Сети и системы телекоммуникаций.
Лекция 5. Модель OSI.
Модель взаимодействия открытых систем.
Модель OSI - (Open System Interconnection - Взаимодействие открытых систем) эталонная модель организации сетей которая описывает из каких уровней должна состоять сеть и что должен делать тот или иной уровень. Это юридический стандарт, который принят в 1983 г., Международной организацией по стандартизации ISO - International Organization for Standardization.
В терминологии модели открытая система это система которая построена в соответствии с открытыми спецификациями, то есть спецификациями которые доступны всем и соответствуют стандартам.
В этой терминологии OS Windows является открытой системой, так как она построена на основе открытых спецификаций которые описывают работу Интернет, хотя исходные коды этой системы закрыты.
Идеальным примером открытой системы является современный офисный компьютер. Огромное число производителей в разных странах изготавливают множество аппаратных и программных компонентов, которые можно собрать в единую систему, заменить один компонент на другой, нарастить функциональные возможности. Любой компонент можно найти по достаточно низкой цене; отсутствуют производители, которые могли бы диктовать монопольные цены.
Понятие открытости не подразумевает открытость программного кода, как, например, в ОС Linux, хотя открытость кода позволяет добавлять в систему модули других производителей, что является признаком открытости. Однако открытость исходного кода существенно снижает надежность системы вследствие потенциальной возможности появления в ней дополнительных ошибок, внесенных во время модификации и компиляции. Поэтому открытость программного кода является спорным признаком открытости системы.
В отличие от открытых, закрытые системы разрабатываются по внутренним стандартам отдельных предприятий. Части (модули) закрытых систем не могут быть заменены аналогичными изделиями других производителей, а заказчик, однажды применив закрытую систему, навсегда оказывается привязанным к ее разработчику.
Преимуществом открытых систем является то что мы можем строить такие системы из любых компонентов которые являются совместимыми между собой, мы можем использовать оборудование и программное обеспечение разных производителей, если появилась какая то новая технология мы можем без проблем заменить старое оборудование и сеть продолжит работать, а так же мы можем объединять несколько сетей в единую крупную сеть.
Согласно модели OSI компьютерные сети должны состоять из семи уровней и эта модель описывает назначение каждого из уровней. Модель не является сетевой архитектурой так как не включает описание протоколов которые определяются в отдельных стандартах. На практике модель взаимодействия открытых систем не используется, однако ее достоинствами является хорошая теоретическая проработка вопросов сетевого взаимодействия, поэтому модель довольно часто используется для описания того как должны строится сети разных видов.
Модель OSI включает семь уровней которые расположены друг над другом. Обычно нумерация начинается с уровня который ближе всего находится к среде передачи данных:
- Application - Прикладной
- Presentation - Представления
- Session - Сеансовый
- Transport - Транспортный
- Network - Сетевой
- Data Link - Канальный
- Physical - Физический
1. Физический уровень предназначен для передачи битов по физическому каналу связи. Не вникает в смысл передаваемой информации.
Основная задача физического уровня это определить способ представления битов информации в виде сигналов которые будут передаваться по среде передачи данных. Такое представление будет разным для медного провода, опто-волокна или электромагнитного излучения.
2. Канальный уровень который находится над физическим уровнем передает уже не отдельные биты, а целые сообщения. Он должен уметь выделять в потоке бит которые приходят от физического уровня отдельные сообщения. Так же канальный уровень обеспечивает обнаружение и коррекцию ошибок.
В широковещательных сетях где один и тот же канал связи используется для передачи данных разными компьютерами канальный уровень так же дополнительно обеспечивает физическую адресацию, для того что бы мы могли узнать к какому из компьютеров подключенному к среде передачи необходимо отправить эти данные. Вторая функция канального уровня в широковещательной сети это управления доступом к разделяемой среде передачи данных, что бы в один и тот же момент времени данные передавал только один компьютер.
3. Сетевой уровень предназначен для построения крупных составных сетей на основе различных сетевых технологий. На этом уровне обеспечивается согласование различий разных технологий канального уровня, обеспечивается общая адресация с помощью глобальных адресов которые позволяют однозначно определить компьютер в составной сети в не зависимости от того какая технология канального уровня в нем используется и какой тип адресации в этой технологии применяется, также на сетевом уровне выполняется маршрутизация, то есть поиск маршрутов в крупной составной сети через промежуточные узлы.
4. Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между процессами которые находятся на разных компьютерах. Особенностью транспортного уровня является то, что он может обеспечивать надежность более высокую чем то сетевое оборудование которое используется для передачи данных. Наиболее популярный сервис, который сейчас предоставляется транспортным уровнем это защищенный от ошибок канал связи с гарантированным порядком следования сообщений.
В отличии от предыдущих уровней которые работали по принципу звеньев цепи при котором информация передается от одного устройства к другому, транспортный уровень являться сквозным - сообщения передаются напрямую, от процесса отправителя к процессу получателю, поэтому часто транспортный уровень называют независимым, потому что на нем происходит изоляция от сетевого оборудования которое используется для реальной передачи данных.
5. Сеансовый уровень позволяет создавать сеансы связи. Он может использоваться для определения очередности передачи сообщений в задачи управления диалогом, например если у нас есть видеоконференция в которой участвуют несколько человек и если все люди начнут говорить одновременно то они ничего не услышат. Сеансовый уровень определяет очередность, кто и когда будет говорить что бы все другие могли слушать. Так же на сеансовом уровне предполагалось решать задачи одновременного доступа к некоторым критическим операциям, например если два сетевых соединения одновременно попытаются изменить баланс банковского счета то средства на счету могут быть потеряны или наоборот. Последовательное выполнение критических операций так же входит в задачи сеансового уровня и реализуется с помощью управления маркерами.
По логике разработчиков модели открытых систем сеансовый уровень должен предоставлять защиту от разрыва сетевого соединения и обеспечивать возможность продолжения работы после того как это соединение восстановлено, для этого используется функция синхронизации. Однако на практике в реальных сетях сеансовый уровень не используется.
На практике функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
6. Уровень представления, его задача представлять данные в таком виде, который понятен как отправителю, так и получателю, необходимо согласовывать не только формат данных, то есть синтаксис, но и смысл, то есть семантику, например, разные компьютеры могут использовать различную кодировку для представления символов или разные форматы хранения чисел (Big-endian и Little-endian).
Преобразования из разных форматов должны обеспечиваться при передачи по сети. Для объяснения того, зачем нужен уровень представления чаще всего приводят пример с автоматическим переводом, например, я снимаю трубку сетевого телефона и звоню в Америку, я говорю в телефонную трубку по русски, сеть это переводит в промежуточный формат, например на китайский язык, передает данные на китайском языке, человек в Америке снимает трубку, сеть автоматически переводит данные с китайского языка на английский и получатель слышит в трубке английские слова, к сожалению это до сих пор не реализовано. Но на практике широкое распространение получило шифрование и дешифрование которое так же реализуется на уровне представления. Наиболее популярный пример это Secure Sockets Layer SSL или его современный вариант Transport Layer Security TLS эта технология используется совместно со многими протоколами прикладного уровня.
7. Прикладной уровень это именно то ради чего строиться сеть, это набор приложений которые могут использоваться пользователи сети, в качестве примера можно привести:
- Гипертекстовые web-страницы;
- Социальные сети;
- Видео и аудио связь;
- Электронная почта;
- Доступ к разделяемым файлам; и многое другое.
Для уровней модели взаимодействия открытых систем существуют названия единицы передаваемых данных:
| Уровень | Название единицы |
|---|---|
| Прикладной | Сообщение |
| Представление | |
| Сеансовый | |
| Транспортный | Сегмент/Дейтаграмма |
| Сетевой | Пакет |
| Канальный | Кадр |
| Физический | Бит |
Датаграмма — (англ. datagram, дейтаграмма) — блок информации, передаваемый протоколом через сеть связи без предварительного установления соединения и создания виртуального канала. Любой протокол, не устанавливающий предварительное соединение (а также обычно не контролирующий порядок приёмо-передачи и дублирование пакетов), называется датаграммным протоколом. Таковы, например, протоколы Ethernet, IP, UDP и др. Название «датаграмма» было выбрано по аналогии со словом телеграмма. Каждая датаграмма содержит в своём заголовке полный адрес места назначения и поэтому является полностью независимой от других датаграмм и в общем случае датаграммы, даже являясь частями одного и того же сообщения, могут быть доставлены получателю различными маршрутами
На разных уровнях модели взаимодействия открытых систем работает разное оборудование:
| Уровень модели OSI | Оборудование |
|---|---|
| Сетевой | Маршрутизатор |
| Канальный | Коммутатор, точка доступа |
| Физический | Концентратор |
Уровни начиная с транспортного работают только на хостах и на сетевом оборудовании их нет.
Заключение.
И так мы рассмотрели модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI), это одна из эталонных моделей организации компьютерных сетей которая является юридическим стандартом, ее приняла международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO).
Согласно модели OSI компьютерные сети должны состоять из семи уровней, подробное описание которых содержится в модели. Протоколы в эту модель не включены, а приняты в виде отдельных стандартов. Однако ни сами протоколы, ни модель взаимодействия открытых систем на практике не используются, однако с помощью этой модели очень удобно описывать логику работы компьютерный сетей.
На практике для построения сетей используется эталонная модель и стек протоколов TCP/IP.
Учебный курс. Компьютерные сети. Андрей Созыкин.
Порядок от старшего к младшему (англ. big-endian — с большого конца) — Этот порядок подобен привычному порядку записи (например арабскими цифрами) «слева-направо» , например, число сто двадцать три было бы записано при таком порядке как 123. В этом же порядке принято записывать байты в технической и учебной литературе, если другой порядок явно не обозначен.
Порядок от младшего к старшему (англ. little-endian — с малого конца) — Это обратный привычному порядку записи чисел арабскими цифрами, например, число сто двадцать три было бы записано при таком порядке как 321. Иными словами этот порядок подобен правилу записи «справа-налево».