IT-блог о веб-технологиях, серверах, протоколах, базах данных, СУБД, SQL, компьютерных сетях, языках программирования и создание сайтов.
Канальный уровень модели OSI. Второй уровень эталонной модели сетевого взаимодействия
Привет, посетитель сайта ZametkiNaPolyah.ru! Продолжаем рубрику Сервера и протоколы. Продолжаем разбираться с тем как работают компьютерные сети в целом и сеть Интернет в частности. И в данной публикации мы поговорим о функциях, особенностях и процессах, которые происходят на втором уровне модели OSI или как его еще называют канальный уровень. Мы уже знаем, что на физическом уровне модели сетевого взаимодействия данные представлены в виде битов, то есть последовательности логических нулей и единиц. Отмечу, что ноль и единица логические, так как им соответствует какой-то определенный уровень напряжения, у логического нуля уровень сигнала не нулевой. Эти логические нули и единицы на канальном уровне превращаются в кадры, которые состоят из трех частей: заголовок кадра (определенная последовательность бит, которая сообщает устройству о начале кадра), тело кадра, в котором содержится полезная для человека информация и окончание кадра (опять же это служебная последовательность нулей и единиц, которая делает передаваемое сообщение избыточным, но которое помогает определить конец кадра).
Канальный уровень модели OSI. Второй уровень эталонной модели сетевого взаимодействия
Обо всем этом и других процессах, происходящих на канальном уровне сетевой модели OSI, мы поговорим ниже. Также для понимания функций второго уровня модели OSI мы коротко рассмотрим некоторые протоколы, которые можно отнести к канальному уровню и перечислим некоторые программные и аппаратные средства, которые так или иначе выполняют функции, возлагаемые на второй уровень эталонной модели.
Назначения, процессы и особенности второго уровня модели OSI
Продолжаем разбираться уровнями модели сетевого взаимодействия OSI. Ранее мы разобрались с первым уровнем модели OSI или физический уровень, теперь мы поговорим про назначение, особенности и процессы, которые происходят на канальном уровне эталонной модели сетевого взаимодействия.
Канальный уровень модели OSI – второй по счету уровень модели сетевого взаимодействия, который отвечает за взаимодействия между устройствами в одном сегменте локальной компьютерной сети. Второй уровень модели сетевого взаимодействия отвечает за локальную связь между устройствами, а также на втором уровне происходит проверка целостности и правильности передачи данных физического уровня.
Единицей измерения на канальном уровне является кадр, который представляет собой несколько бит полезной информации и несколько бит служебной информации, кадр имеет свою строго определенную структуру, причем структура кадра второго уровня модели OSI определяется технологией и протоколом, который используется для передачи данных. Общую или базовую структуру кадра канального уровня и ее описание вы можете найти в начале данной публикации. Благодаря тому, что данные на втором уровне модели OSI представлены в виде кадров, может быть осуществлена проверка правильности и полноты переданных данных. Ведь нельзя исключать всевозможные помехи.
Если на физическом уровне модели сетевого взаимодействия в качестве среды передачи может выступать медная линия, оптическое волокно, радиоэфир (то есть какая-то физическая среда, которую можно «потрогать»), то на втором уровне модели OSI в качестве среды передачи рассматривается виртуальный канал, который уже в принципе не зависит от физической среды, по которой распространяется сигнал, но для простоты понимания виртуальный канал связи можно сравнить с медным проводом, хотя сравнение не совсем правильное.
Но главное, нужно учитывать, что на втором уровне модели OSI биты принимаются в том же самом порядке, что и отправляются с передатчика. Канальный уровень не работает непосредственно со средой передачи данных, но учитывает то, что во время передачи данных могут происходить всевозможные ошибки данных, сигнал из точки А в точку Б поступает не мгновенно, а проходит какое-то время (пусть и не совсем ощутимое для человека), а скорость передачи данных ограничивается многими факторами (в том числе и перечисленными ранее).
Спецификация IEEE 802 делит канальный уровень на два подуровня: подуровень, который взаимодействует с физической средой или MAC (второй уровень может взаимодействовать с несколькими физическими уровнями одновременно) и подуровень, который обеспечивает взаимодействие с сетевым уровнем, этот подуровень получил название LLC.
Также нам стоит сказать, что на втором уровне модели OSI происходит физическая адресация сетевых устройств. Как вы знаете, у каждого сетевого устройства есть mac-адрес, который по задумке должен быть уникальным во всем мире и однозначно идентифицировать устройство в любой сети.
Но канальный уровень выполняет еще одну важную роль, помимо того, о чем мы сказали ранее, на втором уровне модели OSI происходит управление потоком передачи данных. В сети встречаются различные физические устройства: одни новее, другие старее, одни более производительные, другие менее производительные, и зачастую происходит ситуация, когда передающая сторона посылает биты намного быстрее, чем можете их обработать принимающая сторона, приемник как бы захлебывается в этом потоке. Канальный уровень управляет потоками передачи данных в целях избегания подобных ситуаций.
Для исправления ошибок на канальном уровне используются различные коды передачи, например:
На самом деле кодов проверки ошибок несколько больше, в данной публикации разбираться с принципами работы кодов мы не будем. Отметим, что еще есть коды с обнаружением ошибок.
Стоит сказать, что канальный уровень позволяет абстрагироваться от физической среды передачи данных. Условно, коммутатору провайдера без разницы какая физическая среда используется: он передает и принимает данные по витой паре от абонентов, а с коммутаторами в соседних домах обычно происходит соединение по оптическому кабелю.
Протоколы и стандарты канального уровня модели OSI
Мы коротко поговорили о функциях и особенностях канального уровня модели OSI. На самом деле – это большая тема, о которой можно писать много и упорно, что, например, и сделали Таненбаум Э. и Уэзеролл Д. в своей книге «Компьютерные сети», которую мы можем порекомендовать для изучения процессов и протоколов передачи данных и основ взаимодействия в компьютерных сетях.
Давайте перечислим некоторые протоколы и стандарты, про которые можно сказать, что они работают на канальном уровне модели OSI. Отметим, что протоколы канального уровня эталонной модели сетевого взаимодействия разрабатывались с тем, чтобы решать задачи, которые мы описали ранее, конечно, решает эти задачи каждый протокол по-своему, но в основе каждого протокола лежит модель взаимодействия клиент-сервер. Условно мы можем рассматривать передающий компьютер или устройство как сервер, который предоставляет услугу, а принимающее устройство как клиент, который запрашивает услугу.
Это не совсем так, потому что в процессе предоставления услуг и клиентский компьютер, и серверный компьютер могут как передавать данные, так и принимать их. Давайте посмотрим на некоторые протоколы канального уровня модели сетевого взаимодействия:
Здесь мы не ставим задачу перечислить все протоколы, работающие на канальном уровне модели OSI, эта задача скорее для справочника или статиста. Подробное описание протоколов и технологий вы сможете найти в специализированной литературе или в официальных документах того или иного стандарта или той или иной технологии.
Также важно понимать, что в одной физической среде (в одной физической линии) может быть создано несколько виртуальных каналов и у каждого канала своя определенная роль. Одним каналом устройства пользуется для обмена служебной информацией, второй канал используется для установления связи, третий канал используется для мониторинга устройств, а по четвертому каналу могут передаваться данные.
Оборудование канального уровня модели OSI
Мы уже упоминали, что второй уровень модели OSI позволяет абстрагироваться от физической среды распространения сигнала, поэтому мы можем сказать, что оборудование второго уровня модели OSI не зависит от среды передачи данных, хотя это условно, поскольку если у коммутатора не будет разъемов и модулей для приема оптического сигнала, то собственно, мы не сможем передавать и принимать данные с использованием световой волны.
Давайте приведем несколько примеров оборудования канального уровня модели OSI, чтобы окончательно разобраться с функциями и назначением второго уровня эталонной модели сетевого взаимодействия:
Полный список оборудования, которое можно отнести к канальному уровню или которое частично выполняет эти функции, а уж тем более номенклатура данного оборудования, не представляют сейчас для нас особого интереса. Из всего вышесказанного нам нужно лишь вынести суть, функции и процессы, которые происходят на канальном уровне модели сетевого взаимодействия OSI.
📑 Устройства канального уровня модели OSI (L2)
С канальным уровнем обычно связаны следующие сетевые соединительные устройства:
В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (CS MA/CD).
Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной. Все интерфейсы, подключенные к среде передачи данных, могут распознать факт передачи кадра, и интерфейс, который узнает собственный MAC-адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает кадр-ответ.
В технологии Ethernet существует такое понятие, как домен коллизий. Домен коллизий – часть сети, все узлы которой распознают коллизии, не зависимо от того, где она возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях или концентраторах всегда образует один домен коллизий.
Для предотвращения коллизий крупные локальные сети делятся на сегменты или, как их еще называют, домены коллизий, с помощью коммутаторов (switches). Каждый порт коммутатора оснащен процессором, память которого позволяет создавать буфер для хранения поступающих кадров. Общее управление процессорами портов осуществляет системный модуль. Наличие отдельного процессора на каждом порту является основным отличием коммутатора от моста, где присутствует один процессор. В настоящее время коммутаторы практически полностью вытеснили мосты.
Каждый сегмент, образованный портом (интерфейсом) коммутатора с присоединенным к нему узлом (компьютером) или с концентратором со многими узлами, является доменом (сегментом) коллизий. При возникновении коллизии в сети, реализованной на концентраторе, сигнал коллизии распространяется по всем портам концентратора. Однако на другие порты коммутатора сигнал коллизии не передается.
Существует два режима двусторонней связи: полудуплексный (halfduplex) и полнодуплексный (full-duplex). В полудуплексном режиме в любой момент времени одна станция может либо вести передачу, либо принимать данные. В полнодуплексном режиме абонент может одновременно принимать и передавать информацию, т. е. обе станции в соединении «точка- точка» могут передавать данные в любое время, независимо от того, передает ли другая станция. Для разделяемой среды полудуплексный режим является обязательным. Ранее создававшиеся сети Ethernet на коаксиальном кабеле были только полудуплексными. Витая пара и оптическое волокно могут использоваться в сетях, работающих в обоих режимах.
Новые высокоскоростные сети 10-GigabitEthernet работают только в полнодуплексном режиме. Большинство коммутаторов могут использовать как полудуплексный, так и полнодуплексный режим.
В случае присоединения компьютеров (хостов) индивидуальными линиями к портам коммутатора каждый узел вместе с портом образует микросегмент. В сети, узлы которой соединены с коммутатором индивидуальными линиями и работающей в полудуплексном режиме, возможны коллизии, если одновременно начнут работать передатчики коммутатора и сетевого интерфейса узла.
В полнодуплексном режиме работы коллизий при микросегментации не возникает. При одновременной передаче данных от двух источников одному адресату буферизация кадров позволяет запомнить и передать кадры поочередно и, следовательно, избежать их потери. Отсутствие коллизий обусловило широкое применение топологии сети с индивидуальным подключением узлов к портам коммутатора.
Коммутатор является устройством второго (канального) уровня семиуровневой модели ISO OSI, в котором для адресации используются МАС-адреса. Адресация происходит на основе МАС-адресов сетевых интерфейсов узлов.
Для того, чтобы передавать кадры (фреймы), коммутатор использует три базовых механизма:
Для передачи кадров применяется алгоритм, определяемый стандартом 802.1D. Реализация алгоритма происходит за счет создания статических или динамических записей адресной таблицы коммутации. Статические записи таблицы создаются администратором. В общем случае коммутатор можно вообще не конфигурировать, он будет работать по умолчанию, создавая записи адресной таблицы в динамическом режиме. При этом в буферной памяти порта запоминаются все поступившие на порт кадры.
Первоначально информация о том, какие МАС-адреса имеют подключенные к конкретному порту интерфейсы, в коммутаторе отсутствует. Поэтому коммутатор, получив кадр, передает его на все свои порты, за исключением того, на который кадр был получен, и одновременно анализирует МАС-адрес источника и запоминает его в адресной таблице.
Когда адресная таблица коммутации сформирована, продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице. При получении кадра коммутатор проверяет, существует ли МАС-адрес узла назначения в таблице коммутации. При обнаружении адресата в таблице коммутатор производит еще одну проверку: находятся ли адресат и источник в одном сегменте. Если они в разных сегментах, то коммутатор производит продвижение (forwarding) кадра в порт, к которому подключен узел назначения. Если адресат и источник находятся в одном сегменте, например оба подключены к одному концентратору, то передавать кадр на другой порт не нужно. В этом случае кадр должен быть удален из буфера порта, что называется фильтрацией (filtering) кадров.
С появлением в сети новых узлов адресная таблица пополняется. Если в течение определенного времени (обычно 300 с) какой-то узел не передает данные, то считается, что он в сети отсутствует, тогда соответствующая запись из таблицы удаляется. При необходимости администратор может включать в таблицу статические записи, которые не удаляются динамически. Такую запись может удалить только сам администратор.
При получении кадров с широковещательными адресами (FF:FF:FF:FF:FF:FF) коммутатор передает их на все свои порты. Иногда если какой-либо узел из-за сбоя или злонамеренно начинает генерировать кадры с широковещательными адресами, то сеть очень быстро оказывается перегруженной, наступает широковещательный шторм (broadcast storm) и сеть «падает». С широковещательным штормом и излишним количеством широковещательных сообщений может бороться только маршрутизатор, который делит сеть на широковещательные домены.
Коммутаторы могут работать в нескольких режимах, при изменении которых меняются задержка и надежность. Для обеспечения максимального быстродействия коммутатор может начинать передачу кадра сразу, как только получит МАС-адрес узла назначения. Такой режим получил название сквозной коммутации или коммутации «на лету» (cut-through switching), он обеспечивает наименьшую задержку при прохождении кадров через коммутатор. Однако в этом режиме невозможен контроль ошибок, поскольку поле контрольной суммы находится в конце кадра. Следовательно, этот режим характеризуется низкой надежностью.
Во втором режиме коммутатор получает кадр целиком, помещает его в буфер, проверяет поле контрольной суммы (FCS) и затем пересылает адресату. Если получен кадр с ошибками, то он отбрасывается (discarded) коммутатором. Поскольку кадр перед отправкой адресату назначения запоминается в буферной памяти, такой режим коммутации получил название коммутации с промежуточным хранением или буферизацией.
Самый простой и распространенный типа коммутатора — «неуправляемый» (unmanaged). Неуправляемые коммутаторы реализуют только физическую топологию сети, они могут передавать кадры, но не поддерживают протоколы, которые требуют настройки самого коммутатора, в частности, RSTP и VLAN. Поскольку коммутатор неуправляемый, то и настраивать там нечего, все, что он реализует, работает либо автоматически (например, определение скорости и кроссировки), либо является защитным механизмом (например, защита от широковещательного шторма). Такие коммутаторы обычно устанавливаются для подключения пользователей как наиболее недорогие.
Следующий, уже более «продвинутый», тип коммутатора — «настраиваемый» (smart). Этот тип может содержать поддержку протоколов логической топологии и некоторых других, таких, как транкование и VLAN, поскольку поддерживает настройку. Он является переходным звеном между неуправляемыми и управляемыми коммутаторами, и обычно применяется там, где функционал неуправляемого недостаточен, а управляемого избыточен.
Самый «умный» тип коммутатора — «управляемый» (manageable). Он уже поддерживает не только настройку «умных» протоколов, но и мониторинг портов, что позволяет, например, снимать статистику по переданному трафику и количеству ошибок для каждого порта. Это самый дорогой тип коммутатора второго уровня, поскольку он же самый функциональный.
Существуют также коммутаторы третьего уровня, они управляемые по определению, но являются гибридом коммутатора и маршрутизатора и будут рассматриваться в статье про третий уровень модели OSI.
По типу исполнения коммутаторы бывают фиксированными, когда уже все порты установлены в коммутаторе, гибридными, когда часть портов установлена, но имеются гнезда для расширения, и модульными, когда коммутатор вообще не содержит портов, а предназначен для установки модулей расширения, которые и содержат порты.
Тип исполнения коммутатора выбирается исходя из текущих потребностей и планов развития. Например, если на данный момент требуется коммутатор с портом Gigabit Ethernet для витой пары, но планируется перевести магистральные каналы на оптику, то стоит покупать гибридный коммутатор с гнездом для модулей GBIC или SFP, что позволит в дальнейшем просто заменить модуль на оптической, но не менять весь коммутатор. Модульные коммутаторы еще более универсальны и применяются обычно в тех местах, где требуются несколько типов портов. Плата за любую универсальность — стоимость, так что выбрать коммутатор нужно, в том числе, и по этому параметру.
Существует технология, которая позволяет подавать питание на небольшие сетевые устройства (такие как точки беспроводного доступа и маршрутизаторы) по той же витой паре, что они подключаются к коммутатору. В некоторых случаях это позволяет установить малогабаритное сетевое оборудование в местах, где это наиболее удобно, но там отсутствует электропроводка. Для подачи питания по витой паре используются либо коммутаторы с поддержкой технологии Power Over Ethernet (PoE), либо многопортовые инжекторы питания для монтажа в стойку, либо индивидуальные инжекторы для включения в разрыв одного кабеля. Неоспоримая польза этой технологии в том, что в случае организации питания PoE-коммутатора от источника бесперебойного питания, в случае падения напряжения питание будет подаваться не только на этот коммутатор, но и на все устройства, подключенные к нему по технологии PoE, что существенно повысит надежность сети на случай проблем с электропитанием.
Канальный уровень сетевой модели OSI
5.1. Общие сведения о канальном уровне
На приемной стороне реализуется обратный процесс декапсуляции, когда из кадра извлекается пакет.
При создании сетей используются различные логические топологии, которые определяют, как узлы общаются через среду, как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: » точка-точка » ( point-to-point ), множественного доступа (multiaccess), широковещательная ( broadcast ) и маркерная ( token passing ).
Совместное использование среды несколькими устройствами реализуется на основе двух основных методов:
Метод CSMA/CD не организует и не обслуживает очередность доступа к среде передачи, поэтому не требует больших вычислительных ресурсов и пропускной способности сети. Однако при высокой загрузке сети количество коллизий возрастает и производительность ( throughput ) снижается. Данный метод использовался в сетях технологии Ethernet, выполненными на концентраторах с полудуплексными проводными соединениями (медными и волоконно-оптическими кабелями).
В отличие от метода множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), метод CSMA/CA позволяет значительно уменьшить количество коллизий в сети с разделяемой средой передачи, но не предотвратить их полностью.
Простое пособие по сетевой модели OSI для начинающих
Открытая сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection model) состоит из семи уровней. Что это за уровни, как устроена модель и какова ее роль при построении сетей — в статье.
Модель OSI является эталонной. Эталонная она потому, что полное название модели выглядит как «Basic Reference Model Open Systems Interconnection model», где Basic Reference Model означает «эталонная модель». Вначале рассмотрим общую информацию, а потом перейдем к частным аспектам.
Принцип устройства сетевой модели
Сетевая модель OSI имеет семь уровней, иерархически расположенных от большего к меньшему. То есть, самым верхним является седьмой (прикладной), а самым нижним — первый (физический). Модель OSI разрабатывалась еще в 1970-х годах, чтобы описать архитектуру и принципы работы сетей передачи данных. Важно помнить, что данные передаются не только по сети интернет, но и в локальных сетях с помощью проводных или беспроводных соединений.
В процессе передачи данных всегда участвуют устройство-отправитель, устройство-получатель, а также сами данные, которые должны быть переданы и получены. С точки зрения рядового пользователя задача элементарна — нужно взять и отправить эти данные. Все, что происходит при отправке и приеме данных, детально описывает семиуровневая модель OSI.
На седьмом уровне информация представляется в виде данных, на первом — в виде бит. Процесс, когда информация отправляется и переходит из данных в биты, называется инкапсуляцией. Обратный процесс, когда информация, полученная в битах на первом уровне, переходит в данные на седьмом, называется декапсуляцией. На каждом из семи уровней информация представляется в виде блоков данных протокола — PDU (Protocol Data Unit).
Рассмотрим на примере: пользователь 1 отправляет картинку, которая обрабатывается на седьмом уровне в виде данных, данные должны пройти все уровни до самого нижнего (первого), где будут представлены как биты. Этот процесс называется инкапсуляцией. Компьютер пользователя 2 принимает биты, которые должны снова стать данными. Этот обратный процесс называется декапсуляция. Что происходит с информацией на каждом из семи уровней, как и где биты переходят в данные мы разберем в этой статье.
Первый, физический уровень (physical layer, L1)
Начнем с самого нижнего уровня. Он отвечает за обмен физическими сигналами между физическими устройствами, «железом». Компьютерное железо не понимает, что такое картинка или что на ней изображено, железу картинка понятна только в виде набора нулей и единиц, то есть бит. В данном случае бит является блоком данных протокола, сокращенно PDU (Protocol Data Unit).
Каждый уровень имеет свои PDU, представляемые в той форме, которая будет понятна на данном уровне и, возможно, на следующем до преобразования. Работа с чистыми данными происходит только на уровнях с пятого по седьмой.
Устройства физического уровня оперируют битами. Они передаются по проводам (например, через оптоволокно) или без проводов (например, через Bluetooth или IRDA, Wi-Fi, GSM, 4G и так далее).
Второй уровень, канальный (data link layer, L2)
Когда два пользователя находятся в одной сети, состоящей только из двух устройств — это идеальный случай. Но что если этих устройств больше?
Второй уровень решает проблему адресации при передаче информации. Канальный уровень получает биты и превращает их в кадры (frame, также «фреймы»). Задача здесь — сформировать кадры с адресом отправителя и получателя, после чего отправить их по сети.
У канального уровня есть два подуровня — это MAC и LLC. MAC (Media Access Control, контроль доступа к среде) отвечает за присвоение физических MAC-адресов, а LLC (Logical Link Control, контроль логической связи) занимается проверкой и исправлением данных, управляет их передачей.
На втором уровне OSI работают коммутаторы, их задача — передать сформированные кадры от одного устройства к другому, используя в качестве адресов только физические MAC-адреса.
Третий уровень, сетевой (network layer, L3)
На третьем уровне появляется новое понятие — маршрутизация. Для этой задачи были созданы устройства третьего уровня — маршрутизаторы (их еще называют роутерами). Маршрутизаторы получают MAC-адрес от коммутаторов с предыдущего уровня и занимаются построением маршрута от одного устройства к другому с учетом всех потенциальных неполадок в сети.
На сетевом уровне активно используется протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол определения адреса). С помощью него 64-битные MAC-адреса преобразуются в 32-битные IP-адреса и наоборот, тем самым обеспечивается инкапсуляция и декапсуляция данных.
Четвертый уровень, транспортный (transport layer, L4)
Все семь уровней модели OSI можно условно разделить на две группы:
Уровни группы Media Layers (L1, L2, L3) занимаются передачей информации (по кабелю или беспроводной сети), используются сетевыми устройствами, такими как коммутаторы, маршрутизаторы и т.п. Уровни группы Host Layers (L4, L5, L6, L7) используются непосредственно на устройствах, будь то стационарные компьютеры или портативные мобильные устройства.
Четвертый уровень — это посредник между Host Layers и Media Layers, относящийся скорее к первым, чем к последним, его главной задачей является транспортировка пакетов. Естественно, при транспортировке возможны потери, но некоторые типы данных более чувствительны к потерям, чем другие. Например, если в тексте потеряются гласные, то будет сложно понять смысл, а если из видеопотока пропадет пара кадров, то это практически никак не скажется на конечном пользователе. Поэтому, при передаче данных, наиболее чувствительных к потерям на транспортном уровне используется протокол TCP, контролирующий целостность доставленной информации.
Для мультимедийных файлов небольшие потери не так важны, гораздо критичнее будет задержка. Для передачи таких данных, наиболее чувствительных к задержкам, используется протокол UDP, позволяющий организовать связь без установки соединения.
При передаче по протоколу TCP, данные делятся на сегменты. Сегмент — это часть пакета. Когда приходит пакет данных, который превышает пропускную способность сети, пакет делится на сегменты допустимого размера. Сегментация пакетов также требуется в ненадежных сетях, когда существует большая вероятность того, что большой пакет будет потерян или отправлен не тому адресату. При передаче данных по протоколу UDP, пакеты данных делятся уже на датаграммы. Датаграмма (datagram) — это тоже часть пакета, но ее нельзя путать с сегментом.
Главное отличие датаграмм в автономности. Каждая датаграмма содержит все необходимые заголовки, чтобы дойти до конечного адресата, поэтому они не зависят от сети, могут доставляться разными маршрутами и в разном порядке. Датаграмма и сегмент — это два PDU транспортного уровня модели OSI. При потере датаграмм или сегментов получаются «битые» куски данных, которые не получится корректно обработать.
Первые четыре уровня — специализация сетевых инженеров, но с последними тремя они не так часто сталкиваются, потому что пятым, шестым и седьмым занимаются разработчики.
Пятый уровень, сеансовый (session layer, L5)
Пятый уровень оперирует чистыми данными; помимо пятого, чистые данные используются также на шестом и седьмом уровне. Сеансовый уровень отвечает за поддержку сеанса или сессии связи. Пятый уровень оказывает услугу следующему: управляет взаимодействием между приложениями, открывает возможности синхронизации задач, завершения сеанса, обмена информации.
Службы сеансового уровня зачастую применяются в средах приложений, требующих удаленного вызова процедур, т.е. чтобы запрашивать выполнение действий на удаленных компьютерах или независимых системах на одном устройстве (при наличии нескольких ОС).
Примером работы пятого уровня может служить видеозвонок по сети. Во время видеосвязи необходимо, чтобы два потока данных (аудио и видео) шли синхронно. Когда к разговору двоих человек прибавится третий — получится уже конференция. Задача пятого уровня — сделать так, чтобы собеседники могли понять, кто сейчас говорит.
Шестой уровень, представления данных (presentation layer, L6)
О задачах уровня представления вновь говорит его название. Шестой уровень занимается тем, что представляет данные (которые все еще являются PDU) в понятном человеку и машине виде. Например, когда одно устройство умеет отображать текст только в кодировке ASCII, а другое только в UTF-8, перевод текста из одной кодировки в другую происходит на шестом уровне.
Шестой уровень также занимается представлением картинок (в JPEG, GIF и т.д.), а также видео-аудио (в MPEG, QuickTime). Помимо перечисленного, шестой уровень занимается шифрованием данных, когда при передаче их необходимо защитить.
Седьмой уровень, прикладной (application layer)
Седьмой уровень иногда еще называют уровень приложений, но чтобы не запутаться можно использовать оригинальное название — application layer. Прикладной уровень — это то, с чем взаимодействуют пользователи, своего рода графический интерфейс всей модели OSI, с другими он взаимодействует по минимуму.
Все услуги, получаемые седьмым уровнем от других, используются для доставки данных до пользователя. Протоколам седьмого уровня не требуется обеспечивать маршрутизацию или гарантировать доставку данных, когда об этом уже позаботились предыдущие шесть. Задача седьмого уровня — использовать свои протоколы, чтобы пользователь увидел данные в понятном ему виде.
Протоколы здесь используют UDP (например, DHCP, FTP) или TCP (например, HTTP, HTTPS, SFTP (Simple FTP), DNS). Прикладной уровень является самым верхним по иерархии, но при этом его легче всего объяснить.
Критика модели OSI
Семиуровневая модель была принята в качестве стандарта ISO/IEC 7498, действующего по сей день, однако, модель имеет свои недостатки. Среди основных недостатков говорят о неподходящем времени, плохой технологии, поздней имплементации, неудачной политике.
Первый недостаток — это неподходящее время. На разработку модели было потрачено неоправданно большое количество времени, но разработчики не уделили достаточное внимание существующим в то время стандартам. В связи с этим модель обвиняют в том, что она не отражает действительность. В таких утверждениях есть доля истины, ведь уже на момент появления OSI другие компании были больше готовы работать с получившей широкое распространение моделью TCP/IP.
Вторым недостатком называют плохую технологию. Как основной довод в пользу того, что OSI — это плохая технология, приводят распространенность стека TCP/IP. Протоколы OSI часто дублируют другу друга, функции распределены по уровням неравнозначно, а одни и те же задачи могут быть решены на разных уровнях.
Разделение на семь уровней было скорее политическим, чем техническим. При построении сетей в реальности редко используют уровни 5 и 6, а часто можно обойтись только первыми четырьмя. Даже изначальное описание архитектуры в распечатанном виде имеет толщину в один метр.
Кроме того, в отличие от TCP/IP, OSI никогда не ассоциировалась с UNIX. Добиться широкого распространения OSI не получилось потому, что она проектировалась как закрытая модель, продвигаемая Европейскими телекоммуникационными компаниями и правительством США. Стек протоколов TCP/IP изначально был открыт для всех, что позволило ему набрать популярность среди сторонников открытого программного кода.
Даже несмотря на то, что основные проблемы архитектуры OSI были политическими, репутация была запятнана и модель не получила распространения. Тем не менее, в сетевых технологиях, при работе с коммутацией даже сегодня обычно используют модель OSI.
Вывод, роль модели OSI при построении сетей
В статье мы рассмотрели принципы построения сетевой модели OSI. На каждом из семи уровней модели выполняется своя задача. В действительности архитектура OSI сложнее, чем мы описали. Существуют и другие уровни, например, сервисный, который встречается в интеллектуальных или сотовых сетях, или восьмой — так называют самого пользователя.
Как мы упоминали выше, оригинальное описание всех принципов построения сетей в рамках этой модели, если его распечатать, будет иметь толщину в один метр. Но компании активно используют OSI как эталон. Мы перечислили только основную структуру словами, понятными начинающим.
Модель OSI служит инструментом при диагностике сетей. Если в сети что-то не работает, то гораздо проще определить уровень, на котором произошла неполадка, чем пытаться перестроить всю сеть заново.
Зная архитектуру сети, гораздо проще ее строить и диагностировать. Как нельзя построить дом, не зная его архитектуры, так невозможно построить сеть, не зная модели OSI. При проектировании важно учитывать все. Важно учесть взаимодействие каждого уровня с другими, насколько обеспечивается безопасность, шифрование данных внутри сети, какой прирост пользователей выдержит сеть без обрушения, будет ли возможно перенести сеть на другую машину и т.д. Каждый из перечисленных критериев укладывается в функции одного из семи уровней.
