Модель взаємодії відкритих систем OSI

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Модель OSI (англ. Open Systems Interconnection Reference Model - модель взаємодії відкритих систем) - абстрактна модель для мережних комунікацій і розробки мережних протоколів. Представляє рівневий підхід до мережі. Кожен рівень обслуговує свою частину процесу взаємодії. Завдяки такій структурі спільна робота мережного обладнання й програмного забезпечення стає набагато простіше й зрозуміліше.

Історія

На початку 80-х років ряд міжнародних організацій зі стандартизації - ISO, ITU-T і деякі інші - розробили модель, що відіграла значну роль у розвитку мереж. Ця модель називається моделлю взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI) або моделлю OSI. Модель OSI визначає різноманітні рівні взаємодії систем, дає їм стандартні імена і вказує, які функції повинен виконувати кожний рівень. Модель OSI була розроблена на підставі значного досвіду створення комп'ютерних мереж, в основному глобальних, у 70-ті роки. Повний опис цієї моделі займає більше 1000 сторінок тексту. У розробці брало участь 7 комітетів, кожному з них був відведений свій рівень. В 1980 році IEEE опублікував специфікацію 802, що детально описала механізми взаємодії фізичних пристроїв на канальному й фізичному рівнях моделі OSI. В 1984 році специфікація моделі OSI була переглянута й прийнята як міжнародний стандарт для мережних комунікацій.

Опис моделі OSI

Модель OSI

Дані - Рівень

Дані - Прикладний

доступ до мережних служб

Дані - Представлення

представлення і кодування даних

Дані - Сеансовий

керування сеансом зв'язку

Блоки - Транспортний

безпечне та надійне з'єднання «точка - точка»

Пакети - Мережний

визначення маршруту та IP (логічна адресація)

Кадри - Канальний

MAC та LLC (фізична адресація)

Біти - Фізичний

кабель, сигнали, бінарна передача

У моделі OSI засоби взаємодії діляться на сім рівнів: прикладний, представницький, сеансовий, транспортний, мережевий, канальний і фізичний. Кожний рівень має справу з одним визначеним аспектом взаємодії мережевих пристроїв.

Модель OSI описує тільки системні засоби взаємодії, реалізовані операційною системою, системними утилітами, системними апаратними засобами. Модель не включає засоби взаємодії додатків кінцевих користувачів. Свої власні протоколи взаємодії додатки реалізують, звертаючись до системних засобів. Тому необхідно розрізняти рівень взаємодії додатків і прикладний рівень.

Нехай додаток звертається з запитом до прикладного рівня, наприклад до файлової служби. На підставі цього запиту програмне забезпечення прикладного рівня формує повідомлення стандартного формату. Звичайне повідомлення складається з заголовка і поля даних. Заголовок містить службову інформацію, яку необхідно передати через мережу прикладному рівню машини-адресата, щоб повідомити йому, яку роботу треба виконати. Але для того щоб доставити цю інформацію за призначенням, треба буде розв'язати ще багато завдань, відповідальність за які несуть нижчі рівні.

Після формування повідомлення прикладний рівень спрямовує його вниз по стеку представницькому рівню. Протокол представницького рівня на підставі інформації, отриманої із заголовка прикладного рівня, виконує необхідні дії і додає до повідомлення власну службову інформацію - заголовок представницького рівня, у якому містяться вказівки для протоколу представницького рівня машини-адресата. Отримане в результаті повідомлення передається вниз сеансовому рівню, що у свою чергу добавляє свій заголовок, і т.д. (Деякі реалізації протоколів розміщують службову інформацію не тільки на початку повідомлення у вигляді заголовка, але і наприкінці, у вигляді так званого «кінцевика».) Нарешті, повідомлення досягає нижнього, фізичного рівня, що власне і передає його лініями зв'язку машині-адресату. До цього моменту повідомлення «обростає» заголовками всіх рівнів. Коли повідомлення надходить мережею до машини-адресата, воно приймається її фізичним рівнем і послідовно переміщається нагору з рівня на рівень. Кожний рівень аналізує й опрацьовує заголовок свого рівня, виконуючи відповідні даному рівню функції, а потім видаляє цей заголовок і передає повідомлення рівню, що лежить вище.

Поряд із терміном повідомлення (message) існують і інші терміни, які використовуються мережевими спеціалістами для позначення одиниць даних у процедурах обміну. У стандартах ISO для позначення одиниць даних, із якими мають справу протоколи різних рівнів, використовується загальна назва протокольний блок даних (Protocol Data Unit, PDU). Для позначення блоків даних визначених рівнів часто використовуються спеціальні назви: кадр (frame), пакет (packet), датаграма (datagram), сегмент (segment).

Протоколи моделі OSI

У моделі OSI розрізняють два основних типи протоколів. У протоколах зі встановленням з'єднання (connection-oriented) перед обміном даними відправник і одержувач повинні спочатку встановити з'єднання і, можливо, вибрати деякі параметри протоколу, що вони будуть використовувати при обміні даними. Після завершення діалогу вони повинні розірвати це з'єднання. Телефон - це приклад взаємодії, заснованої на встановленні з'єднання. Друга група протоколів - протоколи без попереднього встановлення з'єднання (connectionless). Такі протоколи називаються також датаграмними протоколами. Відправник просто передає повідомлення, коли воно готове. Опускання листа в поштову скриньку - це приклад зв'язку без попереднього встановлення з'єднання. При взаємодії комп'ютерів використовуються протоколи обох типів.

Прикладний рівень (Application layer)

Верхній (7-й) рівень моделі, забезпечує взаємодію мережі й користувача. Рівень дозволяє додаткам користувача доступ до мережних служб, таким як обробник запитів до баз даних, доступ до файлів, пересиланню електронної пошти. Також відповідає за передачу службової інформації, надає додаткам інформацію про помилки й формує запити до рівня подання.

Рівень відображення (Presentation layer)

Цей рівень відповідає за перетворення протоколів і кодування/декодування даних. Запити додатків, отримані з прикладного рівня, він перетворить у формат для передачі по мережі, а отримані з мережі дані перетворить у формат, зрозумілий додаткам. На цьому рівні може здійснюватися стиснення/розпакування або кодування/декодування даних, а також перенапрямок запитів іншому мережному ресурсу, якщо вони не можуть бути оброблені локально.

модель взаємодія відкрита система osi

Сеансовий рівень (Session layer)

Відповідає за підтримку сеансу зв'язку, дозволяючи додаткам взаємодіяти між собою тривалий час. Рівень управляє створенням/завершенням сеансу, обміном інформацією, синхронізацією завдань, визначенням права на передачу даних і підтримкою сеансу в періоди неактивності додатків. Синхронізація передачі забезпечується розміщенням у потік даних контрольних точок, починаючи з яких відновляється процес при порушенні взаємодії.

Транспортний рівень (Transport layer)

Транспортний рівень (Transport layer) - 4-й рівень моделі OSI, призначений для доставлення даних без помилок, втрат і дублювання в тій послідовності, у якій вони були передані. При цьому не має значення, які дані передаються, звідки й куди, тобто він визначає сам механізм передачі. Блоки даних він розділяє на фрагменти, розмір яких залежить від протоколу, короткі об'єднує в один, довгі розбиває. Протоколи цього рівня призначені для взаємодії типу точка-точка.

Мережевий рівень (Network layer)

3-й рівень мережної моделі OSI, призначений для визначення шляху передачі даних. Відповідає за трансляцію логічних адрес й імен у фізичні, визначення найкоротших маршрутів, комутацію й маршрутизацію пакетів, відстеження неполадок і заторів у мережі. На цьому рівні працює такий мережний пристрій, як маршрутизатор.

Канальний рівень (Data Link layer)

Цей рівень призначений для забезпечення взаємодії мереж на фізичному рівні й контролю за помилками, які можуть виникнути. Отримані з фізичного рівня дані він упаковує в кадри даних, перевіряє на цілісність, якщо потрібно виправляє помилки й відправляє на мережний рівень. Канальний рівень може взаємодіяти з одним або декількома фізичними рівнями, контролюючи й управляючи цією взаємодією. Специфікація IEEE 802 розділяє цей рівень на 2 підрівня - MAC (Media Access Control) регулює доступ до поділюваного фізичного середовища, LLC (Logical Link Control) забезпечує обслуговування мережного рівня. На цьому рівні працюють комутатори, мости й мережні адаптери.

MAC-підрівень забезпечує коректне спільне використання загального середовища, надаючи його в розпорядження тієї або іншої станції мережі. Також додає адресну інформацію до фрейму, позначає початок і кінець фрейму.

Рівень LLC відповідає за достовірну передачу кадрів даних між вузлами, а також реалізовує функції інтерфейсу з мережевим рівнем за допомогою фреймування кадрів. Також здійснює ідентифікування протоколу мережевого рівня.

У програмуванні цей рівень представляє драйвер мережної карти, в операційних системах є програмний інтерфейс взаємодії канального й мережного рівня між собою, це не новий рівень, а просто реалізація моделі для конкретної ОС. Приклади таких інтерфейсів: NDIS, ODI.

Фізичний рівень (Physical layer)

Найнижчий рівень моделі, призначений безпосередньо для передачі потоку даних. Здійснює передачу електричних або оптичних сигналів у кабель і відповідно їхній прийом і перетворення в біти даних відповідно до методів кодування цифрових сигналів. Інакше кажучи, здійснює інтерфейс між мережним носієм і мережним пристроєм. На цьому рівні працюють концентратори й повторювачі (ретранслятори) сигналу. Фізичний рівень визначає електричні, процедурні і функціональні специфікації для середовища передачі даних, в тому числі роз'єми, розпаювання і призначення контактів, рівні напруги, синхронізацію зміни напруги, кодування сигналу.

Цей рівень приймає кадр даних від канального рівня, кодує його в послідовність сигналів, які потім передаються у лінію зв'язку. Передача кадру даних через лінію зв'язку вимагає від фізичного рівня визначення наступних елементів: тип середовища передавання (дротовий або бездротовий, мідний кабель або оптичне волокно) і відповідних конекторів; як повинні бути представлені біти даних у середовищі передавання; як кодувати дані; якими повинні бути схеми приймача і передавача.

Фізичним рівнем в лінію зв'язку кадр даних (фрейм) не передається як єдине ціле. Кадр представляється як послідовність сигналів, що передаються один за одним. Сигнали, в свою чергу, представляють біти даних кадру.

В сучасних мережах використовуються 3 основних типа середовища передавання: мідний кабель (copper), оптичне волокно (fiber) та бездротове середовище передавання (wireless). Тип сигналу, за допомогою якого здійснюється передача даних, залежить від типу середовища передавання. Для мідного кабелю сигнали, що представляють біти даних є електричними імпульсами, для оптичного волокна - імпульсами світла. У випадку використання бездротових з'єднань сигнали є радіохвилями (електромагнітними хвилями).

Коли пристрій, що працює на фізичному рівні кодує біти кадру в сигнали для конкретного середовища передавання, він має розрізняти кадри. Тобто позначати, де закінчується один кадр і починається іншій. Інакше мережеві пристрої, що здійснюють прийом сигналів, не зможуть визначити, коли кадр буде отриманий повністю. Відомо, що початок і кінець кадру позначається на канальному рівні, але в багатьох технологіях фізичний рівень також може додати спеціальні сигнали, що використовуються тільки для позначення початку і кінця кадру даних.

Технології фізичного рівня визначаються стандартами, що розробляються наступними організаціями: The International Organization for Standardization (ISO), The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), The American National Standards Institute (ANSI), The International Telecommunication Union (ITU), The Electronics Industry Alliance/Telecommunications Industry Association (EIA/TIA) тощо. Дані стандарти охоплюють 4 області, що належать фізичному рівню: фізичні та електричні властивості середовища передавання, механічні властивості (матеріали, розміри, розпаювання контактів конекторів), кодування (представлення бітів сигналами), визначення сигналів для управління інформацією. Всі компоненти апаратного забезпечення такі, як мережеві карти (Network interface card, NIC), інтерфейси і конектори, матеріали кабелів та їх конструкція визначаються стандартами фізичного рівня. Можна зазначити, що функції фізичного рівня вбудовані у мережеве обладнання (hardware).

Основними функціями фізичного рівня є: фізичні компоненти, кодування даних, передача даних. Фізичні компоненти - електронне обладнання, середовище передавання і конектори, через які передаються сигнали, що представляють біти даних.

Кодування Кодування є процесом, за допомогою якого потік бітів даних перетворюється у певний код. Кодування здійснюється над групою бітів. Це необхідно для того, щоб забезпечити створення передбачуваної комбінації кодів, яка буде правильно розпізнаватися як передавачем, так і приймачем.

Використання передбачуваної комбінації кодів допомагає розрізняти біти даних від бітів, що використовуються для управління, а також забезпечує краще виявлення помилок у середовищі передавання. При створенні кодів даних, методи кодування фізичного рівня також забезпечують створення кодів управління, що допомагають, наприклад, визначати початок і кінець кадру.

Взаємодія рівнів

Рівні взаємодіють зверху вниз і знизу нагору за допомогою інтерфейсів і можуть ще взаємодіяти з таким же рівнем іншої системи за допомогою протоколів. Докладніше можна подивитися на малюнку.

Модель OSI і реальні протоколи

Семирівнева модель OSI є теоретичною, і містить ряд недоробок. Реальні мережні протоколи змушені відхилятися від неї, забезпечуючи непередбачувані можливості, тому прив'язка деяких з них до рівнів OSI є трохи умовною.

Основна недоробка OSI - непродуманий транспортний рівень. На ньому OSI дозволяє обмін даними між додатками (вводячи поняття порту -- ідентифікатора додатка), однак, можливість обміну простими датаграмами в OSI не передбачена -- транспортний рівень повинен утворювати з'єднання, забезпечувати доставку, управляти потоком і т.п. Реальні ж протоколи реалізують таку можливість.

Сімейство TCP/IP

Сімейство TCP/IP має два транспортних протоколи: TCP, повністю відповідний OSI, і UDP, що відповідає транспортному рівню тільки наявністю порту, що забезпечує обмін датаграмами між додатками.

Сімейство IPX/SPX

У сімействі IPX/SPX, порти (називані «сокети» або «гнізда») з'являються в протоколі мережного рівня IPX, забезпечуючи обмін датаграмами між додатками (операційна система резервує частину сокетів для себе). Протокол SPX, у свою чергу, доповнює IPX всіма іншими можливостями транспортного рівня в повній відповідності з OSI.

Крім того, IPX не має адреси для хоста, покладаючись на адресацію канального рівня (наприклад, MAC-адреси для Ethernet).

Маска мережі

Маска мережі використовується для того, щоб розділити логічно мережу на підмережі. Наприклад, мережа КПІ має адресу: 10.0.0.0. Це адреса класу А, то ж вона може містити 255^3 робочих станцій. Маска у такої підмережі 255.0.0.0. Якщо до будь-якої адреси комп'ютера з мережі КПІ застосувати побітно операцію кон'юнкції(AND) з маскою підмережі, то ми отримаємо адресу мережі.

Арифметика

Розгляне приклад. Нехай є комп'єтер з ІР-адресою 10.18.31.103. Маска підмережі: 255.255.255.224. Запишемо це у двійковій формі:

10.18.31.103 - 00001010.00010010.0011111.01100111

255.255.255.224 - 11111111.11111111.1111111.11100000

10.18.31.96 - 00001010.00010010.0011111.01100000

Як бачимо: ІР-адреса 10.18.31.96 - це адреса мережі. Про маску мережі 255.255.255.224 можна сказати, що вона у двійковому записі містить 27 одиниць. Саме це і означає, що перші 27 розрядів в ІР-адресі визначають адресу підмережі, а інші розряди (32-27 = 5) ідентифікують комп'ютер в даній підмережі. Також маску підмережі записують у вигляді /27 після ІР-адреси. Наприклад:

10.18.31.102/27 - маска 255.255.255.224 (маска в 229 кабінеті)

10.108.5.25/24 - маска 255.255.255.0 (маска п'ятого поверху гуртожитку VIII)

10.18.19.144/25 - маска 255.255.255.128 (маска VLAN ASNET)

Створення підмереж

Нехай у нас є мережа 10.18.19.0/24. Це означає, що ми можемо використовуати адреси пам'яті в діапазоні від 10.18.19.1-10.18.19.254. Однак перед нам постала проблема розділення даної підмережі на дві підмережі(ASADMIN - 10.18.19.0/25 і ASNET - 10.18.19.128/25). Як бачимо, однієї мережі з маскою /24 можна отримати дві підмережі з маскою /25 (або чотири підмережі з маскою /26, чи навіть вісім підмереж з маскою /27). Запишемо у двійковій формі адресу початкової мережі:

00001010.00010010.00010011.00000000 - 10.18.19.0 - адреса мережі

11111111.11111111.11111111.00000000 - 255.255.255.0 - маска мережі

Якщо відбувається поділ мережі на дві пібмережі, то кількість розрядів, відведених для позначення адреси мережі збільшуються на 1. То ж маска нових підмереж стоновитиме тепер:

11111111.11111111.11111111.10000000 - 255.255.255.128 - маска нової підмережі(/25 - біт для адресації мережі)

Перша підмережа обирається таким чином, щоб новий біт адреси мережі (25-й біт) був 0, а у другої підмережі - 1.

00001010.00010010.00010011.00000000 - 10.18.19.0 - адреса початкової мережі

00001010.00010010.00010011.00000000 - 10.18.19.0 - адреса мережі ASADMIN

00001010.00010010.00010011.10000000 - 10.18.19.128 - адреса мережі ASNET

Це все всідчить про те, що в мережі ASADMIN - діапазон ІР-адрес знаходить в межах 10.18.19.0-10.18.19.127(у всіх них спільні перші 25 біт ІР-адреси); а діапазон ASNET - 10.18.19.128-255.

Маска підмережі - двійкове число, яке містить одиниці у тих розрядах, які відносяться до розширеного мережевого префікса. Маска підмережі дозволяє поділити ІР-адресу на дві частини: номер підмережі та номер пристрою у цій підмережі.

Якщо маршрутизатори у мережі Internet використовують тільки мережний префікс адреси отримувача для передачі трафіка у організацію, то маршрутизатори всередині приватної мережі організації розширений мережний префікс для передачі трафіка індивідуальним підмережам. Розширеним мережним префіксом називають префікс мережі і номер підмережі.

Поняття розширеного мережного префікса, по суті, еквівалентно поняттю маска підмережі (subnet mask). Старші біти ІР-адреси використовуються робочими станціями і маршрутизаторами для визначення класу адреси. Після того, як клас визначений, пристрій може легко визначити межу між бітами, які використовувалися для ідентифікації номера мережі, і бітами номера пристрою у цій мережі. Однак для визначення межі бітів, які ідентифікують номер підмережі, така схема не підходить. Для цього саме і використовується 32-бітна маска підмережі, яка допомогає однозначно визначити необхідну межу.

Біти у масці підмережі повинні бути усталені в одиницю, якщо система, яка перевіряє адресу, повинна розглядати відповідний біт у ІР-адресі як частину мережного префікса. Після визначення класу ІР-адреси, будь-який біт у номері пристрою, який має відповідний усталений біт у масці підмережі, використовується для ідентифікації номера підмережі. Частина номера пристрою, що залишилася, і якій відповідають нульові біти у масці підмережі, використовуються для задання номера пристрою.

Документ RFC 1219 визначає основне правило, якому слід дотримуватися при привласнюванні номерів підмережам і пристроям. Номери підмереж призначаються таким чином, щоб старші біти у номері підмережі встановлювалися першими (тобто починаючи з крайньої лівої позиції). В той же час одиничні біти номериівпристроїв рекомендується встановлювати, починаючи з крайньої правої позиції. Отже, якщо дотримуватися цього правила, то на межі між номером підмережі і номером пристрою будуть існувати нульові невикористані біти. Це дозволяє змінити маску підмережі без зміни ІР-адреси, привласненої пристрою.

У мережі із підмережами можна використовувати два види широкомовлення: направлене і обмежене. Направлене широкомовлення використовується для передавання дейтаграми всім пристроям визначеної підмережі. Для відправки дейтаграми всім пристроям у всіх підмережах необхідно використати обмежене широкомовлення із адресою 255.255.255.255. Необхідно, однак, врахувати, що маршрутизатори не пропускають дейтаграми з такою адресою (тому таке широкомовлення називається обмеженим).

Номери мереж призначаються централізовано, якщо мережа є частиною Internet, або довільно, якщо мережа працює автономно. Номери вузлів і в тому і в іншому випадку адміністратор може призначати самостійно, не виходячи з дозволеного для цього класу мережі діапазону.

Координуючу роль у централізованому розподілі ІР-адрес спочатку відігравала організація InterNIC, однак із зростанням мережі задача розподілу адрес стала дуже складною, і InterNIC делегувала частину своїх функцій іншим організаціям і крупним поставщикам послуг Internet.

Якщо деяка ІР-мережа створена для роботи у "автономному режимі", без зв'язку з Internet, в стандартах Internet визначено декілька діапазонів адрес, рекомендуємих для локального використання. Ці адреси не обробляються маршрутизаторами Internet ні за яких умов. Адреси, зарезервовані для локальних цілей, вибрані з різних класів: у класі А - це мережа 10.0.0.0, у класі В - це діапазон з 16 номерів мереж 172.16.0.0. - 172.31.0.0, у класі С - це діапазон з 255 мереж - 192.168.0.0. - 192.168.255.0.

Размещено на Allbest.ru