semiurovnevaja-model-osi.-steki

Мин ис т ерс т в о О б щ ег о и П р оф есс ио на льн ог о О б ра з о ва н ия Р осс ийс кой Ф е д е ра ци и
Го су да рс т в е нн о е О б щ е об ра з о ва т е льн о е Уч р е ж д ен и е Выс ш е го Пр о фес си она ль но го
Об ра з о ва н ия М ос к о вс кий Го су да рс т в е нн ый Т ех но л ог ич е ски й Ун и в е рси т е т
«С та нки н »
Факультет «Информаци онных Технологий»
Реферат
Семиуровневая модель OSI.
Стеки протоколов.
Выполнил: студент группы И -7-7
Ярповецкий-Бондаренко Олег Семенович
Проверил: Сосеншкин С.Е.
МОСКВА-2008
Оглавление
История OSI………………………………………………………………………………………………..2
Краткое описание OSI………………………………………………………………………………..3
Уровни модели OSI……………………………………………………………………………………4
Пример связи тип OSI………………………………………………………………………………..5
Прикладной уровень (Application layer) ……………………………….…………………..7
Уровень представления (Presentation layer) …………………………………………….7
Сеансовый уровень (Session Layer) …………………………………………………………..8
Транспортный уровень (Transport Layer) ………………………………………………...8
Сетевой уровень (Network Layer) ……………………………………………………………..9
Канальный уровень (Data link Layer) ……………………………………………………….10
Физический уровень …………………………………………………………………...……..……13
Сетезависимые и сетенезависимые уровни……………………………………………...14
Стандартные стеки коммуникационных протоколов……………………….……...16
Модель OSI и стек TCP IP……………………………………………………………..…………....18
Инкапсуляция и обработка пакетов………………………………………………………….19
Список использованных материалов………………………………………….……………..20
2
История OSI
(1)
Обмен информацией между компьютерами различных схем является чрезвычайно
сложной задачей.
К концу 70-х годов в мире существовало большое количество фирменных стеков
коммуникационных протоколов, среди которых можно выделить, такие популярные в
свое время стеки, как DECnet, TCP/IP и SNA. Однако это привело к проблеме с
совместимостью устройств, использующих, выпущенных различными производителями
и использующих разные протоколы.
Одним из вариантов решения этой проблемы являлась разработка и последующий
всеобщий переход на единый, общий для всех систем стек протоколов, созданный с
учетом опыта разработки уже существующих стеков. Такой академический подход к
созданию нового стека начался с разработки модели OSI (базовая эталонная модель
взаимодействия открытых систем, Open Systems Interconnection Basic Reference Model) и
занял семь лет (с 1977 по 1984 год). Она разрабатывалась в качестве универсального
языка для сетевых специалистов, в связи с чем ее иногда называют справочной моделью.
Серьезное участие в разработке OSI приняли ISO (International Standards Organization) и
ITU (International Telecommunication Union)
(2)
В 1984 году шестилетняя работа ISO над эталонной моделью архитектуры сети
передачи данных завершилась публикацией международного стандарта 7498, который
был использован Международным союзом по телекоммуникациям при разработке
стандарта ITU-T Х.200. Оба документа имеют общее название - эталонная модель
взаимодействия открытых систем, или модель OSI.
С тех пор ее используют практически все производители сетевых продуктов. Как и
любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточна и не отличается
гибкостью. Поэтому реальные сетевые средства, предлагаемые рядом фирм, не всегда
придерживаются принятого разделения функций.
Краткое описание OSI
Назначение модели OSI состоит в обобщенном представлении средств сетевого
взаимодействия.
Модель OSI не содержит описаний реализаций конкретного набора протоколов.
Модель OSI определяет:

уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов

стандартные названия уровней

функции, которые должен выполнять каждый уровень.
(1)
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые
операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами.
Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей.
Важно различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень
семиуровневой модели.
Приложения могут реализовывать собственные протоколы взаимодействия, используя для этих целей многоуровневую совокупность системных средств. Именно для
этого в распоряжение программистов предоставляется прикладной программный
интерфейс (Application Program Interface, API). В соответствии с идеальной схемой модели
OSI приложение может обращаться с запросами к самому верхнему уровню — уровню
приложений, однако на практике многие стеки коммуникационных протоколов
3
предоставляют возможность программистам напрямую обращаться к сервисам, или
службам, расположенным ниже уровней.
(3)
Например, некоторые СУБД имеют встроенные средства удаленного доступа к
файлам. В этом случае приложение, выполняя доступ к удаленным ресурсам, не
использует системную файловую службу; оно обходит верхние уровни модели OSI и
обращается непосредственно к ответственным за транспортировку
Уровни модели OSI
В модели OSI определена полная архитектура системы передачи данных,
состоящая из семи уровней. Какой-либо специфической причины, определившей
наличие именно такого количества уровней, не существует, просто выполняемые
моделью функции были условно разделены на семь групп. Три нижних уровня
ответствуют физическому, канальному и пакетному уровням сети Х.25. Другая
пакетная сеть, Frame Relay, соответствует двум нижним уровням модели ОSI.
Оптимизация функций, позволяющая Frame Relay работать на уровне 2, существенно
увеличивает пропускную способность этой пакетной сети по сравнению с
пропускной способностью сети Х.25, о чем будет рассказано далее.
Протоколы существуют, продолжая разрабатываться, и для систем других
ВИдов: факсимильной связи, интегрированных сетей передачи речевых сигналов и
цифровых данных, а также видеотекста.
Ниже приведены официальные названия всех семи уровней, начиная с
верхнего.
№ уровня
Наименование
Содержание
7
Уровень приложений
Предоставление услуг на уровне
конечного пользователя: почта,
теледоступ и прочее
6
5
Уровень
представления
данных
Уровень
сессии
(сеансовый)
4
Транспортный уровень
3
Сетевой уровень
2
Канальный уровень
1
Физический уровень
Интерпретация и сжатие данных
Идентификация и проверка
полномочий
Обеспечение
корректной сквозной
пересылки данных
Маршрутизация и ведение учета
Передача и прием пакетов, определение
аппаратных адресов
Собственно
кабель
или физический
носитель
(4)
При этом вышестоящие уровни выполняют более сложные, глобальные задачи,
для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими.
Цель нижестоящего уровня – предоставление услуг вышестоящему уровню, причем
вышестоящему уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие
уровни выполняют более простые и конкретные функции.
4
Физический и канальный уровни модели OSI реализуются аппаратным и
программным обеспечением; остальные пять высших уровней в большинстве
случаев реализуются программным обеспечением.
В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся
рядом с ним (выше и ниже него). Верхний уровень соответствует прикладной
задаче, работающему в данный момент приложению, нижний – непосредственной
передаче сигналов по каналу связи.
(2)
Справочная модель OSI описывает, каким образом информация проделывает
путь через среду сети (например, витую пару или оптоволокно) от одной
прикладной до другой прикладной программы, установленной на другом
компьютере. Так как информация, которая должна быть отослана, проходит вниз
через уровни системы, по мере этого продвижения она становится все менее
доступной для понимания и все больше похожей на ту информацию, которую
понимают компьютеры, а именно единицы и нули.
При поступлении данных от приложения на каждом уровне к ним добавляется
соответствующий заголовок. Данные с последовательностью заголовков передаются по каналу связи к месту назначения, где заголовки удаляются по мере передачи данных от уровня к уровню принимающей системы. На рис.1 показано
соотношение семи уровней с системой, три уровня которой соответствуют уровням
сети Х.25. (В этом случае заголовок пакета обозначен символами NH и соответствует
сетевому уровню.) Исключив функционирование третьего уровня, можно
существенно увеличить пропускную способность пакетной сети.
Рис. 1. Семиуровневая модель OSI
Пример связи тип OSI
(1)
Предположим, что Система А должна отправить в Систему В определенный
текст, который в данном случае будет играть роль данных или информации
Сначала этот текст передается из прикладной программы Системы А в
5
верхний (прикладной) уровень системы. Прикладной уровень Системы А должен
передать данную информацию в прикладной уровень Системы В.
Уровневая модель OSI исключает прямую связь между соответствующими
уровнями других систем. Следовательно, каждый уровень Системы А должен
полагаться на услуги, предоставляемые ему смежными уровнями Системы А,
поэтому он помещает управляющую информацию в форме кодированного заголовка
перед фактическим текстом (данными), который должен быть передан. Этот
информационный блок передается в нижестоящий Уровень 6 Системы А, который
может дополнить его своей управляющей информацией.
(4)
Рис. 2. Путь информации от абонента к абоненту
Таким образом, размеры сообщения увеличиваются по мере того, как оно
проходит вниз через уровни до тех пор, пока не достигнет сети, где оригинальный
текст и вся связанная с ним управляющая информация разных уровней
перемещаются к Системе В, где они принимаются Уровнем 1 Системы В. Уровень 1
Системы В отделяет заголовок уровня 1 и считывает его, после чего он знает, как
обрабатывать данный информационный блок. Слегка уменьшившийся в размерах
информационный блок (уже без информации 1 Уровня) передается в Уровень 2,
который соответственно отделяет заголовок Уровня 2, анализирует его, чтобы
узнать о действиях, которые он должен выполнить, и передает оставшиеся данные
на Уровень 3.... Когда информационный блок пройдя через все уровни Системы В,
доходит до прикладной программы Системы В, он должен содержать только
оригинальный текст.
Рис. 3 иллюстрирует процесс передачи данных и управляющей информации
между Уровнями
Рис. 3. Вложенность сообщений различных уровней
6
7. Прикладной уровень (Application layer)
(3)
Прикладной уровень - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он
отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других
уровней OSI; однако он обеспечивает ими прикладные процессы, лежащие за
пределами масштаба модели OSI.
(4)
Он обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения
пользователя, например, программные средства передачи файлов, доступа к базам
данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень
управляет всеми остальными шестью уровнями. Например, если пользователь
работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своей
директории на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает
перемещение файла с рабочего компьютера на сетевой диск прозрачно для
пользователя.
Прикладной
уровень
идентифицирует
и
устанавливает
наличие
предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие
прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам
устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень
также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой
связи.
(5)
К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся:

FTP - протокол переноса файлов

TFTP - упрощенный протокол переноса файлов

X.400 - электронная почта

Telnet

SMTP - простой протокол почтового обмена

CMIP - общий протокол управления информацией

SNMP - простой протокол управления сетью

NFS - сетевая файловая система

FTAM - метод доступа для переноса файлов
Единица данных – Сообщение (message)
6. Уровень представления (Presentation layer)
(5)
Протоколы уровня представления обычно являются составной частью
функций трех верхних уровней модели.
Уровень представления отвечает за возможность диалога между
приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает, чтобы информация,
посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного
уровня другой системы. При необходимости представительный уровень
осуществляет трансляцию между множеством форматов представления
информации путем использования общего формата представления информации.
(3)
Кроме того уровень Представления занят не только форматом и
представлением фактических данных пользователя, но также структурами данных,
которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата
фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует
синтаксис передачи данных для прикладного уровня.
7
(1)
С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут
преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в
кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне могут выполняться
шифрование и дешифрирование данных, благодаря которым секретность обмена
данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб.
Примером такого протокола является протокол SSL (Secure Socket Layer —
слой защищенных сокетов), который обеспечивает секретный обмен сообщениями
для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
5. Сеансовый уровень (Session Layer)
(3)
Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы
взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между
двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует
диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом
информации между ними.
Существует три режима установки сеансов: симплексный (передача данных в
одном направлении), полудуплексный (передача данных поочередно в двух
направлениях) и полнодуплексный (передача данных одновременно в двух
направлениях).
(1)
Сеансовый уровень может также вставлять в поток данных специальные
контрольные точки, которые позволяют в ходе длинных передач сохранять
информацию о состоянии этих передач в виде контрольных точек, чтобы в случае
отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать
все с начала.
Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует
предоставленные им права доступа.
На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он
редко реализуется в виде отдельных протоколов. Функции этого уровня часто
объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
4. Транспортный уровень (Transport Layer)
(3)
Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть
представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами
низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни
заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы
транспортировки данных.
Транспортный уровень обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, а
также в нужной последовательности.
(1)
Модель OSI определяет пять классов транспортного сервиса от низшего
класса 0 до высшего класса 4. Эти виды сервиса отличаются качеством
предоставляемых услуг срочностью, возможностью восстановления прерванной
связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между
различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а
главное — способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких
как искажение, потеря и дублирование пакетов.
8
Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны,
тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней. С другой стороны,
этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транспортировки
данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного, —
сетевым, канальным и физическим.
(4)
Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки,
помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Доставка
пакетов возможна как с установлением соединения (виртуального канала), так и
без.
Все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются
программными средствами конечных узлов сети — компонентами их сетевых
операционных систем.
(5)
Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают:

TCP - протокол управления передачей

NCP - NetWare Core Protocol

SPX - упорядоченный обмен пакетами

TP4 - протокол передачи класса 4
3. Сетевой уровень (Network Layer)
(3) , (4)
Сетевой уровень - это комплексный уровень, который отвечает за адресацию
пакетов и перевод логических имен (логических адресов, например, IP-адресов или
IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно), отвечает за деление
пользователей на группы, обеспечивает прозрачную передачу пакетов на
транспортный уровень и возможность соединения и выбор маршрута между двумя
конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут
находиться в разных географических пунктах.
Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять
значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень
является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают
оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой
подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль
этих маршрутов.
Технология, позволяющая соединять в единую сеть множество сетей, в общем
случае построенных на основе разных технологий, называется технологией
межсетевого взаимодействия
Сети, использующие собственные технологии, могут связывать между собой любых
пользователей своей сети, и не способны обеспечить передачу данных в другую сеть.
Причинами такого положения вещей являются собственные форматы кадров
каждой технологии и собственные стеки протоколов.
Чтобы связать между собой сети, построенные на основе столь отличающихся
технологий, нужны дополнительные средства, и такие средства предоставляет
сетевой уровень.
Функции сетевого уровня реализуются:
□ группой протоколов;
□ специальными устройствами — маршрутизаторами.
Для того чтобы протоколы сетевого уровня могли доставлять пакеты любому узлу
составной сети, эти узлы должны иметь адреса, уникальные в пределах данной
9
составной сети. Такие адреса называются сетевыми, или глобальными. Каждый узел
составной сети, который намерен обмениваться данными с другими узлами
составной сети, должен иметь сетевой адрес наряду с адресом, назначенным ему на
канальном уровне. Например, на рис. 4.
Рис. 4. Пример составной сети
Сеть,
используя
свою
канальную
технологию,
доставляет
кадр
с
инкапсулированным в него пакетом по заданному адресу. Маршрутизатор извлекает
пакет из прибывшего кадра и после необходимой обработки передает пакет для
дальнейшей транспортировки в следующую сеть, предварительно упаковав его в
новый кадр канального уровня в общем случае другой технологии. Таким образом,
сетевой уровень играет роль координатора, организующего совместную работу
сетей, построенных на основе разных технологий.
В общем случае функции сетевого уровня шире, чем обеспечение обмена в пределах
составной сети. Так, сетевой уровень решает задачу создания надежных и гибких
барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.
На сетевом уровне определяются два вида протоколов.
Первый вид — маршрутизируемые протоколы — реализуют продвижение пакетов
через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах
сетевого уровня. Второй вид - маршрутизирующие протоколы. С помощью этих
протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых
соединений, на основании которой осуществляется выбор маршрута продвижения
пакетов.
(5)
Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

IP - протокол Internet

IPX - протокол межсетевого обмена

X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2)

CLNP - сетевой протокол без организации соединений
2. Канальный уровень (Data link Layer)
(1)
Канальный уровень (другое название информационно-канальный уровень)
обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту
10
задачу, канальный уровень отвечает за формирование пакетов (кадров)
стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида, включающих
начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление
доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи путем подсчета контрольных
сумм, и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов.
Можно сказать, что канальные протоколы находятся на более высоком уровне
по сравнению с физическими протоколами. Однако вся информация, использующаяся в протоколе канального уровня, в действительности содержится в потоке
битов, передаваемом через последовательный интерфейс. Концептуально мы рассматриваем поля канальных протоколов как вложенные (содержащиеся внутри) в
поток битов протоколов физического уровня или расположенные в них в виде слоев.
(2)
Чтобы в локальных сетях поддерживались различные методы доступа, комитет по
стандартам IEEE 802 разделил канальный уровень модели OSI на два подуровня
(рис. 5): управления логической связью (Logical Link Control, LLC) к управления
доступом к среде (Media Access Control, MAC). Процедуры управления LLC определены рабочей группой 802.2 такими же, как и для протокола HDLC (High-level
Data Link Control - высокоуровневый протокол управления каналом передачи
данных) стандарта ITU Х.25 в сбалансированном режиме (LAPB). Сбалансированный
режим предназначен для равноструктурированых сетей, в которых каждая станция
может инициировать обмен данными с любой другой станцией.
Рис. 5. Канальный уровень
Верхний подуровень (LLC – Logical Link Control) осуществляет управление
логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи. Строго
говоря, эти функции не связаны с конкретным типом сети, но часть из них все
же возлагается на аппаратуру сети (сетевой адаптер). Другая часть функций
подуровня LLC выполняется программой драйвера сетевого адаптера.
Подуровень LLC отвечает за взаимодействие с уровнем 3 (сетевым).
 Нижний
подуровень (MAC – Media Access Control) обеспечивает
непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он
напрямую связан с аппаратурой сети. Именно на подуровне MAC
осуществляется взаимодействие с физическим уровнем. Здесь производится
контроль состояния сети, повторная передача пакетов заданное число раз при
коллизиях, прием пакетов и проверка правильности передачи.
Помимо модели OSI существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале
1980 года (отсюда и число 802 в названии), которую можно рассматривать как
модификацию, развитие, уточнение модели OSI. Стандарты, определяемые этой
моделью (так называемые 802-спецификации) относятся к нижним двум уровням
модели OSI и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой
номер:

11
(5)
802.1 - задает стандарты управления сетью на MAC-уровне, включая алгоритм
Spanning Tree. Этот алгоритм используется для обеспечения единственности пути
(отсутствия петель) в многосвязных сетях на основе мостов и коммутаторов с
возможностью его замены альтернативным путем в случае выхода из строя.
Документы также содержат спецификации сетевого управления и межсетевого
взаимодействия.
802.2 - определяет функционирование подуровня LLC на канальном уровне
модели OSI. LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к среде и
сетевым уровнем. Прозрачные для вышележащих уровней функции LLC включают
кадрирование, адресацию, контроль ошибок. Этот подуровень используется в
спецификации 802.3 Ethernet, но не включен в спецификацию Ethernet II.
802.3 - описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей с
немодулированной передачей (baseband networks), использующих шинную
топологию и метод доступа CSMA/CD. Этот стандарт был разработан совместно с
компаниями Digital, Intel, Xerox и весьма близок к стандарту Ethernet. Однако
стандарты Ethernet II и IEEE 802.3 не полностью идентичны и для обеспечения
совместимости разнотипных узлов требуется применять специальные меры. 802.3
также включает технологии Fast Ethernet (100BaseTx, 100BaseFx, 100BaseFl).
802.5 - описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей с
кольцевой топологией и передачей маркеров. Этому стандарту соответствуют сети
IBM Token Ring 4/16 Мбит/с.
802.8 - отчет TAG по оптическим сетям. Документ содержит обсуждение
использования оптических кабелей в сетях 802.3 - 802.6, а также рекомендации по
установке оптических кабельных систем.
802.9 - отчет рабочей группы по интеграции голоса и данных (IVD). Документ
задает архитектуру и интерфейсы устройств для одновременной передачи данных
и голоса по одной линии. Стандарт 802.9, принятый в 1993 году, совместим с ISDN и
использует подуровень LLC, определенный в 802.2, а также поддерживает
кабельные системы UTP (неэкранированные кабели из скрученных пар).
802.10 - в этом отчете рабочей группы по безопасности ЛВС рассмотрены
вопросы обмена данными, шифрования, управления сетями и безопасности в
сетевых архитектурах, совместимых с моделью OSI.
802.11 - имя рабочей группы, занимающейся спецификацией 100BaseVG
Ethernet 100BaseVG. Комитет 802.3, в свою очередь, также предложил спецификации
для Ethernet 100 Мбит/с.
Отметим, что работа комитета 802.2 послужила базой для нескольких стандартов
(802.3 - 802.6, 802.12). Отдельные комитеты (802.7 - 802.11) выполняют в основном
информационные функции для комитетов, связанных с сетевыми архитектурами.
Отметим также, что разные комитеты 802.X задают разный порядок битов при
передаче. Например, 802.3 (CSMA/CD) задает порядок LSB, при котором передается
сначала наименее значимый бит (младший разряд), 802.5 (token ring) использует
обратный порядок - MSB, как и ANSI X3T9.5 - комитет, отвечающий за архитектурные
спецификации FDDI. Эти два варианта порядка передачи известны как "little-endian"
(канонический) и "big-endian" (неканонический), соответственно. Эта разница в
порядке передачи имеет существенное значение для мостов и маршрутизаторов,
связывающих различные сети.
12
На канальном уровне работают такие промежуточные сетевые устройства, как,
например, коммутаторы.
(5)
Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают:
 HDLC для последовательных соединений
 IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x
 Ethernet
 Token ring
 FDDI
 X.25
 Frame relay

Физический уровень (2)
Физический уровень определяет электротехнические, механические,
процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и
дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации
физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений,
синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической
информации, максимальные расстояния передачи информации, физические
соединители и другие аналогичные характеристики.
Протоколы данного уровня описывают физический обмен данными или
передачу битов по физической среде между DTE. На физическом уровне
определяются способ кодировки битов для передачи, порядок их передачи
устройству и схема соединения с устройством.
(1)
Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к
сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым
адаптером или последовательным портом.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T
технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля
неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом,
разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров,
манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие
характеристики среды и электрических сигналов.
Физический уровень не вникает в смысл информации, которую он передает.
Для него эта информация представляет однородный поток битов, которые нужно
доставить без искажений и в соответствии с заданной тактовой частотой (интервалом между соседними битами).
На физическом уровне работают такие сетевые устройства, как трансиверы,
репитеры и репитерные концентраторы.
(2)
Для того чтобы различные типы среды передачи поддерживались единым стандартом, комитет IEEE разделил физический уровень на три подуровня (рис. 6).
Подуровень физического кодирования определяет метод кодирования, используемый в различных типах среды. Подуровень привязки к физической среде преобразовывает сообщения подуровня физического кодирования в сообщения для
передающей среды. Третий подуровень, зависящий от физической среды, определяет физический соединитель и его электрические свойства, используемые для
соединения со средой. Обратите внимание, что на указанном рисунке представлены
два стека, включающие по три подуровня, что позволяет показать назначение
13
каждого подуровня; к тому же посредством определения дополнительных групп,
содержащих по три подуровня, можно разработать дополнительные независимые от
среды интерфейсы. Таким образом, разделение физического уровня на подуровни
обеспечивает гибкость ЛВС при работе с использованием новейших типов среды,
которые будут разработаны в дальнейшем.
Рис. 6. Разделение физического уровня на подуровни для поддержки
мультимедийных приложений в высокоскоростных ЛВС
Сетезависимые и сетенезависимые уровни
(6)
Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо
к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к
функциям, ориентированным на работу с приложениями.
Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетезависимыми,
то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и
используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на
оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального
уровней во всех узлах сети.
Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый - ориентированы
на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На
протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии
сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход
от Ethernet на высокоскоростную технологию l00VG-AnyLAN не потребует никаких
изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного,
представительного и сеансового уровней.
Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали
функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать
приложения, не зависящие от технических средств непосредственной
транспортировки сообщений. На рис. 7 показаны уровни модели OSI, на которых
работают различные элементы сети. Компьютер с установленной на нем сетевой ОС
взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней.
Это взаимодействие компьютеры осуществляют опосредовано через различные
коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы,
маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа коммуникационное
устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо
на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом,
14
иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор). На рис. 8. показано
соответствие функций различных коммуникационных устройств уровням модели
OSI.
Рис. 7. Сетезависимые и сетенезависимые уровни модели OSI
Рис.8. Соответствие функций различных устройств сети уровням модели OSI
15
Стандартные стеки коммуникационных протоколов
(9)
Протокол – формализованные правила, определяющие последовательность и
формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на
одном уровне, но в разных узлах.
Стек протоколов - иерархически организованный набор протоколов,
достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.
В настоящее время в сетях используется большое количество стеков
коммуникационных протоколов. Наиболее популярными являются стеки:
1) TCP/IP;
2) IPX/SPX;
3)NetBIOS;
4) OSI.
Все эти стеки на нижних уровнях (физический и канальный) используют одни
и те же стандартизированные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые
другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру.
Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам.
Стандартные стеки протоколов (OSI, TCP)
1. Стек OSI представляет собой набор конкретных спецификаций протоколов.
Он полностью соответствует модели OSI, включает протоколы для всех семи
уровней взаимодействия. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются
прикладные протоколы: протокол передачи файлов (PTAM), эмуляции терминала
(UTP), справочной службы (X.500), электронной почты (X.400).
Протокол – набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления
связи.
2. Стек TCP/IP был разработан по инициативе министерства обороны США в
80-е годы для связи с экспериментальной сетью и другими сетями как набор общих
протоколов для разнородной вычислительной среды.
Сегодня стек TCP/IP используется для связи компьютеров всемирной
информационной системы Internet, а также в огромном числе корпоративных сетей.
Этот стек на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты физического
и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, для
глобальных – SLIP, PPP, протоколы терминальных сетей X.25, ISON.
Основными протоколами являются протоколы TCP и IP. Эти протоколы в
модели OSI. Эти протоколы относятся к сетевому и транспортному уровням
соответственно. IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а TCP
гарантирует надёжность его доставки.
Стеки коммуникационных протоколов (IPX/SPX, NetBIOS)
(6)
3. Стек IPX/SPX (IPX – Interwork Packed Exchange; SPX – Sequenced Packed
Exchange).
Этот стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell,
разработанной для сетевой операционной системы NetWave в начале 80-х годов.
Популярность стека связана непосредственно с операционной системой, которая
ещё сохраняет лидерство по числу установленных систем.
На физическом и канальном уровнях в сетях Novell используются все популярные
протоколы этих уровней (Ethernet, Token Ring, FDDI и другие). На сетевом уровне в
стеке Novell работает протокол IPX, а также протоколы обмена маршрутной
информацией RIP и NLSP (аналог протокола OSPF стека TCP/IP). IPX является
16
протоколом, который занимается вопросами адресации и маршрутизации пакетов в
сетях Novell. Маршрутные решения IPX основаны на адресных полях в заголовке его
пакета, а также на информации, поступающей от протоколов обмена маршрутной
информацией. Например, IPX использует информацию, поставляемую либо
протоколом RIP, для передачи пакетов компьютеру назначения или следующему
маршрутизатору. Протокол IPX поддерживает только дейтаграммный способ обмена
сообщениями, за счет чего экономно потребляет вычислительные ресурсы.
Протокол IPX обеспечивает выполнение трех функций: задание адреса,
установление маршрута и рассылку дейтаграмм. Транспортному уровню модели OSI
в стеке Novell соответствует протокол SPX, который осуществляет передачу
сообщений
с
установлением
соединений.
На
верхних
прикладном,
представительном и сеансовом уровнях работают протоколы NCP и SAP. Протокол
NCP является протоколом взаимодействия сервера NetWare и оболочки рабочей
станции. Этот протокол прикладного уровня реализует архитектуру клиент-сервер
на верхних уровнях модели OSI. С помощью функций этого протокола рабочая
станция производит подключение к серверу, отображает каталоги сервера на
локальные буквы дисководов, просматривает файловую систему сервера, копирует
удаленные файлы, изменяет их атрибуты и т.п., а также осуществляет разделение
сетевого принтера между рабочими станциями.
4. Стек NetBIOS широко используется в продуктах компаний IBM, Microsoft. На
верхних уровнях работают протоколы NetBEUI, SMB.
Протокол NetBIOS – Network Basic Input/Output System появился в 1984г как
сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода/вывода, IBM PC
для сетевой программы PC Network фирмы IBM. В дальнейшем этот протокол был
заменён протоколом расширенного пользовательского интерфейса (NetBEUI).
Протокол NetBIOS работает на трех уровнях модели взаимодействия открытых
систем: сетевом, транспортном и сеансовом. NetBIOS может обеспечить сервис более
высокого уровня, чем протоколы IPX и SPX, однако не обладает способностью к
маршрутизации. Таким образом, NetBIOS не является сетевым протоколом в строгом
смысле этого слова. NetBIOS содержит много полезных сетевых функций, которые
можно отнести к сетевому, транспортному и сеансовому уровням, однако с его
помощью невозможна маршрутизация пакетов, так как в протоколе обмена кадрами
NetBIOS не вводится такое понятие как сеть. Это ограничивает применение
протокола NetBIOS локальными сетями, не разделенными на подсети. NetBIOS
поддерживает как дейтаграммный обмен, так и обмен с установлением соединений.
Протокол SMB, соответствующий прикладному и представительному уровням
модели OSI, регламентирует взаимодействие рабочей станции с сервером. В
функции SMB входят следующие операции:
1. Управление сессиями. Создание и разрыв логического канала между рабочей
станцией и сетевыми ресурсами файлового сервера.
2. Файловый доступ. Рабочая станция может обратиться к файл-серверу с
запросами на создание и удаление каталогов, создание, открытие и закрытие
файлов, чтение и запись в файлы, переименование и удаление файлов, поиск
файлов, получение и установку файловых атрибутов, блокирование записей.
3. Сервис печати. Рабочая станция может ставить файлы в очередь для печати
на сервере и получать информацию об очереди печати.
4. Сервис сообщений. SMB поддерживает простую передачу сообщений со
следующими
функциями:
послать
простое
сообщение;
послать
широковещательное сообщение; послать начало блока сообщений; послать
текст блока сообщений; послать конец блока сообщений; переслать имя
пользователя; отменить пересылку; получить имя машины.
17
Модель OSI и стек TCP IP
Набор (стек) протоколов TCP/IP был специально разработан для глобальных сетей и
для межсетевого взаимодействия. Он изначально ориентирован на низкое качество
каналов связи, на большую вероятность ошибок и разрывов связей. Этот протокол
принят во всемирной компьютерной сети Интернет, значительная часть абонентов
которой подключается по коммутируемым линиям (то есть обычным телефонным
линиям). Как и протокол IPX/SPX, протокол TCP/IP также поддерживает
маршрутизацию. На его основе работают протоколы высоких уровней, такие как
SMTP, FTP, SNMP. Недостаток протокола TCP/IP —более низкая скорость работы, чем
у IPX/SPX. Однако сейчас протокол TCP/IP используется и в локальных сетях, чтобы
упростить согласование протоколов локальных и глобальных сетей. В настоящее
время он считается основным в самых распространенных операционных системах.
В стек протоколов TCP/IP часто включают и протоколы всех верхних уровней (рис.
9). И тогда уже можно говорить о функциональной полноте стека TCP/IP.
(7)
Уровни стека TCP/IP
1.
Физический уровень описывает среду передачи данных (будь то
кабель, оптоволокно или радиоканал), физические характеристики такой среды
и принцип передачи данных.
2.
Канальный уровень описывает, каким образом передаются пакеты
данных через физический уровень, включая кодирование (т.е. специальные
последовательности битов, определяющих начало и конец пакета данных).
3.
Сетевой уровень изначально разработан для передачи данных из одной
(под) сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети
ARPANET. С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены
дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть,
независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать
данные от удалённой стороны.
4.
Протоколы транспортного уровня могут решать проблему
негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»),
а также гарантировать правильную последовательность прихода данных.
5.
На прикладном уровне работает большинство сетевых приложений.
Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией,
например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта),
SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование
символьных имён в IP-адреса) и многие другие.
Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI,
поскольку уровни в этих моделях не совпадают.
18
Упрощенно интерпретацию стека TCP/IP можно представить так:
ISO/OSI
TCP/IP
7 Прикладной
6 Представительный
5 Сеансовый
4 Транспортный
3 Сетевой
2 Канальный
1 Физический
HTTP, FTP, DNS (RIP, работающий поверх
UDP и BGP, работающий поверх TCP,
являются частью сетевого уровня)
Прикладной
TCP, UDP, RTP, SCTP, DCCP (протоколы
маршрутизации, подобные OSPF, что
работают поверх IP, являются частью
сетевого уровня)
Транспортный
IP (вспомогательные протоколы, вроде
ICMP и IGMP работают поверх IP, но
являются частью сетевого уровня; ARP
не работает поверх IP)
Сетевой
Ethernet, Token ring, и подобные
Физический
Инкапсуляция и обработка пакетов
(8)
При продвижении пакета данных по уровням сверху вниз каждый новый
уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и,
возможно, трейлера (информации, помещаемой в конец сообщения). Эта операция
называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакете нижнего уровня.
Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном
компьютере, ее формат и интерпретация определяются протоколом данного уровня.
Разумеется, данные, приходящие с верхнего уровня, могут на самом деле
представлять собой пакеты с уже инкапсулированными данными еще более
верхнего уровня.
С другой стороны, при получении пакета от нижнего уровня он разделяется
на заголовок (трейлер) и данные. Служебная информация из заголовка (трейлера)
анализируется и в соответствии с ней данные, возможно, направляются одному из
объектов верхнего уровня. Тот в свою очередь рассматривает эти данные как пакет
со своей служебной информацией и данными для еще более верхнего уровня, и
процедура повторяется, пока пользовательские данные, очищенные от всей
служебной информации, не достигнут прикладного процесса.
Возможно, что пакет данных не будет доведен до самого верхнего уровня,
например, в случае, если данный компьютер представляет собой промежуточную
станцию на пути между отправителем и получателем. В этом случае объект
соответствующего уровня при анализе служебной информации заметит, что пакет
на этом уровне адресован не ему (хотя с точки зрения нижележащих уровней он был
адресован именно этому компьютеру). Тогда объект выполнит необходимые
действия для перенаправления пакета к месту назначения или возврата
отправителю с сообщением об ошибке, но в любом случае не будет продвигать
данные на верхний уровень.
19
Список использованных материалов
1 – В.Г.Олифер, Н.А. Олифер – Компьютерные сети. 3-е изд. – М.: Питер, 2006.
2 – Г. Хелд -Технологии передачи данных. 7-е изд. – М.: Питер, 2003
3 – CISCO Internetworking Technology Overview – пер. Владимир Плешаков (Сервер МаркИТТ)
4 – Intuit.ru – Интернет Университет Информационных Технологий
5 – Citforum.ru – Аналитический портал для IT специалистов
6 – Unix.stat.burnet.ru – документация по Unix
7 – Wikipedia.org - Интернет - Энциклопедия
8 – С.А. Пескова, А.В. Кузин, А.Н. Волков – Сети и Телекоммуникации. 2-е изд. – М.:
Академия, 2007
9 – С.Е. Сосенушкин – Лекции по курсу «Сети ЭВМ и Телекоммуникации»
20