Рассмотрим каждый из семи уровней модели OSI и услуги, которые они предоставляют смежным уровням.
Физический уровень
Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой СА и способ передачи сигналов по сетевому кабелю. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта.
Физический уровень реализуется аппаратно и выполняет:
Ø передачу битов по физическим каналам;
Ø формирование электрических сигналов;
Ø кодирование информации;
Ø синхронизацию;
Ø модуляцию.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10BaseT 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.
Канальный уровень
Основная задача Канального уровня (Data Link layer) – преобразовать способность физического уровня передавать данные в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего Сетевого уровня. Эту задачу Канальный уровень выполняет при помощи разбиения входных данных на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр данных передается только после получения и обработки кадра подтверждения, посылаемого обратно получателем.
В сетях, в которых линии связи разделяются, то есть используются попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другая задача канального уровня — реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая для его выделения специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и высокоскоростной технологии Frame Relay. Frame Relay –сравнительно новые сети, которые лучше подходят для передачи пульсирующего трафика локальных сетей по сравнению с сетями X.25, но это преимущество проявляется только тогда, когда каналы связи приближаются по качеству к каналам локальных сетей, а для глобальных только при использовании оптоволоконных кабелей. Преимущество – низкая протокольная избыточность, дейтаграммный режим работы, что обеспечивает высокую пропускную способность и небольшие задержки кадров. Надежную передачу кадров технология не обеспечивает. Сети Frame Relay специально разрабатывались как общественные сети для соединения частных локальных сетей. Скорость передачи до 2Мбит/с.
На рис. 2.6 представлен простой кадр данных, где идентификатор отправителя – адрес компьютера-отправителя, а идентификатор получателя – адрес компьютера-получателя. Управляющая информация используется для маршрутизации, указания типа пакета и сегментации. CRC (Cyclical Redundancy Check, циклический избыточный код) – позволяет выявить ошибки и гарантирует правильный прием информации.
Функции канального уровня состоят в надежной доставке пакета:
1. Между двумя соседними станциями в сети с произвольной топологией.
2. Между любыми станциями в сети с типовой топологией:
Ø проверка доступности разделяемой среды;
Ø выделение кадров из потока данных, поступающих по сети; формирование кадров при отправке данных;
Ø подсчет и проверка контрольной суммы.
Рис.2.6. Кадр данных
Реализуются канальный уровень программно-аппаратно.
В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов точка-точка (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP (Point-to-Point Protocol) и LAP-B (Link Access Procedure, Balanced, сбалансированный протокол доступа к звену связи, используемый для доступа в сети X.25 на канальном уровне. В X.25 используется также несбалансированный вариант LAP. Протоколы LAP и LAP-B относятся к числу полнодуплексных протоколов точка-точка с битовой синхронизацией). В глобальных сетях для доставки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня. Именно так организованы сети X.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM (Asynchronous Transfer Mode) и Frame Relay.
Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня — сетевой и транспортный.
Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхних уровней, узлу назначения, адрес которого также указывает протокол верхнего уровня. Протоколы канального уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата, помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра, а также сопровождая кадр контрольной суммой. Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных, как правило, в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией, например в односегментных сетях Ethernet или же в многосегментных сетях Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных только мостами и коммутаторами. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии.
Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа точка-точка глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий. Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня.
Сетевой уровень
Сетевой уровень (Network Layer) управляет операциями подсети. Он отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические. Важнейшей операцией при этом является определение маршрутов пересылки пакетов от источника к пункту назначения. Маршруты могут быть жестко заданы в виде таблиц, и редко меняться. Но они могут задаваться в начале каждого соединения, например терминальной сессии, или быть динамическими, то есть вычисляемыми заново для каждого пакета с учетом текущей загруженности сети. Если в подсети одновременно присутствуют слишком большое количество пакетов, то они могут закрыть дорогу друг другу и образовать заторы. Исключение подобной закупорки также является задачей Сетевого уровня. Поскольку использование подсетей не бесплатно, в Сетевой уровень встраиваются различные функции учета. Сетевой уровень разрешает также проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в другую, позволяя объединять разнородные сети. Если сетевой адаптер маршрутизатора не способен передавать большие блоки данных, посланные отправителем, на Сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие. А Сетевой уровень компьютера-получателя собирает их и приводит в исходное состояние. Примеры протоколов сетевого уровня – IP и IPX.
Транспортный уровень
Основная функция Транспортного уровня (Transport Layer) – принять данные от Сеансового уровня, разбить их при необходимости на небольшие части и передать Сетевому уровню, гарантируя, что эти части в правильном порядке прибудут по назначению. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии. Обычно Транспортный уровень создает отдельное сетевое соединение для каждого транспортного соединения, нужного Сеансовому уровню. Но если транспортное соединение требует высокой пропускной способности, Транспортный уровень может создать несколько сетевых соединений, разделяя поток данных между ними. С другой стороны Транспортный уровень может и объединить несколько транспортных соединений в одном сетевом соединении. В любом случае Транспортный уровень делает такое объединение или разделение соединений прозрачным для сеансового уровня. Помимо объединения нескольких потоков сообщений в один канал, Транспортный уровень также следит за созданием и удалением сетевых соединений, управляет потоком сообщений, проверяет ошибки и участвует в решении задач, связанных с отправкой и получением пакетов. Транспортный уровень является сквозным уровнем, то есть доставляющим сообщения от источника до адресата. Программа на машине-источнике поддерживает связь с такой же программой на машине-получателе при помощи заголовков сообщений и управляющих сообщений. На более низких уровнях для подкрепления этого устанавливаются соединения между всеми соседними машинами, через которые проходит маршрут сообщений. Таким образом, возникает различие между уровнями с 1-го по 3-й, действующими по принципу звеньев цепи, и уровнями с 4-го по 7-й, являющими сквозными. Примеры протоколов транспортного уровня – TCP и SPX.
Сеансовый уровень
Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
Сеансовый уровень осуществляет управление диалогом объектов прикладного уровня:
Ø устанавливает способ обмена сообщениями (дуплексный или полудуплексный);
При возрастании сетевого трафика возникает необходимость увеличения скорости передачи данных. Одним из решений является максимизация использования канала данных с помощью таких методов передачи информации, как симплексный (данные передаются только в одном направлении от отправителя к получателю; метод не позволяет определять ошибки во время передачи; применяется в радио- и телевещании), полудуплексный (информация может передаваться в двух направлениях попеременно; метод позволяет определять ошибки и исправлять их, посылая запрос на повторную передачу данных; применяется в большинстве модемов и в Internet – Web-страница передается после запроса), дуплексный (данные пересылаются в двух направлениях одновременно, применяется в кабельных сетях, например, для телефонной связи), полнодуплексный (сетевой адаптер может одновременно передавать свои данные в сеть и принимать из сети чужие данные, такой режим обеспечивается при прямом соединении с мостом/коммутатором или маршрутизатором);
Ø синхронизирует обмен сообщениями;
Ø организует контрольные точки диалога.
Итак, Сеансовый уровень управляет диалогом между взаимодействующими процессами, устанавливая, какая из сторон, когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.
Представительный уровень
Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например в кодах ASCII и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code — расширенный двоично-десятичный код обмена информацией, произносится эб-си-дик, IBM–переход от перфокарт к ASCII). На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
Уровень представления осуществляет согласование представления данных при взаимодействии двух прикладных процессов:
Ø преобразует данные из внешнего формата во внутренний;
Ø шифрует и дешифрует данные.
Ø управляет сжатием данных для уменьшения объема передаваемых бит.
На Представительном уровне работает редиректор – утилита, которая переадресует локальные операции ввода/вывода на сетевой сервер.
Прикладной уровень
Прикладной уровень (Application layer) — это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют совместную работу, например с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).
Прикладной уровень организует набор всех сетевых сервисов, которые предоставляет система конечному пользователю. Это:
Ø идентификация, проверка прав доступа;
Ø принт- и файл-сервис, почта, удаленный доступ.
Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением данных после сбоев связи.
Существует много различных служб прикладного уровня. Например, несколько наиболее распространенных реализаций файловых служб – NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.