Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем

Международная организация по стандартизации (International Standards Organization - ISO) создала базовую эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model - OSI), которая определяет концепцию и методологию создания сетей передачи данных. Модель описывает стандартные правила функционирования устройств и программных средств при обмене данными между узлами (компьютерами) в открытой системе. Открытая система состоит из программно-аппаратных средств, способных взаимодействовать между собой при использовании стандартных правил и устройств сопряжения (интерфейсов).

Модель ISO/OSI включает семь уровней. На рис. 3.2 показана модель взаимодействия двух устройств: узла источника (source) и узла назначения (destination). Совокупность правил, по которым происходит обмен данными между программно-аппаратными средствами, находящимися на одном уровне, называется протоколом. Набор протоколов называется стеком протоколов и задается определенным стандартом. Взаимодействие между уровнями определяется стандартными интерфейсами.

Уровни узла источника

---?

Уровни узла назначения

Примеры протоколов

7. Приложений

7. Приложений

HTTP, FTP, SMTP, DNS

6. Представления

6. Представления

ASCII, MPEG, JPEG

5. Сеансовый

5. Сеансовый

4. Транспортный

4. Транспортный

TCP, UDP

3. Сетевой

3. Сетевой

IP, IPX, RIP, OSPF

2. Канальный

2. Канальный

Ethernet, Fast Ethernet

1. Физический

1. Физический

Рис. 3.2. Семиуровневая модель ISO/OSI

Взаимодействие соответствующих уровней является виртуальным, за исключением физического уровня, на котором происходит обмен данными по физической среде, соединяющей компьютеры. На рис. 3.3 приведены также примеры протоколов, управляющих взаимодействием узлов на различных уровнях модели OSI. Взаимодействие уровней между собой внутри узла происходит через межуровневый интерфейс, и каждый нижележащий уровень предоставляет услуги вышележащему.

Виртуальный обмен между соответствующими уровнями узлов А и В (рис. 3.3) происходит определенными единицами информации. На трех верхних уровнях - это сообщения или данные (Data). На транспортном уровне - сегменты (Segment), на сетевом уровне - пакеты (Packet), на канальном уровне - кадры (Frame) и на физическом - последовательность битов.

Узел А Узел В

Устройства и единицы информации соответствующих уровней

Рис. 3.3. Устройства и единицы информации соответствующих уровней

Маршрутизатор

(Routed

Коммутатор

(Switch)

Концетратор

(Hub)

Для каждой сетевой технологии существуют свои протоколы и свои технические средства, часть из которых имеет условные обозначения, приведенные на рис.3.4. Данные обозначения введены фирмой Cisco и стали общепринятыми. Среди технических средств физического уровня следует отметить кабели, разъемы, повторители сигналов (repeater), многопортовые повторители или концентраторы (hub), преобразователи среды (transceiver), например, преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот.

На канальном уровне это мосты (bridge), коммутаторы (switch). На сетевом уровне - маршрутизаторы (router). Сетевые карты или адаптеры (Network Interface Card - NIC) функционируют как на канальном, так и на физическом уровне, что обусловлено сетевой технологией и средой передачи данных.При передаче данных от источника к узлу назначения, подготовленные передаваемые данные последовательно проходят от самого верхнего 7-го уровня Приложений узла источника информации до самого нижнего -Физического уровня 1, затем передаются по физической среде узлу назначения, где последовательно проходят от нижнего уровня 1 до уровня 7.

Самый верхний уровень Приложений (Application Layer) 7 оперирует наиболее общей единицей данных - сообщением. На этом уровне реализуется управление общим доступом к сети, потоком данных, сетевыми службами (протоколами), такими как FTP, TFTP, HTTP, SMTP, SNMP и др.

Уровень 6 Представления (Presentation Layer) изменяет форму представления данных. Например, передаваемые с уровня 7 данные преобразуются в общепринятый формат ASCII. При приеме данных происходит обратный процесс. На уровне 6 также происходит шифрация и сжатие данных (протоколы MPEG, JPEG).

Сеансовый (Session Layer) уровень 5 устанавливает сеанс связи двух конечных узлов (компьютеров), определяет, какой компьютер является ведущим, а какой ведомым, задает для передающей стороны время передачи. Этот уровень определяет также сеанс связи с сетью Интернет.

Транспортный уровень (Transport Layer) 4 делит большое сообщение узла источника информации на части, при этом добавляет заголовок и формирует сегменты определенного объема, а короткие сообщения может объединять в один сегмент. В узле назначения происходит обратный процесс. В заголовке сегмента задаются номера порта источника и назначения, которые адресуют службы верхнего уровня приложений для обработки данного сегмента. Кроме того, транспортный уровень обеспечивает надежную доставку пакетов. При обнаружении потерь и ошибок на этом уровне формируется запрос повторной передачи, при этом используется протокол TCP. Когда необходимость проверки правильности доставленного сообщения отсутствует, то используется более простой и быстрый протокол дейтаграмм пользователя (User Datagram Protocol UDP). Протокол UDP используется пре передаче потоковых данных (ауди- и видеоинформации).

Сетевой уровень (Network Layer) 3 адресует сообщение, задавая единице передаваемых данных (пакету) логические сетевые адреса узла назначения и узла источника (IP-адреса), определяет маршрут, по которому будет отправлен пакет данных, транслирует логические сетевые адреса в физические, а на приемной стороне - физические адреса в логические. Сетевые логические IP-адреса принадлежат пользователям.

Канальный уровень (Data Link) 2 формирует из пакетов кадры данных (frames). На этом уровне задаются физические адреса устройства-отправителя и устройства-получателя данных, например, МАС-адреса при использовании технологии Ethernet. Физический адрес устройства может быть прописан в ПЗУ сетевой карты компьютера. На этом же уровне к передаваемым данным добавляется контрольная сумма, определяемая с помощью алгоритма циклического кода. На приемной стороне по контрольной сумме определяют ошибки.

Физический уровень (Physical) 1 осуществляет передачу потока битов по соответствующей физической среде (электрический или оптический кабель, радиоканал) через соответствующий интерфейс. На этом уровне производится кодирование данных, синхронизация передаваемых битов информации.

Протоколы трех верхних уровней являются сетенезависимыми, три нижних уровня являются сетезависимыми. Связь между тремя верхними и тремя нижними уровнями происходит на транспортном уровне.

Важным процессом при передаче данных является инкапсуляция (encapsulation) данных, когда на каждом уровне происходит обрамление данных заголовками со служебной информацией. Название информационных единиц на каждом уровне, их размер и другие параметры инкапсуляции задаются согласно протоколу единиц данных (Protocol Data Unit - PDU). Итак, на трех верхних уровнях - это сообщение (Data), на Транспортном Уровне 4 - сегмент (Segment), на Сетевом Уровне 3 - пакет (Packet), на Канальном Уровне 2 - кадр (Frame), на Физическом Уровне 1 -последовательность битов.

Поскольку большое сообщение может делиться на части (сегментирование), то инкапсуляция позволяет идентифицировать сегменты, как часть общего сообщения, направить сегменты устройству назначения и на приемной стороне реассемблировать сегменты в сообщение.

Передаваемое сообщение, сформированное приложением, проходит три верхних сетенезависимых уровня и поступает на транспортный уровень, где делится на части и каждая часть инкапсулируется (помещается) в сегмент данных (рис. 3.4). В заголовке сегмента содержится номер протокола уровня приложений, с помощью которого подготовлено сообщение, и номер протокола, который будет обрабатывать данный сегмент.

Сообще

ние

Заголовок сегмента

Данные

Заголовок

пакета

Заголовок сегмента

Данные

Сегмент

Пакет

Заголовок кадра

Заголовок пакета

Заголовок сегмента

Данные

Трейлер

Кадр

Биты передаваемых данных

Рис. 3.4. Инкапсуляция данных

На сетевом уровне сегмент инкапсулируется в пакет данных, заголовок (header) которого содержит, кроме прочего, сетевые (логические) адреса отправителя информации (источника) - Source Address (SA) и получателя (назначения) - Destination Address (DA). В данном курсе - это IP-адреса.

На канальном уровне пакет инкапсулируется в кадр или фрейм данных, заголовок которого содержит физические адреса узла передатчика и приемника, а также другую информацию. Кроме того, на этом уровне добавляется трейлер (концевик) кадра, содержащий информацию, необходимую для проверки правильности принятой информации.

Помимо семиуровневой OSI модели на практике применяется четырехуровневая модель TCP/IP (рис. 3.5).

Модель OSI Модель TCP/IP

Приложений

Приложений

Представления

Сеансовый

Транспортный

Транспортный

Сетевой

Межсетевой

Канальный

Доступа

к сети

Физический

Рис. 3.5. Модели OSI и TCP/IP

Уровень Приложений модели TCP/IP по названию совпадает с названием модели OSI, но по функциям гораздо шире, поскольку охватывает три верхних сетенезависимых уровня (Приложений, Представления и Сеансовый). Транспортный уровень обеих моделей и по названию, и по функциям одинаков. Сетевой уровень модели OSI соответствует межсетевому (Internet) уровню модели TCP/IP, а два нижних уровня (канальный и физический) представлены объединенным уровнем доступа к сети (Network Access).

Ниже в табл. 3.2 приведены обобщенные сведения об основной информации, добавляемой в заголовках сообщений на разных уровнях OSI модели.

Таблица 3.2

Основная информация в заголовках сообщений

Физический

уровень

Канальный

уровень

Сетевой

уровень

Транспортный уровень

Верхние уровни

Частотно

временные

параметры и синхронизация

Физические адреса источника и назначения

Логические адреса источника и назначения

Номера порта источника и назначения

Сопряжение пользователей с сетью

На транспортном уровне в заголовке сегмента задаются номера портов приложений источника и назначения. Номера портов адресуют приложения или службы (сервисы) верхнего уровня, которые создавали сообщение и будут его обрабатывать на приемной стороне. Например, сервер электронной почты с номерами портов 25 и ПО позволяет посылать e-mail сообщения и принимать их, № порта 80 адресует веб-сервер.

Протоколы транспортного уровня (TCP, UDP) взаимодействуют с определенными протоколами уровня приложений. Так протокол TCP, обеспечивающий надежность передачи данных, взаимодействует с протоколами HTTP, FTP, SMTP и др. Он имеет возможность не только обеспечивать повторную передачу потерянных пакетов, но и управлять потоком передаваемых данных, предотвращая их потерю из-за чрезмерно высокой скорости передачи источником информации.

Вместе с физическими, например, МАС-адресами и логическими IP-адресами задание номеров портов образует тройную систему адресации, которая позволяет адресовать устройства, пользователей и программное обеспечение приложений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >