OSI

Материал из OSZone.net wiki.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection - OSI)

Рис.1. Эталонная модель OSI взаимодействия открытых систем состоит из семи независимых уровней

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (модель OSI) предназначена для описания процесса пересылки информации через сетевую среду от одного программного приложения другому программному приложению, работающему на другом компьютере. Эталонная модель OSI является семиуровневой концептуальной моделью. Каждый уровень выполняет определенные сетевые функции. Эта модель была разработана Международной организацией по стандартизации (стандарт ISO) в 1984 году и сейчас считается основной архитектурной моделью взаимодействия компьютеров. Модель OSI разделяет задачи обмена информацией между связанными в сеть компьютерами на семь более управляемых групп задач меньшего размера. Затем задача или группа задач приводится в соответствие со всеми семью уровнями модели OSI. Каждый уровень является настолько самодостаточным, что задачи любого уровня могут выполняться независимо. Это позволяет вносить изменения в работу одного уровня, не влияя на работу других уровней. Ниже перечислены все семь уровней модели OSI"

• прикладной уровень (Application Layer);
• уровень представления (Presentation Layer);
• сеансовый уровень (Session Layer);
• транспортный уровень (Transport Layer);
• сетевой уровень (Network Layer);
• канальный уровень (Channel Layer or Data Link Layer);
• физический уровень (Physical Layer).

На рис. 1 изображены семь уровней эталонной модели OSI.

Используя эталонную модель OSI, ее функциональность, терминологию, нужно понимать что модель OSI - суть идеализация (впрочем как и всякая модель), за сим эталонная модель OSI далека от идеала (часто и от действительности), однако ничего более подробного и универсального с тех пор не придумали, хотя ей (модели) пошел третий десяток.

Характеристики уровней модели OSI

Рис. 2. Модель OSI условно разделяют на два множества уровней.

Семь уровней эталонной модели OSI можно разделить на две категории: верхние и нижние уровни. Высшие уровни модели OSI имеют дело с прикладными задачами и применяются только в программном обеспечении. Высший, прикладной, уровень является ближайшим к конечному пользователю. Пользователь и процессы прикладного уровня взаимодействуют с программным обеспечением, содержащим компонент связи. Термин высший уровень иногда используется по отношению к любому уровню, расположенному над другим уровнем модели OSI. В общем случае термин высший уровень часто используется по отношению к уровням 5-7, хотя это очень относительно.

Низшие уровни модели OSI используются для транспорта данных. Физический и канальный уровни реализованы в оборудовании и программном обеспечении. Другие низшие уровни зачастую применяются только в программном обеспечении. Самый низший уровень, физический, является и самым близким к физической сетевой среде (сетевое кабельное оборудование, например) и отвечает за реальное размещение информации в среде. В общем случае термин низший уровень часто используется по отношению к уровням 1 и 2, хотя это очень относительно.

Рис. 2 иллюстрирует разделение между высшими и низшими уровнями модели OSI.

Протоколы

Модель OSI очерчивает концептуальные рамки связи между компьютерами, но модель сама по себе не является методом связи. Реальная связь обеспечивается протоколами маршрутизации. В контексте передачи данных по сети протокол является формальным набором правил и соглашений, управляющих процессом обмена информацией между компьютерами в сетевой среде. В протоколе реализованы функции одного или более уровней модели OSI. Существует широкое разнообразие коммуникационных протоколов, но все они, как правило, попадают в одну из следующих групп: протоколы локальных сетей, протоколы распределенных сетей, сетевые протоколы и протоколы маршрутизации. Протоколы локальных сетей функционируют на физическом и канальном уровнях модели OSI и определяют связь по различным распределенным сетевым средам. Протоколы глобальных сетей функционируют на трех низших уровнях модели OSI и определяют связь по различным распределенным средам. Протоколы маршрутизации — это протоколы сетевого уровня, отвечающие за определение пути и коммутацию трафика. Наконец, сетевые протоколы представляют собой различные высокоуровневые протоколы, существующие в данном наборе протоколов.

Модель OSI и связь между системами

Рис. 3. Взаимодействие уровней модели OSI.

