Мережева модель OSI
Історія
У 1978 році Міжнародний комітет із стандартизації (ISO) розробив стандарт архітектури ISO 7498, для об'єднання різних мереж. У розробці брало участь 7 комітетів, кожному з них був відведений свій рівень. У 1980 році IEEE опублікував специфікацію 802, що детально описала механізми взаємодії фізичних пристроїв на канальному і фізичному рівнях моделі OSI. У 1984 році специфікація моделі OSI була переглянута і прийнята як міжнародний стандарт для мережевих комунікацій.
Рівні моделі OSI
Модель складається з 7-ми рівнів, розташованих вертикально один над одним. Кожен рівень може взаємодіяти тільки з своїми сусідами і виконувати відведені тільки йому функції.
|
Рівень OSI |
Протоколи |
|
Прикладний |
|
|
Уявлення |
|
|
Сеансовий |
|
|
Транспортний |
|
|
Мережевий |
|
|
Канальний (Ланки даних) |
|
|
Фізичний |
RS-232модифікації стандарту Ethernet:10BASE-T,10BASE2,10BASE5,100BASE-TX,100BASE-FX,100BASE-T,1000BASE-T,1000BASE-TX, 1000BASE-SX |
Прикладний рівень (Application layer)
Верхній (7-й) рівень моделі, забезпечує взаємодію мережі і користувача. Рівень вирішує доступ до мережевих служб додаткам користувача, таким як обробник запитів до баз даних, доступ до файлів, пересилки електронної пошти. Також відповідає за передачу службовій інформації, надає додаткам інформацію про помилки і формує запити до рівня уявлення.
Рівень уявлення (Presentation layer)
Цей рівень відповідає за перетворення протоколів і кодування/декодування даних. Запити додатків, отримані з рівня додатків він перетворить у формат для передачі по мережі, а отримані з мережі дані перетворить у формат, зрозумілий додаткам. На цьому рівні може здійснюватися стиснення/розпаковування або кодирование/раскодирование даних, а також перенаправлення запитів іншому мережевому ресурсу, якщо вони не можуть бути оброблені локально.
Сеансовий рівень (Session layer)
Відповідає за підтримку сеансу зв'язку, дозволяючи додаткам взаємодіяти між собою тривалий час. Рівень управляє створенням/завершенням сеансу, обміном інформацією, синхронізації завдань, визначенням права на передачу даних і підтримку сеансу в періоди неактивності додатків. Синхронізація передачі забезпечується приміщенням в потік даних контрольних крапок, починаючи з яких поновлюється процес при порушенні взаємодії.
Транспортний рівень (Transport layer)
4-й рівень моделі, призначений для доставки даних без помилок, втрат і дублювання в тій послідовності, як вони були передані. При цьому неважливо які дані передаються, звідки і куди, тобто він надає сам механізм передачі. Блоки даних він розділяє на фрагменти, розмір яких залежить від протоколу, короткі об'єднує в один, довгі розбиває. Протоколи цього рівня призначені для взаємодії типу крапка-крапка.
Мережевий рівень (Network layer)
3-й рівень мережевої моделі OSI, призначений для визначення шляху передачі даних. Відповідає за трансляцію логічних адрес і імен у фізичних, визначення найкоротших маршрутів, комутація і маршрутизація пакетів, відстежування неполадок і заторів в мережі. На цьому рівні працює такий мережевий пристрій, як маршрутизатор.
Канальний рівень (Data Link layer)
Цей рівень призначений для забезпечення взаємодії мереж на фізичному рівні і контролі за помилками, які можуть виникнути. Отримані дані від фізичного рівня він упаковує в кадри даних, перевіряє на цілісність, якщо потрібно виправляє помилки і відправляє на мережевий рівень. Канальний рівень може взаємодіяти з одним або декількома фізичними рівнями, контролюючи і управляючи цією взаємодією. Специфікація IEEE 802 розділяє цей рівень на 2 підрівні — MAC (Media Access Control) регулює доступ до фізичного середовища, що розділяється, і LLC (Logical Link Control) забезпечує обслуговування мережевого рівня. На цьому рівні працюють, мосты і сетевые адаптеры.
У програмуванні цей рівень представляє драйвер мережевої плати, в операционных системах є програмний інтерфейс взаємодії канального і мережевого рівня між собою, це не новий рівень, а просто реалізація моделі для конкретної ОС. Приклади таких інтерфейсів:ODI, NDIS.
Фізичний рівень (Physical layer)
Самий нижній рівень моделі, призначений безпосередньо для передачі потоку даних. Здійснює передачу електричних або оптичних сигналів в кабель і відповідно їх прийом і перетворення в біти даних. Іншими словами здійснює інтерфейс між мережевим носієм і мережевим пристроєм. На цьому рівні працюють концентраторы і повторители (ретрансляторы) сигналу.
Взаємодія рівнів
Рівні взаємодіють зверху вниз і від низу до верху за допомогою інтерфейсів і можуть ще взаємодіяти з таким же рівнем іншої системи за допомогою протоколів.
Мережевий рівень як засіб побудови великих мереж
Принципи об'єднання мереж на основі протоколів мережевого рівня
У стандартній моделі взаємодії відкритих систем у функції мережевого рівня входить рішення наступних завдань:
- передача пакетів між кінцевими вузлами в складених мережах;
- вибір маршруту передачі пакетів, якнайкращого по деякому критерію;
- узгодження різних протоколів канального рівня, що використовуються в окремих підмережах однієї складеної мережі.
Протоколи мережевого рівня реалізуються, як правило, у вигляді програмних модулів і виконуються на кінцевих вузлах-комп'ютерах, званих хостами, а також на проміжних вузлах - маршрутизаторах, званих шлюзами. Функції маршрутизаторів можуть виконувати як спеціалізовані пристрої, так і універсальні комп'ютери з відповідним програмним забезпеченням.
Обмеження мостів і комутаторів
Створення складної, структурованої мережі, інтегруючої різні базові технології, може здійснюватися і засобами канального рівня: для цього можуть бути використані деякі типи мостів і комутаторів. Міст або комутатор розділяє мережу на сегменти, локалізуючи трафік усередині сегменту, що робить лінії зв'язку такими, що розділяються переважно між станціями даного сегменту. Тим самим мережа розпадається на окремі підмережі, з яких можуть бути побудовані складені мережі достатньо крупних розмірів.
Проте побудова складних мереж тільки на основі повторителей, мостів і комутаторів має істотні обмеження і недоліки.
- По-перше, в топології мережі, що вийшла, повинні бути відсутніми петли. Дійсно, міст/комутатор може вирішувати задачу доставки пакету адресатові тільки тоді, коли між відправником і одержувачем існує єдиний шлях. В той же час наявність надмірних зв'язків, які і утворюють петлі, часто необхідна для кращого балансування навантаження, а також для підвищення надійності мережі за рахунок утворення резервних шляхів.
- По-друге, логічні сегменти мережі, розташовані між мостами або комутаторами, слабо ізольовані один від одного, а саме не захищені від так званих широкомовних штормів. Якщо яка-небудь станція посилає широкомовне повідомлення, то це повідомлення передається всім станціям всіх логічних сегментів мережі. Захист від широкомовних штормів в мережах, побудованих на основі мостів і комутаторів, має кількісний, а не якісний характер: адміністратор просто обмежує кількість широкомовних пакетів, яку дозволяється генерувати деякому вузлу в одиницю часу. Використання ж механізму віртуальних мереж, реалізованого в багатьох комутаторах, хоч і дозволяє достатньо гнучко створювати ізольовані по трафіку групи станцій, але при цьому ізолює їх повністю, так що вузли однієї віртуальної мережі не можуть взаємодіяти з вузлами іншої віртуальної мережі.
- По-третє, в мережах, побудованих на основі мостів і комутаторів, достатньо складно вирішується завдання управління трафіком на основі значення даних, що містяться в пакеті. У таких мережах це можливо тільки за допомогою призначених для користувача фільтрів, для завдання яких адміністраторові доводиться мати справу з двійковим представленням вмісту пакетів.
- По-четверте, реалізація транспортної підсистеми тільки засобами фізичного і канального рівнів, до яких відносяться мости і комутатори, приводить до недостатньо гнучкій, одноуровневой системі адресації: як адреса призначення використовується МАС - адреса, жорстко пов'язана з мережевим адаптером.
- Нарешті, можливістю трансляції протоколів канального рівня володіють далеко не всі типи мостів і комутаторів, до того ж ці можливості обмежені. Зокрема, в об'єднуваних мережах повинні співпадати максимально допустимі розміри полий даних в кадрах, оскільки мостами і комутаторами не підтримується функція фрагментації кадрів. Наявність серйозних обмежень у протоколів канального рівня показує, що побудова на основі засобів цього рівня великих неоднорідних мереж є вельми проблематичною. Природне рішення в цих випадках - це залучення засобів вищого, мережевого рівня.
-
Поняття internetworking
Основна ідея введення мережевого рівня полягає в наступному. Мережа в загальному випадку розглядається як сукупність декількох мереж і називається складеною мережею або інтермережею (internetwork або internet). Мережі, що входять в складену мережу, називаються підмережами (subnet), мережами або просто мережами, що становлять (мал. 5.1).
Мал. 5.1. Архітектура складеної мережі
Підмережі з'єднуються між собою маршрутизаторами. Компонентами складеної мережі можуть бути як локальні, так і глобальні мережі. Внутрішня структура кожної мережі на малюнку не показана, оскільки вона не має значення при розгляді мережевого протоколу. Всі вузли в межах однієї підмережі взаємодіють, використовуючи єдину для них технологію. Так, в складену мережу, показану на малюнку, входить декілька мереж різних технологій: локальні мережі Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI і глобальні мережі frame relay, X.25, ISDN. Кожна з цих технологій достатня для того, щоб організувати взаємодію всіх вузлів в своїй підмережі, але не здатна побудувати інформаційний зв'язок між довільно вибраними вузлами, що належать різним підмережам, наприклад між вузлом А і вузлом В на мал. 5.1. Отже, для організації взаємодії між будь-якою довільною парою вузлів цієї «великої» складеної мережі потрібні додаткові засоби. Такі засоби і надає мережевий рівень.
Мережевий рівень виступає як координатор, організуючий роботу всіх підмереж, лежачих на шляху просування пакету по складеній мережі. Для переміщення даних в межах підмереж мережевий рівень звертається до використовуваних в цих підмережах технологій.
Хоча багато технологій локальних мереж (Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet і ін.) використовують одну і ту ж систему адресації вузлів на основі МАС - адрес, існує немало технологій (X.25, АТМ, frame relay), в яких застосовуються інші схеми адресації. Адреси, привласнені вузлам відповідно до технологій підмереж, називають локальними. Щоб мережевий рівень міг виконати своє завдання, йому необхідна власна система адресації, не залежна від способів адресації вузлів в окремих підмережах, яка дозволила б на мережевому рівні універсальним і однозначним способами ідентифікувати будь-який вузол складеної мережі.
Природним способом формування мережевої адреси є унікальна нумерація всіх підмереж складеної мережі і нумерація всіх вузлів в межах кожної підмережі. Таким чином, мережева адреса є парою: номер мережі (підмережі) і номер вузла.
Як номер вузла може виступати або локальна адреса цього вузла (така схема прийнята в стеку IPX/SPX), або деяке число, ніяк не пов'язане з локальною технологією, яке однозначно ідентифікує вузол в межах даної підмережі. У першому випадку мережева адреса стає залежною від локальних технологій, що обмежує його застосування. Наприклад, мережеві адреси IPX/SPX розраховані на роботу в складених мережах, об'єднуючих мережі, в яких використовуються тільки МАС, - адреси або адреси аналогічного формату. Другий підхід більш універсальний, він характерний для стека TCP/IP. І в тому і іншому випадку кожен вузол складеної мережі має разом з своєю локальною адресою ще один - універсальна мережева адреса.
Дані, які поступають на мережевий рівень і які необхідно передати через складену мережу, забезпечуються заголовком мережевого рівня. Дані разом із заголовком утворюють пакет. Заголовок пакету мережевого рівня має уніфікований формат, не залежний від форматів кадрів канального рівня тих мереж, які можуть входити в об'єднану мережу, і несе разом з іншою службовою інформацією дані про номер мережі, яким призначається цей пакет. Мережевий рівень визначає маршрут і переміщає пакет між підмережами.
При передачі пакету з однієї підмережі в іншу пакет мережевого рівня, інкапсульований в прибулий канальний кадр першої підмережі, звільняється від заголовків цього кадру і оточується заголовками кадру канального рівня наступної підмережі. Інформацією, на основі якої робиться ця заміна, є службові поля пакету мережевого рівня. У полі адреси призначення нового кадру указується локальна адреса наступного маршрутизатора.
-
-
Якщо проводити аналогію між взаємодією різнорідних мереж і листуванням людей з різних країн, то мережева інформація - це загальноприйнятий індекс країни, доданий до адреси листа, написаної на одному з сотні мов земної кулі, наприклад на санскриті. І навіть якщо цей лист повинен пройти через безліч країн, поштові працівники яких не знають санскриту, зрозумілий ним індекс країни-адресата підкаже, через які проміжні країни краще передати лист, щоб воно найкоротшим шляхом потрапило до Індії. А вже там працівники місцевих поштових відділень зможуть прочитати точну адресу, вказуючу місто, вулицю, будинок і індивідуума, і доставити лист адресатові, оскільки адреса написана на мові і у формі, прийнятій в даній країні.
Основним полем заголовка мережевого рівня є номер мережі-адресата. У розглянутих нами раніше протоколах локальних мереж такого поля в кадрах передбачено не було - передбачалося, що всі вузли належать одній мережі. Явна нумерація мереж дозволяє протоколам мережевого рівня складати точну карту міжмережевих зв'язків і вибирати раціональні маршрути при будь-якій їх топології, зокрема альтернативні маршрути, якщо вони є, що не уміють робити мости і комутатори.
Окрім номера мережі заголовок мережевого рівня повинен містити і іншу інформацію, необхідну для успішного переходу пакету з мережі одного типу в мережу іншого типу. До такої інформації може відноситися, наприклад:
- номер фрагмента пакету, необхідний для успішного проведення операцій збірки-розбирання фрагментів при з'єднанні мереж з різними максимальними розмірами пакетів;
- час життя пакету, вказуючий, як довго він подорожує по інтермережі, цей час може використовуватися для знищення пакетів, що «заблукали»;
-
Коли дві або більш за мережу організовують сумісну транспортну службу, то такий режим взаємодії зазвичай називають міжмережевою взаємодією (internetworking).
- якість послуги - критерій вибору маршруту при міжмережевих передачах - наприклад, вузол-відправник може зажадати передати пакет з максимальною надійністю, можливо, в збиток часу доставки.