В 1978 г. ISO (International Standards Organization) выпустила набор спецификаций, описывающих модель взаимодействия открытых систем, то есть систем, доступных для связи с другими системами. Это был первый шаг к международной стандартизации протоколов. Все системы могли теперь использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией.
В 1984 г. ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO. Эта версия стала международным стандартом. Ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, ее придерживаются при построении сетей. Полностью модель носит название ISO/OSI (Open System Interconnection) Reference Model. Для краткости ее называют модель OSI. Модель OSI не является сетевой архитектурой, так как не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать каждый уровень. Важно также понимать, что эталонная модель не является чем-то реальным, таким, что обеспечивает связь. Сама по себе она не заставляет коммуникации функционировать и служит лишь для классификации. Она классифицирует то, что непосредственно работает, а именно – протоколы. Протоколом считается набор спецификаций, определяющих реализацию одного или нескольких уровней OSI. ISO разработала также стандарты для каждого уровня, хотя эти стандарты не входят в саму эталонную модель. Каждый из них был опубликован как отдельный международный стандарт.
Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель была разработана на основании большого опыта, полученного в 70-е годы при создании глобальных компьютерных сетей. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.
Рис. 2.4. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI
В модели OSI (рис. 2.4) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Появление именно семи уровней было обусловлено следующими принципами:
1. Уровень должен создаваться только в случае необходимости отдельного уровня абстракции.
2. Каждый уровень должен выполнять строго определенную функцию.
3. Выбор функций для каждого уровня должен определяться с учетом создания стандартизованных международных протоколов.
4. Границы между уровнями должны выбираться так, чтобы поток данных между интерфейсами был минимальным.
5. Количество уровней должны быть достаточным, чтобы различные функции не объединялись в одном уровне без необходимости, но не слишком большим, чтобы структура не становилась громоздкой.
Определенные сетевые функции, выполняемые на каждом уровне, взаимодействуют только с функциями соседних уровней – вышестоящего и нижележащего. Например, Сеансовый уровень должен взаимодействовать только с Представительным и Транспортным уровнями. Все эти функции подробно описаны.
Каждый уровень выполняет несколько операций при подготовке данных для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отделяются друг от друга границами – интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень, выполняя свои функции, пользуется услугами нижележащего уровня. Самые нижние уровни – 1-й и 2-й – определяют физическую среду при передаче битов данных через плату СА и кабель. Самые верхние уровни определяют, каким способом реализуется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.
Задача каждого уровня – предоставление услуг вышележащему уровню, маскируя при этом детали реализации этих услуг. Каждый уровень на компьютере-отправителе работает так, как будто он напрямую связан с соответствующим уровнем на компьютере-получателе. Эта виртуальная связь показана на рис. 2.4 двунаправленными стрелками. В действительности же связь осуществляется между соседними уровнями одного компьютера. Программное обеспечение каждого уровня реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов.
Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты, передаваемые между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно все уровни ПО от прикладного до физического, при этом на каждом уровне к пакету добавляется служебная информация, необходимая для безошибочной передачи данных по сети.
На принимающей стороне пакет также проходит через все уровни, но в обратном порядке. ПО каждого уровня анализирует информацию пакета, удаляет ту информацию, которая добавлена к пакету на таком же уровне отправителем, и передает пакет следующему уровню. По достижении пакетом Прикладного уровня вся служебная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид.
Таким образом, только Физический уровень сетевой модели может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Информация на компьютере-отправителе и компьютере-получателе должна пройти все уровни, начиная с того, с которого она посылается, и заканчивая соответствующим уровнем того компьютера, которым она принимается. Например, если Сетевой уровень передает информацию с компьютера A, то она спускается через Канальный и Физический уровни в сетевой кабель, затем попадает в компьютер B, где поднимается через Физический и Канальный уровни и достигает Сетевого уровня. В среде клиент-сервер примером такой информации служит адрес и результат контроля ошибок, добавленные к пакету.
Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интерфейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень предоставляет верхнему, и способ доступа к ним.
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами и аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Приложения реализуют собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.
Следует также иметь в виду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI. 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 моделии обращается напрямую к системным средствам, ответственным за транспортировку сообщений по сети, которые располагаются на нижних уровнях модели OSI.
Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата, которое состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. Заголовок должен содержать информацию о местонахождении файла и о типе операции, которую необходимо выполнить. Поле данных сообщения может быть пустым или содержать какие-либо данные, например те, которые необходимо записать в удаленный файл. Но для того чтобы доставить эту информацию по назначению, предстоит решить еще много задач, ответственность за которые несут нижележащие уровни.
После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию — заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. Некоторые протоколы помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого концевика. Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение обрастает заголовками всех уровней (рис. 2.5).
Когда сообщение по линии связи поступает на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.
Рис. 2.5. Вложенность сообщений различных уровней
Наряду с термином сообщение (message) существуют и другие термины для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных используется общее название протокольный блокданных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определенных уровней часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram).