество служб прикладного уровня, к ним относятся NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Windows NT, FTP. Таким образом, прикладной уровень реализует доступ приложений в сеть, его основными задачами является управление сетью, а также обеспечение операций копирования и обмена почтовыми сообщениями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Большинство современных персональных компьютеров являются частью какой-либо локальной сети. Даже если у вас дома всего один ПК, он все равно включен в состав сети провайдера, который предоставляет вам доступ в интернет.
Обычно локальные сети создаются для обеспечения сравнительно быстрого обмена данными между компьютерами, входящими в их состав. Одновременно с этим, принадлежность определенного ПК к какой-либо сети облегчает процесс его настройки и администрирования сети в целом.
До активного развития интернета создавались преимущественно рабочие локальные сети. Их существование позволяло обеспечить удобную работу над определенными задачами сразу с нескольких компьютеров. Несмотря на тот факт, что современные компьютеры обладают сравнительно большой производительностью, ее далеко не всегда достаточно для выполнения сложнейших задач. Создание и правильная настройка локальной сети позволяет сразу нескольким компьютерам работать над решением определенной задачи. Это существенно снижает время, затраченное на ее выполнение. Локальные сети приобрели огромную популярность в различных компаниях и офисах. Во-первых, появилась возможность работать с общими базами данных. Туристическим фирмам, к примеру, не нужно постоянно связываться с авиакомпаниями для уточнения наличия свободных мест. Огромное количество пользователей одновременно могут бронировать билеты, тем самым работая с определенными файлами в сетевом режиме. Преимущества некоторых сетей заключаются в экономии времени и средств. Каждый пользователь может получить к нему доступ. Это исключает необходимость приобретения большого количества печатных устройств.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что локальные сети призваны сэкономить денежные средства и время, одновременно с эти делая совместную работу нескольких человек удобной и высокопроизводительной.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Пятибратов, А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. М.: Издательский центр «ЕАОИ», 2019. 292 с.
2 Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. СПб.: Питер, 2016. 703 с.
3 Косарев В.П. Компьютерные системы и сети. М.: Финансы и статистика, 2019. 184 с.
4 Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания. Спб.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 2015. 450 с.
5 Кулаков Ю.А. Компьютерные сети: Выбор, установка, использование и администрирование. Киев: «ЮНИОР», 2016. 342 с.
6 Олифер В.Г., Олфер Н.А. Компьютерные сети. СПб.: Питер, 2015. 220 с.