Osi модел на компютърни мрежи. Какво представлява седемстепенният OSI модел - защо е необходим и как работи

За унифицирано представяне на данни в мрежи с разнородни устройства и софтуер Международната организация по стандартизация (ISO) разработи основен комуникационен модел отворени системи OSI (Open System Interconnection). Този модел описва правилата и процедурите за предаване на данни в различни мрежови среди при установяване на комуникационна сесия. Основните елементи на модела са слоеве, приложни процеси и физическа свързаност. На фиг. 1.10 показва структурата на основния модел.

Всеки слой от OSI модела изпълнява специфична задача в процеса на предаване на данни през мрежата. Основният модел е основата за разработване на мрежови протоколи. OSI разделя комуникационните функции на мрежата на седем слоя, всеки от които обслужва различна част от процеса на взаимно свързване на отворените системи.

Моделът OSI описва само системните комуникации, а не приложенията на крайния потребител. Приложенията реализират свои собствени комуникационни протоколи, като се позовават на системни настройки.

Ориз. 1.10. OSI модел

Ако дадено приложение може да поеме функциите на някои от горните слоеве на OSI модела, то за обмен на данни то получава достъп до системните инструменти, които изпълняват функциите на останалите долни слоеве на OSI модела.

Взаимодействие на слоя на модела OSI

Моделът OSI може да бъде категоризиран в два различни модела, както е показано на фиг. 1.11:

Хоризонтален модел, базиран на протоколи, който осигурява механизъм за взаимодействие на програми и процеси на различни машини;

Вертикален модел, базиран на услуги, предоставяни от съседни слоеве един на друг на една и съща машина.

Всяко ниво на изпращащия компютър взаимодейства със същото ниво на получаващия компютър, сякаш е директно свързан. Такава връзка се нарича логическа или виртуална връзка. В действителност взаимодействието се осъществява между съседни нива на един и същ компютър.

Така че информацията на изпращащия компютър трябва да премине през всички нива. След това се предава през физическата среда към приемащия компютър и отново преминава през всички слоеве, докато достигне същото ниво, от което е изпратен на изпращащия компютър.

В хоризонталния модел двете програми изискват общ протокол за обмен на данни. Във вертикалния модел съседните слоеве комуникират с помощта на API (интерфейс за програмиране на приложения).

Ориз. 1.11. Диаграма на взаимодействието на компютрите в основния референтен модел на OSI

Данните се разделят на пакети, преди да бъдат изпратени до мрежата. Пакетът е единица информация, предавана между станциите в мрежата.

При изпращане на данни пакетът преминава последователно през всички слоеве на софтуера. На всяко ниво към пакета се добавя контролна информация от това ниво (заглавка), която е необходима за успешното предаване на данни през мрежата, както е показано на фиг. 1.12, където Zag е заглавката на пакета, Kon е краят на пакета.

От приемащата страна пакетът преминава през всички слоеве в обратен ред. На всеки слой протоколът на този слой чете информацията за пакета, след това премахва информацията, добавена към пакета на същото ниво от изпращащата страна, и предава пакета на следващия слой. Когато пакетът достигне слоя на приложението, цялата контролна информация ще бъде премахната от пакета и данните ще се върнат в първоначалния си вид.

Ориз. 1.12. Формиране на пакета на всяко ниво от седемстепенния модел

Всяко ниво на модела изпълнява своята функция. Колкото по-високо е нивото, толкова по-трудно решава проблема.

Удобно е да се мисли за отделните слоеве на OSI модела като групи от програми, предназначени да изпълняват специфични функции. Един слой, например, отговаря за осигуряването на преобразуване на данни от ASCII в EBCDIC и съдържа програмите, необходими за изпълнение на тази задача.

Всеки слой предоставя услуга на по-високия слой, като на свой ред изисква услугата от по-ниския слой. Горните слоеве изискват услуга по почти същия начин: като правило е изискване да се насочат някои данни от една мрежа към друга. Практическото прилагане на принципите на адресиране на данни е възложено на по-ниските нива. На фиг. 1.13 предоставя кратко описание на функциите на всички нива.

Ориз. 1.13. Функции на слоя на модела OSI

Разглежданият модел дефинира взаимодействието на отворени системи от различни производители в една и съща мрежа. Следователно тя извършва координиращи действия за тях върху:

Взаимодействие на приложените процеси;

Формуляри за представяне на данни;

Еднакво съхранение на данни;

Управление на мрежовите ресурси;

Сигурност на данните и защита на информацията;

Диагностика на програми и технически средства.

Приложен слой

Приложният слой осигурява на приложните процеси средства за достъп до зоната на взаимодействие, е горно (седмо) ниво и пряко приляга към процесите на приложение.

В действителност приложният слой е колекция от различни протоколи, които позволяват на мрежовите потребители да имат достъп до споделени ресурси като файлове, принтери или хипертекстови уеб страници и да организират сътрудничеството си, като например използването на протокола за електронна поща. Специфичните за приложението сервизни елементи предоставят услуга за специфични приложни програми, като прехвърляне на файлове и програми за емулация на терминал. Ако например дадена програма трябва да изпрати файлове, тогава ще се използва протоколът за прехвърляне на файлове, достъп и управление FTAM (Прехвърляне на файлове, достъп и управление). В модела OSI приложение, което трябва да изпълни конкретна задача (например да актуализира база данни на компютър), изпраща конкретни данни като дейтаграма към слоя на приложението. Една от основните задачи на този слой е да определи как трябва да се обработва заявката на дадено приложение, с други думи, какъв вид заявка трябва да приеме дадената заявка.

Единицата данни, с която работи слоят на приложението, обикновено се нарича съобщение.

Приложният слой изпълнява следните функции:

1. Извършване на различни видове работа.

Прехвърляне на файл;

Управление на работата;

Управление на системата и др.

2. Идентификация на потребителите по техните пароли, адреси, електронни подписи;

3. Определяне на функциониращи абонати и възможност за достъп до нови процеси на кандидатстване;

4. Определяне на адекватността на наличните ресурси;

5. Организиране на заявки за връзка с други процеси на приложение;

6. Прехвърляне на заявления на представително ниво за необходимите методи за описание на информация;

7. Избор на процедури за планирания диалог на процесите;

8. Управление на обменяните данни от приложните процеси и синхронизиране на взаимодействието на приложните процеси;

9. Определяне на качеството на услугата (време на доставка на блокове от данни, допустим процент грешки);

10. Споразумение за коригиране на грешки и валидиране на данните;

11. Договаряне на ограничения, наложени върху синтаксиса (набори от знаци, структура на данни).

Тези функции определят видовете услуги, които приложният слой предоставя на приложните процеси. В допълнение, приложният слой прехвърля към приложението обработва услугата, предоставена от физическия, каналния, мрежовия, транспортния, сесиен и презентационен слой.

На ниво приложение е необходимо да се предостави на потребителите вече обработената информация. Системният и потребителският софтуер могат да се справят с това.

Приложният слой е отговорен за достъпа на приложенията до мрежата. Задачите на този слой са прехвърляне на файлове, изпращане на имейл съобщения и управление на мрежата.

Най-често срещаните протоколи в горните три слоя са:

FTP ( Прехвърляне на файлПротокол) протокол за прехвърляне на файлове;

TFTP (Trivial File Transfer Protocol) е най-простият протокол за прехвърляне на файлове;

X.400 имейл;

Telnet работа с отдалечен терминал;

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) е прост протокол за обмен на поща;

CMIP (Common Management Information Protocol) общ протокол за управление на информацията;

SLIP (Serial Line IP) IP за серийни линии. Протокол за сериен пренос на данни символ по знак;

SNMP (Simple Network Management Protocol) е прост протокол за управление на мрежата;

FTAM (File Transfer, Access, and Management) е протокол за прехвърляне на файлове, достъп и управление.

Слой за презентация

Функциите на това ниво са представяне на данни, прехвърлени между процесите на приложение в необходимата форма.

Този слой гарантира, че информацията, предавана от слоя на приложението, ще бъде разбрана от слоя на приложението в друга система. Ако е необходимо, слоят за представяне, в момента на прехвърляне на информация, преобразува форматите на данните в определен общ формат за представяне и в момента на приемане, съответно, извършва обратната трансформация. По този начин приложните слоеве могат да преодолеят, например, синтактичните различия в представянето на данните. Тази ситуация може да възникне в LAN с хетерогенни компютри (IBM PC и Macintosh), които трябва да обменят данни. Така че в полетата на базите данни информацията трябва да бъде представена под формата на букви и цифри, а често и под формата на графично изображение. Трябва да обработите тези данни, например, като числа с плаваща запетая.

Общото представяне на данните се базира на системата ASN.1, унифицирана за всички нива на модела. Тази система служи за описание на структурата на файловете, а също така ви позволява да решите проблема с криптирането на данни. На това ниво може да се извърши криптиране и декриптиране на данни, благодарение на което се гарантира тайната на обмена на данни за всички приложни услуги наведнъж. Пример за такъв протокол е Secure Socket Layer (SSL), който осигурява защитени съобщения за протоколите на приложния слой на TCP/IP стека. Този слой осигурява преобразуване на данни (кодиране, компресиране и т.н.) на приложния слой в поток от информация за транспортния слой.

Представителното ниво изпълнява следните основни функции:

1. Генериране на заявки за установяване на сесии на взаимодействие между процесите на приложението.

2. Координиране на представянето на данни между процесите на приложение.

3. Внедряване на форми за представяне на данни.

4. Представяне на графичен материал (чертежи, картини, схеми).

5. Класификация на данните.

6. Прехвърляне на заявки за прекратяване на сесии.

Протоколите на слоя за представяне обикновено са част от първите три протокола на моделния слой.

Сесионен слой

Слоят на сесията е слоят, който дефинира процедурата за провеждане на сесии между потребители или процеси на приложение.

Слоят на сесията осигурява контрол на разговора, за да запише коя страна е активна в момента, а също така осигурява средства за синхронизация. Последните позволяват вмъкване на точки на прекъсване в дълги пасове, така че ако възникне грешка, можете да се върнете към последната точка на прекъсване, вместо да започнете отначало. На практика малко приложения използват слоя на сесията и рядко се прилага.

Сесийният слой управлява трансфера на информация между процесите на приложението, координира приемането, предаването и издаването на една комуникационна сесия. Освен това слоят на сесията допълнително съдържа функциите за управление на пароли, управление на диалог, синхронизиране и анулиране на комуникация в предавателната сесия след неуспех поради грешки в по-ниските слоеве. Функциите на този слой са да координира комуникацията между две приложения, работещи на различни работни станции. Това се случва под формата на добре структуриран диалог. Тези функции включват създаване на сесия, контролиране на предаването и приемането на пакети от съобщения по време на сесия и прекратяване на сесия.

На ниво сесия се определя какъв ще бъде трансферът между два процеса на приложение:

Полудуплекс (процесите ще предават и получават данни на свой ред);

Дуплекс (процесите ще предават данни и ще ги получават едновременно).

В полудуплексен режим сесийният слой издава токен за данни към процеса, който започва прехвърлянето. Когато дойде време вторият процес да отговори, към него се предава токен за данни. Слоят на сесията позволява предаване само на страната, която притежава маркера за данни.

Слоят на сесията предоставя следните функции:

1. Установяване и прекратяване на ниво сесия на връзката между взаимодействащи системи.

2. Извършване на нормален и спешен обмен на данни между процесите на приложение.

3. Управление на взаимодействието на приложните процеси.

4. Синхронизиране на сесийни връзки.

5. Уведомяване на процесите на кандидатстване за извънредни ситуации.

6. Установяване на етикети в процеса на приложение, които позволяват след неуспех или грешка да се възстанови изпълнението му от най-близкия етикет.

7. Прекъсване, ако е необходимо, на процеса на кандидатстване и правилното му възобновяване.

8. Прекратяване на сесията без загуба на данни.

9. Изпращане на специални съобщения за хода на сесията.

Слоят на сесията е отговорен за организирането на сесии за обмен на данни между крайните машини. Протоколите за сесия обикновено са част от горните три слоя на модела.

Транспортен слой

Транспортният слой е предназначен за предаване на пакети през комуникационна мрежа. На транспортно ниво пакетите се разделят на блокове.

По пътя от подател до получател пакетите могат да бъдат изкривени или загубени. Докато някои приложения имат свои собствени средства за обработка на грешки, има някои, които предпочитат да се справят с надеждна връзка веднага. Работата на транспортния слой е да гарантира, че приложенията или горните слоеве на модела (приложение и сесия) прехвърлят данни със степента на надеждност, която изискват. Моделът OSI дефинира пет класа услуги, предоставяни от транспортния слой. Тези видове услуги се отличават с качеството на предоставяните услуги: спешност, възможност за възстановяване на прекъсната връзка, наличието на мултиплексиращи средства за множество връзки между различни приложни протоколи чрез общ транспортен протокол и най-важното, възможността за откриване и коригират грешки при предаването, като изкривяване, загуба и дублиране на пакети.

Транспортният слой определя адресирането физически устройства(системи, техните части) в мрежата. Този слой гарантира доставката на блокове информация до адресатите и контролира тази доставка. Основната му задача е да осигури ефективни, удобни и надеждни форми на пренос на информация между системите. Когато се обработват повече от един пакет, транспортният слой контролира реда, в който пакетите преминават. Ако дубликат на получено по-рано съобщение премине, тогава този слой разпознава това и игнорира съобщението.

Функциите на транспортния слой включват:

1. Управление на предаването по мрежата и осигуряване на целостта на блоковете данни.

2. Откриване на грешки, тяхното частично отстраняване и отчитане на некоригирани грешки.

3. Възстановяване на трансмисията след повреди и неизправности.

4. Консолидиране или разделяне на блокове от данни.

5. Даване на приоритети при прехвърляне на блокове (нормални или спешни).

6. Потвърждение на прехвърлянето.

7. Елиминиране на блокове при застой в мрежата.

Започвайки с транспортния слой, всички горни протоколи се изпълняват от софтуер, обикновено включен в мрежовата операционна система.

Най-често срещаните протоколи на транспортния слой включват:

TCP (Transmission Control Protocol) TCP / IP протокол за управление на предаването на стека;

UDP (User Datagram Protocol) TCP / IP стек потребителски дейтаграма протокол;

NCP (NetWare Core Protocol) е основният протокол за мрежите на NetWare;

SPX (Sequenced Packet eXchange) подреденият обмен на пакети в стека Novell;

TP4 (Transmission Protocol) е протокол за предаване от клас 4.

Мрежов слой

Мрежов слойосигурява полагане на канали, свързващи абонатни и административни системи през комуникационната мрежа, избор на маршрут по най-бързия и надежден начин.

Мрежовият слой установява комуникация в компютърна мрежамежду двете системи и осигурява полагането на виртуални канали между тях. Виртуален или логически канал е такова функциониране на мрежовите компоненти, което създава илюзията за полагане на необходимия път между взаимодействащите компоненти. Освен това мрежовият слой отчита грешки на транспортния слой. Съобщенията на мрежовия слой обикновено се наричат ​​пакети. В тях се поставят парчета данни. Мрежовият слой е отговорен за тяхното адресиране и доставка.

Поставянето на най-добрия път за предаване на данни се нарича маршрутизиране и неговото решаване е основната задача на мрежовия слой. Този проблем се усложнява от факта, че най-краткият път не винаги е най-добрият. Често критерият за избор на маршрут е времето на предаване на данни по този маршрут; зависи от честотната лента на комуникационните канали и интензитета на трафика, който може да се променя с течение на времето. Някои алгоритми за маршрутизиране се опитват да се адаптират към промените в натоварването, докато други вземат решения въз основа на средни стойности във времето. Изборът на маршрут може да се извърши според други критерии, например надеждност на предаването.

Протоколът на слоя на връзката осигурява доставката на данни между всички възли само в мрежа с подходяща типична топология. Това е много сериозно ограничение, което не позволява изграждане на мрежи с развита структура, например мрежи, които комбинират няколко корпоративни мрежи в една мрежа, или високонадеждни мрежи, в които има излишни връзки между възлите.

По този начин в рамките на мрежата доставката на данни се регулира от слоя на връзката, докато мрежовият слой е отговорен за доставката на данни между мрежите. При организиране на доставка на пакети на мрежово ниво се използва концепцията за мрежов номер. В този случай адресът на получателя се състои от номер на мрежата и номер на компютър в тази мрежа.

Мрежите са свързани помежду си чрез специални устройства, наречени рутери. Рутерът е устройство, което събира информация за топологията между тях интернет връзкаи на негова основа препраща пакетите на мрежовия слой към мрежата местоназначение. За да прехвърлите съобщение от подател, намиращ се в една мрежа, към получател, намиращ се в друга мрежа, трябва да направите определен брой скокове между мрежите, като всеки път избирате подходящ маршрут. По този начин маршрутът е поредица от рутери, през които преминава пакет.

Мрежовият слой е отговорен за разделянето на потребителите на групи и маршрутизирането на пакети въз основа на превода на MAC адресите в мрежови адреси... Мрежовият слой също така осигурява прозрачно предаване на пакети към транспортния слой.

Мрежовият слой изпълнява функциите:

1. Създаване на мрежови връзки и идентифициране на техните портове.

2. Откриване и коригиране на грешки, възникнали при предаване през комуникационната мрежа.

3. Контрол на пакетния поток.

4. Организация (подреждане) на последователности от пакети.

5. Маршрутизиране и превключване.

6. Сегментиране и консолидиране на пакети.

На мрежовия слой са дефинирани два вида протоколи. Първият тип се отнася до дефинирането на правила за трансфер на пакети с данни на крайни възли от възел към рутер и между рутери. Това са протоколите, които обикновено се споменават, когато се говори за протоколи на мрежовия слой. Въпреки това, друг тип протокол, наречен протоколи за обмен на информация за маршрутизиране, често се нарича мрежов слой. Маршрутизаторите използват тези протоколи, за да събират информация за топологията на взаимното свързване.

Протоколите на мрежовия слой се реализират от софтуерни модули на операционната система, както и от софтуер и хардуер на рутери.

Най-често използваните протоколи на мрежово ниво са:

IP (Internet Protocol) Internet Protocol, мрежов протокол на TCP/IP стека, който предоставя информация за адрес и маршрутизиране;

IPX (Internetwork Packet Exchange) е мрежов протокол за обмен на пакети за адресиране и маршрутизиране на пакети в мрежи на Novell;

X.25 е международният стандарт за глобални комуникациипакетно комутиране (този протокол е частично реализиран на слой 2);

CLNP (Connection Less Network Protocol) е мрежов протокол без връзка.

Връзка за данни

Единица информация свързващ слойса рамки. Рамките са логично организирана структура, в която можете да поставите данни. Задачата на слоя на връзката е да прехвърля кадри от мрежовия към физическия слой.

На физическия слой битовете просто се прехвърлят. Това не отчита, че в някои мрежи, в които комуникационните линии се използват последователно от няколко двойки взаимодействащи компютри, физическата среда за предаване може да е заета. Следователно една от задачите на слоя на връзката е да провери наличността на предавателната среда. Друга задача на слоя за връзка за данни е да прилага механизми за откриване и коригиране на грешки.

Слоят на връзката гарантира, че всеки кадър се предава правилно, като поставя специална последователност от битове в началото и края на всеки кадър, за да го маркира, а също така изчислява контролна сума, като сумира всички байтове на кадъра по определен начин и добавя контролната сума към рамката. Когато пристигне кадър, приемникът отново изчислява контролната сума на получените данни и сравнява резултата с контролната сума от кадъра. Ако съвпадат, рамката се счита за правилна и приета. Ако контролните суми не съвпадат, тогава се записва грешка.

Задачата на слоя на връзката е да вземе пакети, идващи от мрежовия слой и да ги подготви за предаване, като ги постави в рамка с подходящ размер. Този слой е необходим, за да определи къде започва и завършва блокът, както и за откриване на грешки при предаване.

Правилата за използване са определени на същото ниво. физически слоймрежови възли. Електрическото представяне на данните в LAN (битове от данни, методи за кодиране на данни и маркери) се разпознават на това и само на това ниво. Това е мястото, където грешките се откриват и коригират (чрез заявки за повторно предаване).

Връзковият слой осигурява създаването, предаването и приемането на кадри от данни. Този слой обслужва заявки на мрежовия слой и използва услугата на физическия слой за получаване и предаване на пакети. Спецификациите на IEEE 802.X разделят слоя на връзката за данни на два подслоя:

LLC (Logical Link Control) е контрол на логическата връзка. Подслоят LLC предоставя услуги на мрежовия слой и е свързан с изпращане и получаване на потребителски съобщения.

MAC (Media Assess Control) контрол на достъпа до медиите. Подслоят MAC регулира достъпа до споделената физическа среда (прехвърляне на токени или откриване на сблъсък или сблъсък) и контролира достъпа до комуникационния канал. Подслоят LLC е над подслоя MAC.

Връзковият слой определя достъпа до медиите и контрола на предаването чрез процедура за връзка за данни.

Когато размерът на предаваните блокове данни е голям, слоят на връзката ги разделя на кадри и предава кадрите под формата на последователности.

При получаване на кадри, слоят формира от тях предадените блокове данни. Размерът на блока от данни зависи от метода на предаване, от качеството на канала, по който се предава.

В локалните мрежи протоколите на слоя на връзката се използват от компютри, мостове, комутатори и рутери. В компютрите функциите на слоя на връзката се изпълняват съвместно от мрежови адаптери и техните драйвери.

Слоят на връзката може да изпълнява следните типове функции:

1. Организиране (установяване, управление, прекратяване) на канални връзки и идентифициране на техните портове.

2. Организация и трансфер на персонал.

3. Откриване и коригиране на грешки.

4. Контрол на потока от данни.

5. Осигуряване на прозрачност на логическите канали (предаване на данни, кодирани по всякакъв начин).

Най-често използваните протоколи на слоя на връзката включват:

HDLC (High Level Data Link Control) протокол за управление на връзките за данни от високо ниво за серийни връзки;

IEEE 802.2 LLC (Тип I и Тип II) предоставя MAC за 802.x среди;

Ethernet мрежова технология в съответствие със стандарта IEEE 802.3 за мрежи, използващи топология на шината и споделен достъп с прослушване на носителя и откриване на сблъсък;

Мрежова технология на Token ring съгласно стандарта IEEE 802.5, използваща топология на пръстена и метод за предаване на токен за достъп до пръстена;

FDDI (Fiber Distributed Date Interface Station) е мрежова технология IEEE 802.6, използваща оптични носители;

X.25 е международен стандарт за глобални комуникации с комутиране на пакети;

Frame relay мрежа, организирана от X25 и ISDN технологии.

Физически слой

Физическият слой е проектиран да взаимодейства с с физически средствавръзки. Физическата свързаност е съвкупност от физически носители, хардуер и софтуерни инструментикойто осигурява предаване на сигнал между системите.

Физическата среда е материална субстанция, чрез която се предават сигнали. Физическата среда е основата, върху която се гради физическата свързаност. Етер, метали, оптично стъкло и кварц са широко използвани като физическа среда.

Физическият слой се състои от среден докинг подслой и подслой за преобразуване на предаване.

Първият от тях осигурява интерфейса на потока от данни с използвания физически комуникационен канал. Вторият извършва трансформации, свързани с приложените протоколи. Физическият слой осигурява физически интерфейс с канал за данни и също така описва процедурите за предаване на сигнали към и от канала. Това ниво определя електрическите, механичните, функционалните и процедурните параметри за физическа връзкав системите. Физическият слой получава пакети данни от горния слой на връзката и ги преобразува в оптични или електрически сигнали, съответстващи на 0 и 1 от двоичния поток. Тези сигнали се изпращат през предавателната среда към приемащия възел. Механичните и електрически/оптичните свойства на предавателната среда се определят на физическо ниво и включват:

Тип кабели и конектори;

Изводи в конекторите;

Схема за кодиране на сигнала за стойности 0 и 1.

Физическият слой изпълнява следните функции:

1. Установяване и прекъсване на физически връзки.

2. Последователно предаване и приемане на код.

3. Прослушване, ако е необходимо, канали.

4. Идентификация на канали.

5. Уведомяване за неизправности и повреди.

Уведомяването за неизправности и повреди се дължи на факта, че на физическия слой се открива определен клас събития, които пречат на нормалната работа на мрежата (сблъсък на кадри, изпратени от няколко системи наведнъж, повреда на канала, прекъсване на захранването, загуба на механичен контакт и др.). Типовете услуги, предоставяни на слоя за връзка за данни, се определят от протоколите на физическия слой. Слушането на канал е необходимо, когато група системи е свързана към един канал, но само една от тях има право да предава сигнали по едно и също време. Следователно, слушането на канала ви позволява да определите дали е безплатен за предаване. В някои случаи, за по-ясно дефиниране на структурата, физическият слой е разделен на няколко поднива. Например физическият слой на безжичната мрежа е разделен на три поднива (фигура 1.14).

Ориз. 1.14. Физически слой на безжична LAN

Функциите на физическия слой се изпълняват във всички устройства, свързани към мрежата. От страна на компютъра, функциите на физическия слой се изпълняват от мрежовия адаптер. Повторителите са единственият тип оборудване, което работи само на физическия слой.

Физическият слой може да осигури както асинхронно (серийно), така и синхронно (паралелно) предаване, което се използва за някои мейнфрейми и мини-компютри. На физическия слой трябва да бъде дефинирана схема за кодиране, която да представя двоични стойности за предаване по комуникационен канал. Много локални мрежи използват кодиране на Манчестър.

Пример за протокол за физически слой е спецификацията 10Base-T на Ethernet технологията, която определя кабела, който трябва да се използва като неекраниран кабел с усукана двойка от категория 3 s. вълнов импеданс 100 Ohm, RJ-45 конектор, максимална дължина на физически сегмент 100 метра, Манчестър код за представяне на данни и други характеристики на околната среда и електрически сигнали.

Някои от най-често срещаните спецификации на физическия слой са:

EIA-RS-232-C, CCITT V.24 / V.28 - механични / електрически характеристики на небалансиран сериен интерфейс;

EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - Механични, електрически и оптични характеристики на балансиран сериен интерфейс;

Ethernet е мрежова технология в съответствие със стандарта IEEE 802.3 за мрежи, използващи топология на шината и споделен достъп с прослушване на носителя и откриване на сблъсък;

Token ring е мрежова технология IEEE 802.5, която използва топология на пръстена и метод за предаване на токен за достъп до пръстена.

Референтният модел OSI е 7-слойна мрежова йерархия, създадена от Международната организация по стандартизация (ISO). Моделът, показан на фигура 1, има 2 различни модела:

• хоризонтален модел, базиран на протоколи, който реализира взаимодействието на процеси и софтуер на различни машини
• вертикален модел, базиран на услуги, реализирани от съседни слоеве един към друг на една и съща машина

Във вертикално съседните нива се обменят с информация с помощта на API. Хоризонталният модел изисква общ протокол за обмен на информация на едно ниво.

Снимка 1

Моделът OSI описва само комуникационните методи на системата, реализирани от ОС, софтуер и др. Моделът не включва методи за взаимодействие с крайния потребител. В идеалния случай приложенията трябва да имат достъп до горния слой на OSI модела, но на практика много протоколи и програми имат методи за достъп до долните слоеве.

Физически слой

На физическо ниво данните се представят под формата на електрически или оптични сигнали, съответстващи на 1 и 0 от двоичния поток. Параметрите на предавателната среда се определят на физическо ниво:

• вид конектори и кабели
• разпределение на щифтове в конекторите
• верига за кодиране на сигнала 0 и 1

Най-често срещаните типове спецификации на това ниво са:

• - небалансирани параметри на сериен интерфейс
• - балансирани параметри на сериен интерфейс
• IEEE 802.3 -
• IEEE 802.5 -

На физическо ниво не можете да разберете значението на данните, тъй като те са представени под формата на битове.

Връзков слой

Този канал реализира транспортирането и приемането на кадри от данни. Слоят изпълнява заявки на мрежовия слой и използва физическия слой за предаване и приемане. Спецификациите на IEEE 802.x разделят този слой на два подслоя, контрол на логическата връзка (LLC) и контрол на достъпа до медиите (MAC). Най-често срещаните протоколи на това ниво са:

• IEEE 802.2 LLC и MAC
• Ethernet
• Token Ring

Той също така реализира откриване и коригиране на грешки при предаване на това ниво. В слоя за връзка за данни пакетът се поставя в полето за данни на рамката - капсулиране. Откриването на грешки е възможно чрез различни методи. Например прилагането на фиксирани граници на рамката или контролна сума.

Мрежов слой

На това ниво потребителите на мрежата са разделени на групи. Тук се реализира маршрутизирането на пакети въз основа на MAC адреси. Мрежовият слой реализира прозрачно предаване на пакети към транспортния слой. На това ниво се изтриват границите на мрежите от различни технологии. работа на това ниво. Пример за това как работи мрежовият слой е показан на фиг. 2. Най-често срещаните протоколи са:

Чертеж - 2

Транспортен слой

На това ниво информационните потоци се разделят на пакети за предаване на мрежово ниво. Най-често срещаните протоколи на това ниво са:

• TCP - протокол за управление на предаването

Ниво на сесия

На това ниво се извършва организирането на сесии за обмен на информация между терминални машини. На това ниво се определя активната страна и сесията се синхронизира. На практика много други протоколи на слоя включват функция на слоя на сесията.

Слой за презентация

На това ниво се обменят данни между софтуер на различни операционни системи. На това ниво се осъществява преобразуване на информация (, компресия и т.н.) за прехвърляне на информационния поток към транспортния слой. Протоколи на слоя се използват и от тези, които използват по-високите слоеве на модела OSI.

Ниво на приложение

Приложният слой реализира достъпа на приложението до мрежата. Слоят контролира прехвърлянето на файлове и управлението на мрежата. Използвани протоколи:

• FTP / TFTP - Протокол за прехвърляне на файлове
• X 400 - имейл
• Telnet
• CMIP - Управление на информацията
• SNMP - управление на мрежата
• NFS - Мрежова файлова система
• FTAM - метод за достъп до прехвърляне на файлове

OSI мрежов модел(основен референтен модел за взаимно свързване на отворени системи - основен референтен модел за взаимно свързване на отворени системи, съкр. EMVOS; 1978) - мрежов модел на стека от мрежови протоколи OSI / ISO (GOST R ISO / IEC 7498-1-99).

Общи характеристики на модела OSI

Поради продължителното развитие на OSI протоколите, в момента основният използван стек от протоколи е TCP/IP, разработен преди приемането на OSI модела и извън връзката му с него.

До края на 70-те години в света вече съществуват голям брой собствени стекове от комуникационни протоколи, сред които могат да се назоват например такива популярни стекове като DECnet, TCP / IP и SNA. Това разнообразие от средства за взаимодействие изведе на преден план проблема с несъвместимостта между устройства, използващи различни протоколи. Един от начините за решаване на този проблем по това време се разглежда като общ преход към един общ стек от протоколи, общ за всички системи, създаден, като се вземат предвид недостатъците на съществуващите стекове. Този академичен подход за създаване на нов стек започна с разработването на модела OSI и отне седем години (1977 до 1984). Целта на модела OSI е да предостави обобщено представяне на мрежовите инструменти. Той е разработен като вид универсален език за мрежови специалисти, поради което се нарича референтен модел.В модела OSI комуникационните средства се разделят на седем слоя: приложение, презентация, сесия, транспорт, мрежа, канал и физически... Всеки слой се занимава с много специфичен аспект на взаимодействието на мрежовите устройства.

Приложенията могат да реализират свои собствени комуникационни протоколи, използвайки набор от многостепенни системни инструменти за тази цел. Ето защо програмистите разполагат с приложен програмен интерфейс (API). В съответствие с идеалната схема на OSI модела, едно приложение може да отправя заявки само към най-горния слой - слоя на приложението, но на практика много стекове от комуникационни протоколи позволяват на програмистите да имат директен достъп до услуги или услуги под слоевете. Например някои СУБД имат вградени инструменти отдалечен достъпкъм файлове. В този случай приложението чрез достъп отдалечени ресурсине използва услугата за системни файлове; той заобикаля горните слоеве на OSI модела и говори директно със системните инструменти, отговорни за транспортирането на съобщения през мрежата, които се намират в долните слоеве на OSI модела. И така, да предположим, че приложението на възел A иска да взаимодейства с приложението на възел B. За да направи това, приложение A прави заявка към слоя на приложението, например към файловата услуга. Въз основа на това искане софтуерслоят на приложението генерира съобщение в стандартен формат. Но за да се достави тази информация до местоназначението, има още много задачи за решаване, отговорността за които се носи от по-ниските нива. След генериране на съобщението, слоят на приложението го насочва надолу по стека към слоя за презентация. Протоколът на слоя за презентация, базиран на информацията, получена от заглавката на съобщението на слоя на приложението, извършва необходимите действия и добавя своя собствена служебна информация към съобщението - заглавката на слоя на презентация, която съдържа инструкции за протокола на слоя за презентация на машината местоназначение . Полученото съобщение се предава надолу към слоя на сесията, който от своя страна добавя своя собствена заглавка и т.н. (Някои реализации на протокола поставят служебната информация не само в началото на съобщението като заглавка, но и в края като т.н. -наречено трейлър.) Накрая съобщението достига до по-ниския, физически слой, който всъщност го предава по комуникационните линии до машината местоназначение. В този момент съобщението е „обрасло“ със заглавки от всички нива.

Физическият слой поставя съобщение на физическия изходен интерфейс на компютър 1 и то започва своето „пътуване“ по мрежата (до този момент съобщението се предава от един слой на друг в компютър 1). Когато съобщение пристигне по мрежата на входния интерфейс на компютър 2, то се получава от неговия физически слой и последователно се движи нагоре от слой на слой. Всяко ниво анализира и обработва заглавката на своето ниво, изпълнявайки съответните функции, след което премахва тази заглавка и предава съобщението на по-високото ниво. Както се вижда от описанието, протоколните обекти от едно ниво не комуникират директно помежду си, в тази комуникация винаги участват посредници - средства на протоколи от по-ниски нива. И само физическите нива на различни възли взаимодействат директно.

OSI моделни слоеве

В литературата най-често се започва описването на слоевете на OSI модела на 7-ия слой, наречен приложен слой, в който потребителските приложения имат достъп до мрежата. Моделът OSI завършва с 1-ви слой - физически, който определя стандартите, изисквани от независимите производители за медиите за предаване на данни:

• вид на предавателната среда (меден кабел, оптични влакна, радио и др.),
• тип модулация на сигнала,
• сигнални нива на логически дискретни състояния (нула и едно).

Всеки протокол на модела OSI трябва да взаимодейства или с протоколите на неговото ниво, или с протоколи, разположени една единица над и/или под неговото ниво. Взаимодействията с протоколи от собствено ниво се наричат ​​хоризонтални, а с нива едно по-високо или по-ниско се наричат ​​вертикални. Всеки протокол от OSI модела може да изпълнява само функциите на своя слой и не може да изпълнява функциите на друг слой, което не се изпълнява в протоколите на алтернативните модели.

Всяко ниво, с известна степен на условност, има свой операнд - логически неделим елемент от данни, който може да се управлява на отделно ниво в рамките на модела и използваните протоколи: на физическо ниво най-малката единица е бит, на ниво връзка за данни информацията се комбинира в кадри, на мрежово ниво - в пакети (дейтаграми), на транспорт - в сегменти. Всяка част от данни, логично комбинирана за предаване - рамка, пакет, дейтаграма - се счита за съобщение. По принцип съобщенията са операндите на нивата на сесия, презентация и приложение.

Основните мрежови технологии включват физическия слой и слоя за връзка за данни.

Ниво на приложение

Приложен слой (приложен слой) - най-горното ниво на модела, което осигурява взаимодействие на потребителските приложения с мрежата:

• Позволява на приложенията да консумират мрежови услуги:
  • отдалечен достъп до файлове и бази данни,
  • препращане на имейл;
• отговаря за предаването на служебна информация;
• предоставя на приложенията информация за грешки;
• генерира заявки към слоя за презентация.

Приложни протоколи: RDP, HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, XMPP, OSCAR, Modbus, SIP, TELNET и други.

Слой за презентация

Презентационният слой осигурява преобразуване на протоколи и кодиране/декодиране на данни. Заявките за приложения, получени от приложния слой, се преобразуват във формат за предаване по мрежата на слоя за представяне, а данните, получени от мрежата, се преобразуват във формат на приложението. На това ниво може да се извърши компресиране / декомпресия или криптиране / декриптиране, както и пренасочване на заявки към друг мрежов ресурсако не могат да бъдат обработени локално.

Слоят за представяне обикновено е междинен протокол за преобразуване на информация от съседни слоеве. Това позволява обмен на приложения на хетерогенни компютърни системи по прозрачен за приложения начин. Слоят за презентация осигурява форматиране и трансформация на код. Форматирането на кода се използва, за да се гарантира, че приложението получава информация за обработка, която има смисъл за него. Ако е необходимо, този слой може да преведе от един формат на данни в друг.

Слоят за представяне се занимава не само с форматите и представянето на данни, но и със структурите от данни, които се използват от програмите. По този начин, слой 6 гарантира, че данните са организирани по време на пренос.

За да разберете как работи това, представете си, че има две системи. Единият използва разширения двоичен код EBCDIC за представяне на данни, например може да бъде мейнфрейм на IBM, а другият е американски. стандартен код ASCII обмен на информация (използван от повечето други производители на компютри). Ако двете системи трябва да обменят информация, тогава е необходим слой за презентация, който ще извърши преобразуването и ще преведе между двата различни формата.

Друга функция, изпълнявана на ниво презентация, е криптирането на данни, което се използва, когато е необходимо да се защити предаваната информация от достъп на неоторизирани получатели. За да се реши този проблем, процесите и кодовете на ниво презентация трябва да извършват трансформации на данни. На това ниво има други рутинни процедури, които компресират текстове и преобразуват графични изображения в битови потоци, така че да могат да се предават по мрежата.

Стандартите на ниво презентация също определят как да се представя графични изображения... За тези цели може да се използва форматът PICT - формат на изображение, използван за прехвърляне на графики на QuickDraw между програми.

Друг формат за презентация е маркираният TIFF файлов формат, който обикновено се използва за растерни изображенияс висока разделителна способност. Следващият стандарт на ниво презентация, който може да се използва за графики, е стандартът, разработен от Съвместната фотографска експертна група; при ежедневна употреба този стандарт се нарича просто JPEG.

Има друга група стандарти на ниво презентация, които определят представянето на звук и филм. Това включва цифров интерфейс за музикален инструмент (MIDI) за цифрово представяне на музика, MPEG стандарт, разработен от Cinematography Expert Group, използван за компресиране и кодиране на видеоклипове на компактдискове, дигитализиране на съхранение и трансфер със скорост до 1,5 Mbps, и QuickTime е стандарт, който описва аудио и видео елементи за програми, работещи на компютри Macintosh и PowerPC.

Протоколи на слоя за презентация: AFP - Apple Fileing Protocol, ICA - Independent Computing Architecture, LPP - Lightweight Presentation Protocol, NCP - NetWare Core Protocol, NDR - Network Data Representation, XDR - eXternal Data Representation, X.25 PAD - Packet Asser / Packet Asser ...

Ниво на сесия

Сесийният слой на модела осигурява поддръжка на комуникационната сесия, позволявайки на приложенията да взаимодействат помежду си за дълго време. Слоят контролира създаването/прекратяването на сесия, обмена на информация, синхронизирането на задачите, определянето на правото за прехвърляне на данни и поддържането на сесия по време на периоди на неактивност на приложенията.

Протоколи на сесийния слой: ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol), ASP (AppleTalk Session Protocol), H.245 (Протокол за управление на повиквания за мултимедийна комуникация), ISO-SP (OSI Session Layer Protocol (X.225, ISO 8327)), iSNS (Internet Storage Name Service), L2F (Layer 2 Forwarding Protocol), L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol), NetBIOS (Мрежова основна входна изходна система), PAP (Протокол за удостоверяване на парола), PPTP (Протокол за тунелиране от точка до точка), RPC (Протокол за повикване за отдалечени процедури), RTCP (Протокол за управление на транспорта в реално време), SMPP (Кратко съобщение Peer-to-Peer), SCP (Протокол за контрол на сесиите), ZIP (Протокол за информация за зона), SDP (Пряк протокол на сокетите]) ...

Транспортен слой

Транспортният слой на модела е проектиран да осигури надежден трансфер на данни от подател към получател. В същото време нивото на надеждност може да варира значително. Има много класове протоколи на транспортния слой, вариращи от протоколи, които предоставят само основни транспортни функции (например функции за пренос на данни без потвърждение за получаване) и завършващи с протоколи, които гарантират доставката на множество пакети данни в правилната последователност до местоназначението , мултиплексират множество потоци от данни, осигуряват механизъм за контрол на потока от данни и гарантират валидността на получените данни. Например, UDP е ограничен до наблюдение на целостта на данните в рамките на една дейтаграма и не изключва възможността за загуба на цял пакет или дублиране на пакети, нарушаване на реда, в който се получават пакетите с данни; TCP осигурява надеждно непрекъснато предаване на данни, като елиминира загубата на данни или неизправност или дублиране, може да преразпределя данни, разбивайки големи парчета данни на фрагменти и обратно, залепвайки фрагментите в един пакет.

Протоколи на транспортния слой: ATP (AppleTalk Transaction Protocol), CUDP (Cyclic UDP), DCCP (Протокол за контрол на претоварване на дейтаграми), FCP (Fiber Channel | Fibre Channel Protocol), IL (IL Protocol), NBF (NetBIOS Frames протокол), NCP ( NetWare Core Protocol), SCTP (Stream Control Transmission Protocol), SPX (Sequenced Packet Exchange), SST (Structured Stream Transport), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Мрежов слой

Мрежовият слой (lang-en | мрежов слой) на модела се използва за дефиниране на пътя за предаване на данни. Отговаря за преобразуването на логически адреси и имена във физически, определяне на най-кратките маршрути, превключване и маршрутизиране, проследяване на проблеми и "задръствания" в мрежата.

Протоколите на мрежовия слой насочват данните от източник към местоназначение. Устройствата (маршрутизаторите), работещи на това ниво, условно се наричат ​​устройства от трето ниво (според номера на нивото в модела OSI).

Протоколи на мрежовия слой: IP / IPv4 / IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange), X.25 (частично внедрен на слой 2), CLNP (мрежов протокол без връзка), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколи за маршрутизиране - RIP (протокол за информация за маршрутизация), OSPF (първо отваряне на най-краткия път).

Връзков слой

Слоят на връзката за данни е предназначен да осигури взаимодействието на мрежите на физическия слой и да контролира грешките, които могат да възникнат. Данните, получени от физическия слой, представени в битове, той пакетира в кадри, проверява ги за целостта и, ако е необходимо, коригира грешки (генерира повторна заявка за повреден кадър) и ги изпраща до мрежовия слой. Връзковият слой може да взаимодейства с един или повече физически слоеве, като контролира и управлява това взаимодействие.

Спецификацията IEEE 802 разделя този слой на два подслоя: MAC (Media Access Control) регулира достъпа до споделената физическа среда, LLC (контрол на логическата връзка) предоставя услуга на мрежовия слой.

Превключватели, мостове и други устройства работят на това ниво. За тези устройства се казва, че използват адресиране на слой 2 (по номер на слоя в модела OSI).

Протоколи на слоя на връзката: ARCnet, ATM (режим на асинхронен трансфер), контролер зона (CAN), Econet, IEEE 802.3 (Ethernet), Ethernet автоматично превключване на защита (EAPS), интерфейс за разпределени влакна данни (FDDI), Frame Relay, високо ниво Контрол на връзката за данни (HDLC), IEEE 802.2 (осигурява LLC функции на IEEE 802 MAC слоеве), процедури за достъп до връзка, D канал (LAPD), IEEE 802.11 безжична LAN, LocalTalk, превключване на мултипротоколни етикети (MPLS), протокол от точка до точка (PPP), Протокол от точка до точка през Ethernet (PPPoE), StarLan, Token ring, Еднопосочно откриване на връзка (UDLD), x.25]], ARP.

В програмирането този слой представлява драйвера на мрежовата карта; в операционните системи има софтуерен интерфейс за взаимодействието на слоевете канал и мрежа един с друг. Това не е ново ниво, а просто изпълнение на специфичен за ОС модел. Примери за такива интерфейси: ODI, NDIS, UDI.

Физически слой

Физически слой - долният слой на модела, който определя метода за прехвърляне на данни, представени в двоична форма, от едно устройство (компютър) към друго. В съставянето на такива методи участват различни организации, включително: Институтът на електротехническите и електронни инженери, Алиансът на електронната индустрия, Европейският институт за телекомуникационни стандарти и др. Те предават електрически или оптични сигнали към кабелен или радиоефир и съответно ги приемат и преобразуват в битове данни в съответствие с методите за кодиране на цифрови сигнали.

Хъбове]], сигнални повторители и медийни конвертори също работят на това ниво.

Функциите на физическия слой се изпълняват на всички устройства, свързани към мрежата. От страна на компютъра функциите на физическия слой се изпълняват от мрежов адаптер или сериен порт. Физическият слой включва физическите, електрическите и механичните интерфейси между две системи. Физическият слой дефинира такива видове медии за предаване на данни като оптично влакно, усукана двойка, коаксиален кабел, сателитен канал за предаване на данни и др. Стандартни типове мрежови интерфейсисвързани с физическия слой са :)