Модель OSI

Модель OSI является одним из механизмов, по которым работает интернет и осуществляется передача данных. Данная модель состоит из 7 слоев, у каждого из которых есть свой набор протоколов.

Мы расскажем, что такое модель OSI, про ее уровни и как она функционирует на практике.

Информация будет важной, полезной или интересной для всех, кому интересна профессия сетевого инженера, тем, кто хочет вникнуть в суть сетевых протоколов, в тонкости обеспечения безопасности и управления сетевыми настройками и т. д.

Модель OSI – что это

Модель OSI (Open Systems Interconnection) представляет собой базовую эталонную модель в сетевых взаимодействиях открытых систем, разработанную Международной организацией по стандартизации (ISO) в конце 1970-х годов. Она служит основой для понимания и разработки сетевых архитектур и протоколов. Модель OSI разделяет процесс передачи данных в сети на семь логических уровней, каждый из которых выполняет свои специализированные функции. Уровни OSI model работают как последовательная цепочка, где каждый уровень предоставляет свои услуги следующему.

1 уровень OSI

1 уровень OSI называется физическим. Он является основополагающей частью модели взаимодействия открытых систем (OSI). 1 уровень определяет физические характеристики и механизмы передачи данных между устройствами в сети. На этом уровне происходит непосредственное взаимодействие с аппаратными средствами –кабелями, разъемами, сетевыми интерфейсами и передатчиками.

Протоколы 1 уровня модели OSI, определяют методы и средства передачи необработанных битов через физическое среду передачи, такую как электрические проводники, оптоволоконные каналы или беспроводные технологии. Особую роль физический уровень играет в определении методов модуляции и демодуляции сигналов. Он отвечает за преобразование цифровых сигналов в физические и обратно, что позволяет эффективное кодирование и декодирование информации при ее передаче по физической среде.

Протоколы, использующие электрические сигналы, могут варьироваться в зависимости от частоты и амплитуды сигналов, в то время как протоколы оптоволоконной связи основываются на модуляции света. В беспроводных сетях используются радиоволны, параметры которых также могут изменяться для оптимизации передачи данных.

Протоколы физического уровня также должны обеспечивать синхронизацию сигналов, чтобы принимающее устройство могло корректно интерпретировать полученные биты. Это достигается использованием различных методов кодирования и модуляции, таких как манчестерское кодирование или методы частотной модуляции.

2 уровень OSI

2 уровень OSI называется канальным. Он обеспечивает надежную передачу данных между двумя узлами в локальных или широких сетях. Одной из основных задач этого уровня является управление доступом к физической среде передачи данных, а также обеспечение надежности передачи с использованием методов обнаружения и исправления ошибок.

Протоколы 2 уровня:

• Ethernet определяет, как передавать фреймы данных по канальной среде, и работает на основе технологии CSMA/CD. Эта технология обеспечивает эффективное использование сетевых каналов путем предотвращения коллизий и их быстрого разрешения, когда они происходят.
• PPP (Point-to-Point Protocol). Он используется преимущественно для прямых соединений между двумя узлами и поддерживает динамическую конфигурацию соединений и многопротокольную передачу. РРР также может оптимизировать процесс аутентификации и шифрования, что делает его идеальным для подключения через модемы.
• Frame Relay предоставляет более сложные механизмы, например, X.25, уменьшая время передачи данных за счет упрощенной схемы управления потоком и уменьшенной избыточности информации. Frame Relay часто используется для интерсетевых соединений и передачи данных в сетях с переменной пропускной способностью.
• MAC (Media Access Control) обеспечивают доступ к физическим каналам и управляют адресацией на уровне передачи данных. MAC-адреса уникально идентифицируют устройства в сети, что позволяет правильную доставку фреймов получателю.

3 уровень OSI

3 уровень OSI сетевой. Он отвечает за маршрутизацию пакетов данных между различными сетями. Он занимается созданием логических адресов и маршрутов передачи данных, что позволяет пакетам находить свой путь через сложные сети. Протоколы 3 уровня:

• IP (Internet Protocol). Протокол IP обеспечивает доставку пакетов данных от отправителя к получателю через различные сети. Он обеспечивает адресацию и фрагментацию данных, чтобы пакеты могли пересылаться независимо и достигать своего пункта назначения даже в сложных сетевых топологиях. IP существует в двух версиях — IPv4 и IPv6, где первая широко используется, а вторая постепенно заменяет ее благодаря большему объему адресного пространства и улучшенной функциональности.
• ICMP используется для передачи диагностических и управляющих сообщений между сетевыми устройствами. Например, он используется в таких утилитах, как ping и traceroute, для проверки доступности узлов сети и определения путей прохождения пакетов. ICMP сообщения могут сигнализировать о недоступности хоста, изменениях в маршруте, установке пределов времени жизни (TTL) для пакетов и других сетевых событиях.
• ARP служит для сопоставления IP-адресов с физическими адресами устройств (MAC-адресами) в локальных сетях. Когда устройство хочет отправить пакет данных, оно использует ARP, чтобы узнать MAC-адрес устройства назначения, необходимый для формирования кадра канального уровня. Обратный ARP (RARP) также существует и используется для решения обратной задачи — определения IP-адреса при известном MAC-адресе.
• Сетевой слой включает также множество других протоколов, таких как OSPF (Open Shortest Path First) и BGP (Border Gateway Protocol), которые используются для управления маршрутизацией данных в сложных сетевых устройствах. Эти протоколы помогают устройствам выбирать наилучшие маршруты для передачи данных, обеспечивая эффективность и надёжность сетевых коммуникаций.

4 уровень OSI

Уровень 4 модели OSI, называется транспортный уровень. Его основная задача в доставке данных независимо от качества соединения, перемежающих сетей или других факторов внешней среды.

Протоколы 4 уровня:

• TCP (Transmission Control Protocol). TCP обеспечивает установление соединения, гарантирует доставку пакетов в правильном порядке и предоставляет механизмы контроля ошибок. Он подходит для приложений, где точность передачи важнее скорости, таких как веб-сайты, электронная почта и передача файлов.
• UDP (User Datagram Protocol) в свою очередь, обеспечивает более простой механизм передачи данных без установления соединения и контроля доставки. Это обуславливает его использование в приложениях, где скорость важнее точности, таких как потоковое видео или аудиочаты в реальном времени.
• TLS (Transport Layer Security), который обеспечивает шифрование данных, передаваемых между приложениями.
• TCP (Transmission Control Protocol), гарантируют доставку данных в нужной последовательности.

Транспортный уровень отвечает за мультиплексирование и демультиплексирование, что позволяет различным приложениям обмениваться данными через один сетевой адрес. Номер порта, присоединенный к каждому сообщению, позволяет различать потоки данных для разных приложений.

5 уровень OSI

Пятый уровень сеансовый. Это слой, который непосредственно отвечает за установление, управление и завершение сеансов или соединений между приложениями на различных системах.

Сеансовый уровень позволяет приложениям устанавливать и поддерживать связи во время передачи данных, обеспечивая корректную организацию и координацию взаимодействия. Основные задачи этого уровня включают управление сеансовыми проверками, синхронизацию и контроль диалога между взаимодействующими процессами. Он также отвечает за восстановление сеансов при разрывах связи.

На сеансовом уровне существует несколько протоколов, играющих важную роль в управлении соединениями:

• RPC (Remote Procedure Call). Протокол, позволяющий программе запрашивать выполнение процедуры на удаленной системе точно так же, как если бы она вызывалась локально. Это упрощает распределенную архитектуру приложений, обеспечивая видимость удалённых вызовов.
• NetBIOS (Network Basic Input Output System). Предоставляет услуги на уровне сеанса, поддерживая связь между приложениями в сетевой среде. Он обеспечивает сервисы в виде именования, управления сессиями и передачи данных.
• PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol). Используется для создания виртуальных частных сетей (VPN), трансформируя данные для их безопасного перемещения через точки доступа в интернете.
• SIP (Session Initiation Protocol). Применяется для установления, поддержания и завершения мультимедийных сеансов, таких как голосовые и видео-вызовы в IP-сетях.
• TLS/SSL (Transport Layer Security/Secure Sockets Layer). Хотя более известны как протоколы транспортного уровня, они также обеспечивают сеансовые функции через поддержку установки зашифрованных соединений, благодаря чему усиливается безопасность передаваемых данных.

6 уровень OSI

На шестом уровне модели OSI расположен уровень представления, который играет ключевую роль в обеспечении совместимости данных, передаваемых между различными системами. Его основной задачей является преобразование данных из формата, который использует одно приложение, в формат, воспринимаемый другим, осуществляя так называемый процесс «перевода». Это преобразование может включать в себя, изменение кодировки данных, сжатие или распаковку данных, шифрование или расшифровку. Вместе с тем уровень представления также занимается вопросами синтаксической и семантической интерпретации информации.

На этом уровне ОСИ могут работать различные протоколы и стандарты, включая, например, такие как ASCII, EBCDIC, JPEG, TIFF, GIF для графических данных, а также MPEG, MIDI для аудио и видео данных. Эти протоколы позволяют унифицировать представление информации таким образом, чтобы различные устройства могли легко интерпретировать и обрабатывать полученные данные.

Протоколы шифрования, такие как SSL/TLS, работают на этом уровне, гарантируя конфиденциальность и целостность информации, передаваемой через сеть. Шифрование превращает данные в код, который может быть расшифрован лишь теми, кто обладает соответствующим ключом.

