Сетевые модели OSI: принципы работы и уровни

В компьютерной терминологии слово «сеть» означает структуру соединения устройств и систем через логические и физические каналы связи. Для поддержания порядка в таких системах компоненты сети делятся на конечные устройства, промежуточные узлы и транспортную среду, которая нужна для передачи данных.

В этой статье мы расскажем о модели OSI (Open Systems Interconnection), которая разработана для описания процессов обмена данными в локальных и глобальных сетях.

Как появилась модель OSI

В 1970-х годах, с появлением интернета, возникла потребность в стандартизации работы компьютерных сетей. Специалисты Международной организации по стандартизации (ISO) решили разработать единые правила и ограничения, которые должны контролировать процесс обмена данными между устройствами.

В 1977 году ISO привлекла ученых и инженеров из разных стран для создания единого стандарта сетевого взаимодействия. Их цель заключалась в том, чтобы устранить несовместимость устройств от разных производителей. В результате этого сотрудничества в 1984 году появилась эталонная модель OSI.

Принципы работы OSI

Эталонная модель OSI обеспечивает универсальность, согласованность и эффективность передачи информации между устройствами благодаря своим базовым принципам.

Среди ее ключевых компонентов можно отметить следующие:

• Многоуровневое взаимодействие. Модель OSI разделена на уровни, каждый из которых выполняет свои функции, не влияя на работу других уровней.
• Иерархичность. Уровни OSI выстраиваются в строгой последовательности, что обеспечивает соблюдение всех правил передачи данных.
• Протоколы согласования. Обмен информацией между уровнями осуществляется с использованием протоколов, которые обеспечивают согласованность взаимодействия.
• Широкая совместимость. Модель OSI подходит для любых сетей, независимо от их типа.

Универсальность и строгое разделение функций в модели OSI делают ее оптимальным инструментом для стандартизации сетевого взаимодействия между устройствами. Ее принципы остаются актуальными в любых условиях работы сетей.

Уровни OSI

Модель OSI состоит из семи независимых уровней, которые используют собственные протоколы для передачи данных между компьютерами. Каждый из них предназначен для решения определенного круга задач в общем процессе.

В нижних уровнях модели происходит передача данных через физические носители (например, кабели и радиоволны). Верхние уровни работают с программами и пользователем, обеспечивая удобный и понятный обмен информацией.

Первый уровень: физический (Physical Layer, L1)

Физический уровень  предназначен для передачи данных в форме электрических, световых или радиосигналов.

Основные функции физического уровня:

• работа с проводниками для передачи данных;
• преобразование информации в двоичный код;
• настройка физических параметров передачи, включая частоту, амплитуду, напряжение и прочих.

Передача сигналов на этом уровне осуществляется через различные физические среды, что требует настройки адресов устройств.

Например:

• Ethernet (кабели);
• Wi-Fi и Bluetooth (беспроводные сигналы).

Этот уровень работает с аппаратными компонентами сети, включая компьютеры, коннекторы, микросхемы, сетевые устройства, медиа-конвертеры и концентраторы. Его функции ограничиваются исключительно передачей и приемом сигналов, без учета их логики или содержания данных.

Второй уровень: канальный (Data Link Layer, L2)

Канальный уровень выполняет функции управления адресами, обнаружения и исправления ошибок, а также контроля целостности данных. На этом уровне потоки битов (единицы и нули) преобразуются в кадры (frames) – структурированные единицы передачи данных.

Особенности работы канального уровня:

• Понимание и обработка физических сигналов (амплитуда, напряжение) с их последующим кодированием.
• Формирование кадров данных с включением информации об адресах отправителя и получателя перед отправкой.
• Управление доступом к среде передачи с использованием протоколов подуровня MAC.

Канальный уровень обрабатывает сигналы, поступающие с физического уровня, и гарантирует их корректную передачу на следующий уровень.

Третий уровень: сетевой (Network Layer, L3)

На сетевом уровне (L3) осуществляется выбор маршрутов для передачи сигналов от источника к адресату. Он обеспечивает надежную доставку пакетов в сложных и многоуровневых сетях.

Этот уровень обеспечивает выполнение следующих задач:

• Маршрутизация – поиск и выбор наиболее эффективного маршрута для передачи данных в сети.
• Работа с адресами – определение отправителя и получателя данных с помощью их IP-адресов.
• Пакетирование – данные на сетевом уровне разбиваются на пакеты, в которых указана информация об IP-адресах отправителя и получателя.

Сетевой уровень выполняет функцию сопоставления IP-адресов с MAC-адресами, что позволяет эффективно организовать передачу данных между устройствами в сетях различного масштаба. При этом роутеры и маршрутизаторы анализируют адреса в пакетах информации и направляют их по лучшим маршрутам.

Четвертый уровень: транспортный (Transport Layer, L4)

Транспортный уровень отвечает за надежную передачу данных, поддерживая их целостность и последовательность между устройствами.

Для выполнения своих задач этот уровень использует два ключевых протокола:

• TCP (протокол управления передачей);
• UDP (протокол пользовательских датаграмм).

Выбор между ними осуществляется с учетом требований к скорости и точности.

Протокол TCP

Протокол TCP является гарантом надежной доставки данных между компьютерами по заданному адресу. Он выполняет строгий контроль над передачей и обеспечивает, чтобы все пакеты доходили до адресата в правильной последовательности и без ошибок. Такой подход особенно важен в сценариях, где требуется высокая точность (например, при вводе логинов и паролей). Даже небольшая ошибка может стать препятствием для авторизации на сайте.

Протокол UDP

Протокол UDP отличается более простой и быстрой передачей данных, где контроль точности минимален. Этот подход используется в ситуациях, где небольшие потери данных не критичны, например, при потоковой передаче видео или аудио. Данные передаются в виде автономных датаграмм, каждая из которых содержит всю необходимую информацию для доставки адресату, даже если маршрут передачи произволен и не зависит от состояния сети.

Транспортный уровень обеспечивает гибкость в зависимости от потребностей: максимальная точность с TCP или высокая скорость с UDP.

Пятый уровень: сеансовый (Session Layer, L5)

Сеансовый уровень предназначен для создания, управления и завершения соединений между устройствами. Его основная задача – обеспечить передачу данных в форме, понятной пользователю, чтобы человек мог взаимодействовать с привычными файлами, звонками или сообщениями.

Основные функции сеансового уровня:

• Управление соединением. Уровень инициирует и поддерживает сеанс связи между устройствами, обеспечивая стабильность соединения. Например, при телефонных звонках, видеоконференциях или в мессенджерах.
• Обработка разрывов связи. В случае прерывания соединения сеансовый уровень обеспечивает повторное подключение или корректное завершение сессии.
• Синхронизация передачи данных. Протоколы этого уровня обеспечивают передачу и прием данных в правильной последовательности, сохраняя целостность информации.

Примеры использования:

• Передача мультимедиа. Видео- и аудиофайлы передаются через сеансовый уровень с использованием кодеков, которые сжимают файлы, сохраняя их качество.
• Обеспечение совместимости. Уровень проверяет наличие необходимых кодеков и алгоритмов для корректного обмена данными между собеседниками.

Сеансовый уровень делает возможным использование мультимедиа, мессенджеров и других приложений на устройствах, которые требуют устойчивого соединения.

Шестой уровень: представления данных (Presentation Layer, L6)

Уровень представления данных выполняет преобразование форматов данных, их сжатие, кодирование и, при необходимости, шифрование. Этот уровень делает данные совместимыми и удобными для обработки отправителем и получателем.

Основные функции уровня:

• Преобразование форматов. Уровень преобразует данные в формат, который подходит для их передачи или использования. Например, он может преобразовать поток данных в файл MP4 для воспроизведения мультимедиа.
• Кодирование и декодирование. Перед отправкой данные кодируются в стандартный формат, а при получении декодируются, возвращаясь в изначальный вид.
• Сжатие данных. Уровень выполняет сжатие данных для уменьшения их размера, что ускоряет передачу и снижает нагрузку на сеть.
• Шифрование и расшифровка. Для обеспечения безопасности уровень может шифровать данные перед отправкой и расшифровывать их при получении.

При отправке данных шестой уровень преобразует информацию в поток битов, выполняет ее сжатие и передает транспортному уровню для дальнейшей обработки. При приеме данных процесс осуществляется в обратном порядке: транспортный уровень передает битовый поток, который затем декодируется, расшифровывается (если требуется) и преобразуется в конечный формат.

Седьмой уровень: прикладной (Application Layer, L7)

Прикладной уровень предоставляет пользователям возможность взаимодействия с сетью через приложения и сервисы.

Основные функции прикладного уровня:

• Работа с сетевыми интерфейсами. Уровень взаимодействует с популярными протоколами, такими как FTP (для передачи файлов), HTTP (для веб-страниц) и SMTP (для электронной почты).
• Взаимодействие с пользователем. Прикладной уровень предоставляет графический интерфейс или другие средства, которые упрощают использование сетевых сервисов.
• Запросы и ответы. Например, браузер отправляет HTTP-запрос на веб-страницу, а прикладной уровень обеспечивает получение HTML-страницы для отображения пользователю.

Примеры работы:

• Веб-браузеры – пользователь вводит URL в браузере, а прикладной уровень обрабатывает запрос, взаимодействуя с HTTP-протоколом для загрузки HTML-страницы.
• Программы передачи файлов – используя FTP, прикладной уровень управляет загрузкой или передачей файлов через сеть.
• Электронная почта – сервисы отправки и получения писем работают через протоколы SMTP или IMAP, доступные на этом уровне.

Прикладной уровень напрямую взаимодействует с пользователем, являясь «лицом» всей модели OSI. Он обеспечивает доступ к ресурсам сети и позволяет выполнять задачи, такие как просмотр веб-страниц, отправка электронной почты или загрузка файлов.

Преимущества модели OSI

Модель OSI обладает рядом ключевых преимуществ, которые делают ее удобной и востребованной для разработки, управления и использования сетевых систем.

Стандартизация

Общие правила и протоколы, заложенные в модели OSI, обеспечивают совместимость устройств от разных производителей. Это позволяет эффективно обрабатывать действия и передавать данные без искажений, независимо от используемых технологий.

Масштабируемость

Модель OSI поддерживает возможность добавления или изменения отдельных уровней. Благодаря этому она легко адаптируется под новые технологии и потребности сетевой инфраструктуры.

Гибкость

Независимость уровней позволяет быстро и просто обмениваться данными. Конфигурация сети может меняться без влияния на ее основную функциональность, а процессы остаются стабильными благодаря базовым принципам модели.

Управляемость

Модель OSI обеспечивает эффективный контроль за передачей и приемом данных. Она упрощает мониторинг, управление и настройку сети.

Надежность

Разделение на уровни помогает быстро локализовать и устранить проблемы или ошибки. Это снижает время простоя сети и улучшает ее стабильность.

Простота обучения

Упрощенная структура уровней и использование стеков протоколов делают модель OSI понятной даже для начинающих пользователей. Ее концепции легко воспринимаются и помогают освоить сетевые принципы, используемые в современных программах и приложениях.

Недостатки модели OSI

Несмотря на свои преимущества, модель OSI обладает рядом недостатков, которые усложняют ее использование в некоторых сценариях.

Отсутствие четкого разграничения сегментов

Модель OSI иногда предлагает неоднозначные решения. Некоторые задачи могут быть выполнены на нескольких уровнях. Это создает сложности в реализации и вызывает неоднозначность при проектировании сетей.

Закрытая технология

Модель OSI является запатентованной и требует оплаты за использование. Это ограничивает ее доступность и делает менее привлекательной по сравнению с открытыми альтернативами, такими как TCP/IP.

Альтернативы модели OSI

Помимо OSI, существуют и другие модели, которые предлагают свои подходы к организации сетей.

TCP/IP

Технология TCP/IP состоит из четырех уровней, которые предоставляют аналогичные возможности, как модель OSI. Простота и своевременность внедрения TCP/IP сделали ее стандартом для современных сетевых устройств и интернета. Благодаря своей универсальности и открытости, она является самой распространенной моделью в мире.

IBM SNA (Systems Network Architecture)

Эта модель, как и OSI, состоит из семи уровней. Она была разработана для высокопроизводительной передачи данных между серверами и эффективного взаимодействия с компьютерными программами. IBM SNA активно использовалась в корпоративных средах, особенно на мэйнфреймах.

NetWare

Система NetWare представляет собой закрытую модель. Она функционирует на основе выделенного сервера, к которому подключаются пользователи для доступа к сетевым ресурсам, таким как дисковое пространство. Хотя популярность NetWare со временем снизилась, она оставила след в развитии сетевых технологий.

Заключение

Ежегодно появляются новые решения, которые расширяют возможности технологий. На сегодняшний день существует более 7000 протоколов, изучение которых становится сложным даже для опытных специалистов. Модель OSI остается важным инструментом, который помогает инженерам и разработчикам изучать особенности взаимодействия сетевых устройств, адаптировать технологии и стандартизировать процессы.