Информация, передаваемая из программного обеспечения одной компьютерной системы программному обеспечению другой компьютерной системы, должна проходить через все уровни модели OSI. Например, если прикладному программному обеспечению в системе А необходимо передать информацию прикладному программному обеспечению в системе В, прикладная программа системы А передаст его информацию на прикладной уровень (уровень 7) системы А. Затем прикладной уровень передает информацию на уровень представления (уровень 6), который коммутирует данные на сеансовый уровень (уровень 5), и т.д. вниз до физического уровня (уровень 1). На физическом уровне информация помещается в физическую сетевую среду и посылается через нее в систему В. Физический уровень системы В выбирает информацию из физической среды и передает ее вверх на канальный уровень (уровень 2), который передает ее на сетевой уровень (уровень 3), и т.д. вверх, до тех пор, пока информация не достигнет прикладного уровня (уровень 7) системы В. Наконец, в завершение процесса обмена информацией прикладной уровень системы В передает информацию приемнику — прикладной программе.

Взаимодействие уровней модели OSI

В общем случае, каждый уровень модели OSI обменивается данными с тремя другими уровнями модели OSI: уровнем, находящимся непосредственно над этим уровнем, уровнем, находящимся непосредственно под этим уровнем, и одноранговым уровнем в других связанных сетью компьютерных системах. Канальный уровень в системе А, например, обменивается данными с сетевым уровнем системы А физическим уровнем системы А, и канальным уровнем системы В (рис. З).

Службы уровня модели OSI

Рис. 4. Взаимодействие пользователей и провайдеров служб и точки доступа к службе на сетевом и канальном уровнях.

Уровень модели OSI обменивается данными с другим уровнем для того, чтобы использовать службы второго уровня. Службы соседних уровней помогают данному уровню модели OSI организовать связь с одноранговым ему уровнем в других компьютерных системах. В службах уровней задействовано три основных элемента: пользователь службы, провайдер службы и точка доступа к службе (SAP). В таком контексте пользователь службы является уровнем модели OSI, который запрашивает службы соседнего уровня. Провайдером службы является уровень модели OSI, который предоставляет службы пользователям. Уровни OSI могут обеспечивать службы множеству пользователей служб. SAP является концептуальной точкой, в которой один уровень модели OSI запрашивает службы у другого уровня модели OSI. На рис. 4 показано взаимодействие этих трех элементов на сетевом и канальном уровнях.

Уровни модели OSI и обмен информацией

Семь уровней модели OSI для организации связи с одноранговыми с ними уровнями в других компьютерных системах используют различные формы управления информацией. Эта управляющая информация состоит из специфических запросов и команд, с помощью которых производится обмен между одноранговыми уровнями модели OSI. Управляющая информация обычно принимает одну из двух форм: заголовок и окончание. Заголовки отведены для данных, переданных вниз с высших уровней. Окончания добавляются к данным, которые были переданы вниз из высших уровней. Заголовки, окончания и данные являются относительными концепциями, зависящими от уровня, анализирующего информационную единицу. В сетевом уровне информационная единица, например, состоит заголовка уровня 3 и данных. Однако на канальном уровне вся информация, переданная сетевым уровнем (заголовок и данные уровня 3), уже рассматривается как данные. Другими словами, часть данных информационной единицы на заданном уровне модели OSI может содержать заголовки, окончания и данные, полученные со всех высших уровней. Эта концепция известна как инкапсуляция. На рис. 5 показано, как заголовок и данные одного уровня инкапсулируются в заголовок следующего низшего уровня.

Рис. 5. Заголовки и данные могут инкапсулироваться во время обмена информацией.

Процесс обмена информацией

Процесс обмена информацией происходит между одноранговыми уровнями моде¬ли OSI. Каждый уровень системы прибавляет управляющую информацию данным, а каждый уровень получателя анализирует и удаляет управляющую информацию из по¬лученных данных. Если система А имеет данные, полученные от программного приложения, для посылки в систему В, данные передаются прикладному уровню. Затем приклад¬ной уровень системы А собирает все данные, необходимые для прикладного уровня системы В, прибавляя к ним заголовок. Полученная информационная единица (заголовок и данные) передается уровню представления, который в свою очередь прибавляет к полученным данным свой собственный заголовок, содер¬жащий управляющую информацию, которая предназначена для уровня представ¬ления системы В. Размер информационной единицы растет по мере того, как каждый уровень при¬бавляет свой собственный заголовок (а в отдельных случаях — и окончание), содер¬жащий управляющую информацию, которая будет использоваться одноранговым с ним уровнем в системе В. На физическом уровне вся информационная единица пере¬дается в сетевую среду. Физический уровень системы В принимает информационные единицы и переда¬ет их на канальный уровень. Канальный уровень системы В читает управляющую информацию, содержащуюся в заголовке, добавленном канальным уровнем системы А. Заголовок удаляется, а оставшаяся часть информационной единицы передается на сетевой уровень. Каждый уровень выполняет аналогичные действия: читает заго¬ловок однорангового с ним уровня, выделяет его и передает остаток информацион¬ной единицы на следующий высший уровень. После того как прикладной уровень выполнит все эти действия, данные передаются на принимающую прикладную программу системы В точно в той форме, в которой они были отправлены приклад¬ной программой системы А.

Физический уровень модели OSI

Рис. 6. Реализация физичекого уровня может удовлетворять как спецификации локальных, так и глобальных сетей.

Физический уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации для активизации, поддержки и отключения физического канала обмена данными между сетевыми системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как показатели напряжения, перио¬дичность изменения напряжения, физические диапазоны данных, максимальные расстояния передачи и физические соединения. Реализации физического уровня можно классифицировать как спецификациями локальных сетей, так и распределенных сетей. На рис. 6 проиллюстрированы некоторые широко известные реализации физи¬ческого уровня локальных и глобальных сетей.

Канальный уровень модели OSI

Рис. 7. IEEE разделило канальный уровень на два подуровня.

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных по физическому сетевому каналу. Различные спецификации канального уровня определяют различные характеристики сетей и протоколов, включая физическую адресацию, сетевую топологию, диагностирование ошибок, чередование фреймов и управление потоком. Физическая адресация (в противоположность сетевой) определяет, каким образом адресуются устройства на канальном уровне. Сетевая топология состоит из спецификаций канального уровня, которые определяют физическое соединение устройств, такие топологии, как шинная или кольцевая. Диагностирование ошибок информирует протоколы высшего уровня о том, что произошла ошибка передачи, а чередование фреймов данных пересортирует фреймы, которые передавались с нарушением последовательности, определенной протоколом IEEE 802.3. Наконец, управление потоком управляет передачей данных таким образом, что принимающее устройство не будет перегружено большим трафиком, чем оно может обработать в единицу времени. На рис. 7 изображены подуровни IEEE, на которые разбит канальный уровень.

Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) определил еще одну классификацию — канальный уровень был разбит на два подуровня: подуровень управления логическим соединением (Logical Link Control - LLC) и подуровень управления доступом к передающей среде (Media Access Control - MAC). Рис. 7. иллюстрирует IEEE-подуровни канального уровня.

Подуровень управления логическим соединением (LLC) канального уровня управляет обменом данными между устройствами по одному каналу сети. Подуровень LLC определяется в спецификации IEEE 802.2 и поддерживает как службы, работающие без подтверждения соединений, так и службы, ориентированные на соединения, используемые протоколами высшего уровня. Спецификация IEEE 802.2 определяет количество полей фреймов канального уровня, позволяющих разделение несколькими протоколами высшего уровня одного физического канала данных.

Подуровень управления доступом к передающей среде (MAC) канального уровня управляет доступом протоколов к физической сетевой среде. Спецификация IEEE определяет MAC адреса и позволяет на канальном уровне множеству устройств идентифицировать друг друга уникальным образом.

Сетевой уровень модели OSI

Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию и соответствующую функциональность, позволяющую обеспечивать работу большого количества каналов в сети. Это осуществляется с помощью логической адресации устройств (в противоположность физической адресации). Сетевой уровень поддерживает как службы протоколов высшего уровня, ориенти¬рованные на соединение, так и службы, работающие без подтверждения соединений. Протоколы сетевого уровня обычно являются протоколами маршрутизации, но на сетевом уровне также реализуются протоколы другого типа. Протоколы маршрутизации общего назначения включают BGP — междоменный протокол маршрутизации Internet; OSPF — протокол, отслеживающий состояние каналов, протокол внутреннего шлюза, разработан¬ный для использования в сетях TCP/IP; RIP — протокол маршрутизации Internet, использующий в качестве метрики счетчик узлов.

Транспортный уровень модели OSI

Транспортный уровень реализует необязательные надежные службы транспортиро¬вания данных в объединениях сетей, прозрачных для высших уровней. Функции транспортного уровня включают управление потоками, мультиплексирование, управ¬ление виртуальными каналами, проверку ошибок и восстановление после сбоев. Управление потоком управляет передачей данных между устройствами таким образом, что передающее устройство не посылает данных больше, чем может принять принимающее устройство. Мультиплексирование позволяет передавать данные от нескольких при¬кладных программ по одному физическому каналу. Виртуальные каналы устанавливаются, обслуживаются и разрываются на транспортном уровне. Проверка на ошибки заключается в создании различных механизмов определения ошибок, возникающих при передаче дан¬ных, когда восстановление ошибок требует определенной реакции, такой как запрос дан¬ных, передача которых должна быть повторена, для восстановления после сбоя. Решения, принятые на транспортном уровне, включают TCP- и NBP-протоколы (протокол связи имен), а также транспортные протоколы модели OSI. TCP-протокол входит в набор протоколов TCP/IP и обеспечивает надежную пере¬дачу данных. NBP-протокол связывает имена протокола AppleTalk с физическими адресами. Транспортные протоколы OSI являются последовательностью транс¬портных протоколов набора модели OSI.

Сеансовый уровень модели OSI

Сеансовый уровень устанавливает, завершает сеансы связи между сущностями уровня представления и управляет ими. Сеансы связи состоят из запросов и ответов служб, кото¬рые передаются между прикладными программами, размещенными в различных сетевых устройствах. Запросы и ответы координируются протоколами сеансового уровня. В качестве примеров реализации протокола на сеансовом уровне можно привести протокол зонной информации (ZIP — Zone Information Protocol), набор коммуника¬ционных протоколов AppleTalk, координирующий процесс связывания имен; прото¬кол управления сеансом (Session Control Protocol — SCP) и протокол сеансового уровня DECnet Phase IV.

Уровень представления модели OSI

Уровень представления обеспечивает разнообразные функции кодирования и пре¬образования, которые применяются к данным прикладного уровня. Эти функции га¬рантируют, что информация, посланная из прикладного уровня одной системы, будет "понята" прикладным уровнем другой системы. В качестве примера схем кодирования и преобразования уровня представления можно привести общие форматы представления данных, форматы преобразования представления символов, общие схемы сжатия данных и общие схемы шифрования данных. Общие форматы представления данных, или использование стандартного изобра¬жения, звуковых и видеоформатов, позволяют прикладным программам обмениваться данными между различными типами систем. Схемы преобразования используются для обмена информацией системами с помощью различных систем представления текстов и данных, такими как кодировки EBCDIC и ASCII. Стандартные схемы ком¬прессии данных гарантируют корректную декомпрессию данных получателем, сжатых перед их передачей отправителем. Стандартные схемы шифрования данных гаранти¬руют корректность расшифровки получателем данных, зашифрованных отправителем. Реализации на уровне представления не обязательно связаны с определенным стеком протоколов. Некоторые из широко известных стандартов, разработанных для видеоформатов, включают стандарты QuickTime и стандарты, разработанные экспертной группой по вопросам движущегося изображения (Motion Picture Experts Group — MPEG). Стандарт QuickTime является спецификацией для видео- и аудиоданных компании Apple Computer. Стандарт MPEG является стандартом сжатия и кодирования видеоданных. К широко известным форматам графического изображения относятся формат графиче¬ского обмена (Graphics Interchange Format — GIF), формат объединенной группы экспер¬тов по машинной обработке фотоизображений (Joint Photographic Experts Group — JPEG) и файловый формат тэга для изображений (Tagged Image File Format — TIFF). Формат GIF является стандартом сжатия и кодирования графических изображений. Формат JPEG — это еще один стандарт сжатия и кодирования графических изображений, формат TIFF — стандартный формат кодирования графических изображений.

Прикладной уровень модели OSI

Прикладной уровень является ближайшим к конечному пользователю уровнем мо¬дели OSI, что означает, что как прикладной уровень, так и пользователь взаимодействуют непосредственно с прикладной программой. Этот уровень взаимодействует с прикладными программами, которые имеют ком¬муникационный компонент. Такие прикладные программы не попадают в диапазон модели OSI. Функции прикладного уровня обычно включают идентификацию парт¬неров по связи, определение наличия ресурса и синхронизацию связи. При идентификации партнеров по связи прикладной уровень определяет подлинность и наличие партнеров по связи для прикладной программы, имеющей данные, готовые к передаче. При определении наличия ресурса прикладной уровень должен принять решение, существует ли достаточное количество сетевых ресурсов для запро¬шенной связи. При синхронизации связи весь обмен данными между прикладными программами требует взаимодействия, которое управлялось бы прикладным уровнем. Двумя основными типами реализации прикладного уровня являются прикладные программы протокола TCP/IP и прикладные программы модели OSI. К прикладным программам протокола TCP/IP относятся такие протоколы, как Telnet, протокол пе¬редачи файлов (File Transfer Protocol — FTP) и простой протокол передачи электрон¬ной почты (Simple Mail Transfer Protocol — SMTP), которые являются частью набора протокола Internet. Прикладными программами модели OSI являются такие протоколы, как передача, доступ и управление файлами (Transfer, Access, and Management — FT AM), протокол виртуального терминала (Virtual Terminal Protocol — VTP) и протокол общей управляющей информации (Common Management Information Protocol — CMIP), которые являются частью набора модели OSI.

Информационные форматы

Данные и управляющая информация, которые передаются по сетям, имеют широкое разнообразие форм. Термины, которые употребляют при определении этих информационных форматов, не используются постоянно в сетевой промышленности, но иногда используются в качестве взаимозаменяемых. Общие информационные форматы включают фреймы, пакеты, дейтаграммы, сегменты, сообщения, ячейки и единицы данных.

Рис. 8. Данные, поступающие от сущностей высшего уровня, составляют фрейм канального уровня.

Фрейм (Frame) или Кадр — это единица информации, отправителями и получателями которой являются сущности канального уровня. Фрейм состоит из заголовка канального уровня (и, возможно, окончания) и данных, поступивших с высшего уровня. Заголовок и окончание содержат управляющую информацию, предназначенную для сущности канального уровня получателей. Данные, поступившие от сущности высшего уровня, инкапсулируются в заголовок и окончание канального уровня. На рис. 8 изображены основные компоненты фрейма канального уровня.

Рис. 9. Пакет сетевого уровня.

Пакет (Packet) — это единица информации, отправителем и получателем которой являются сущности сетевого уровня. Пакет состоит из заголовка сетевого уровня (и, возможно, окончания) и данных, поступивших с высшего уровня. Заголовок и окончание содержат управляющую информацию, предназначенную для сущности сетевого уровня получателя. Данные, поступившие от сущности высшего уровня, инкапсулируются в заголовок и окончание сетевого уровня. На рис. 9 изображены основные компоненты пакета сетевого уровня.

Термин дейтаграмма (Datagramm) относится к единице информации, отправителем и получателем которой являются сущности сетевого уровня, использующие сетевые службы без подтверждения соединения.

Термин сегмент обычно относится к единице информации, отправителем и получателем которой являются сущности транспортного уровня.

Сообщение (Message) — это единица информации, сущность отправителем и получателя которой существует над сетевым уровнем (часто на прикладном уровне).

Рис. 10. Ячейка (cell).

Ячейка (Cell) — это единица информации фиксированного размера, отправителем и по¬лучателем которой являются сущности канального уровня. Ячейки используются в коммутируемых средах, таких как ATM-сети (режим асинхронной передачи — Asynchronous Transfer Mode —ATM) и SMDS-сети (коммутируемая многомегабитовая служба передачи данных — Switched Multimegabit Data Service —SMDS). Ячейка со¬стоит из заголовка и полезной нагрузки. Заголовок содержит управляющую информа¬цию для канального уровня сущности-получателя, его длина составляет 5 байт. Полезная нагрузка содержит данные, поступившие с высшего уровня, которые затем ин¬капсулируются в заголовок ячейки и его длина уже составляет 48 байт. Длина полей заголовка и полезной нагрузки для всех ячеек одинакова. На рис. 10 изображены основные компоненты ячейки.

Единица данных является общим термином, относящимся к разнообразным единицам информации. Среди единиц данных такого типа можно вспомнить модуль данных службы (SDU), модуль данных протокола (PDU) и модуль данных мостового протокола (BPDU). SDU — это единицы информации, поступившие от протокола высшего уровня, которые определяют служебный запрос к протоколу низшего уровня. PDU можно отнести к тер¬минологии модели OSI для описания единицы данных на данном уровне. Например, PDU 3-го уровня также известны как пакет, а 4-го уровня — как сегмент. BPDU используются алгоритмом связующего дерева как hello-сообщения.