7 уровень OSI

7 уровень OSI прикладной. Он обеспечивает интерфейсы, которые напрямую поддерживают используемые пользователями сетевые приложения. Именно здесь используются такие протоколы, как HTTP, FTP и SMTP, которые обслуживают специализированные пользовательские задачи и обеспечивают взаимодействие с сервисами, доступными в сети.

Что еще почитать и посмотреть по теме

Чтобы глубже вникнуть в тему, мы рекомендуем обратиться к дополнительным источникам:

• На RUTUB можно найти бесплатные видеоролики о модели OSI и ее уровнях, которые помогут понять, как работает модель.
• На платформе Сравни вы можете выбрать курсы по инженерному программированию от ведущих онлайн-школ: Skillbox, Яндекс Практикум, Нетология и т. д. Здесь вам помогут бодробнее разобраться в порядке передачи информации в интернет и работе модели OSI.
• Для общего понимания работы модульной конструкции модели OSI полезно почитать специализированную литературу. Например: В. Олифер, Н. Олифер «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: юбилейное издание»; А. А. Бирюков «Информационная безопасность: зпащита и нападение»; Г. Хелд «Технологии передачи данных».
• Также можно пройти тематические вводные бесплатные курсы от онлайн-школ по теме.

Как модель работает на практике

Как работает сетевая модель взаимодействия открытых систем мы опишем на примере отправки электронного письма:

1. Физический уровень. На этом уровне происходит преобразование данных в электрические импульсы, радиоволны или световые сигналы. Например, компьютер отправителя преобразует цифровые данные письма в сигналы, передаваемые через кабель Ethernet.
2. Канальный уровень. Здесь обеспечивается надежное соединение между устройствами. Используя MAC-адреса, происходит передача данных на конкретный сетевой интерфейс устройства-получателя, включая управление ошибками и контролем доступа к среде передачи.
3. Сетевой уровень. Здесь происходит маршрутизация данных. Пакет данных, содержащий сообщение, проходит через различные сети, управляемый IP-протоколом, который определяет наилучший путь для его доставки к получателю.
4. Транспортный уровень. На этом уровне осуществляется сегментация и пересборка данных для обеспечения правильной их доставки. Используются транспортные протоколы, такие как протоколы TCP, которые следят за порядком передачи, исправлением ошибок и контролем потока данных.
5. Сеансовый уровень. Этот уровень отвечает за установление, управление и завершение сеансов связи. В случае с электронной почтой происходит открытие сеанса связи между почтовым клиентом и сервером, чтобы отправить или получить данные.
6. Представительский уровень. Здесь данные переводятся в подходящий формат для приложения, обеспечивается шифрование и дешифрование данных, сжатие и разжатие. Например, текст сообщения может быть зашифрован для конфиденциальности.
7. Прикладной уровень. Программа, такая как почтовый клиент, взаимодействует с протоколами SMTP для отправки, POP или IMAP для получения сообщения. Это уровень, где пользователь взаимодействует непосредственно с программой, создавая и отправляя письмо.

Эти уровни работают совместно, гарантируя успешную передачу данных от отправителя к получателю, обеспечивая при этом многоуровневую структуру обработки и управления данными.

FAQ

Почему модель OSI так важна для понимания сетевых технологий, несмотря на то что современные сети часто не следуют ей строго?

Модель OSI важна как концептуальная основа для понимания взаимодействия различных сетевых протоколов и устройств. Она предоставляет стандартизированный подход к изучению сетевой архитектуры, позволяя специалистам лучше анализировать и устранять неполадки, а также проектировать системы, которые смогут интегрироваться с различными технологиями и стандартами.

Какие уровни модели OSI непосредственно взаимодействуют с пользователем и почему это важно?

Уровни модели OSI, которые непосредственно взаимодействуют с пользователем, это Прикладной, Представительный и Сеансовый уровни. Это важно, потому что эти уровни обеспечивают интерфейс, через который приложения могут взаимодействовать с сетью, шифровать данные, вести управление сессиями и обеспечивать адекватную передачу и получение информации, что, в свою очередь, гарантирует стабильность и безопасность пользовательского опыта.

Вывод

Модель OSI (Open Systems Interconnection) — это концептуальная модель, которая описывает и стандартизирует функции в сетевых архитектурах в телекоммуникационных и вычислительных системах независимо от их внутренней структуры и технологии.

Модель OSI состоит из семи уровней: физического, канального, сетевого, транспортного, сеансового, представительного и прикладного уровня. Каждый уровень отвечает за свои специфические функции и взаимодействует как с верхними, так и с нижними уровнями, обеспечивая надежную передачу данных от одного устройства до другого через различные сети.

Вместе, уровни модели OSI описывают полный цикл передачи данных, начиная с физических аспектов и заканчивая непосредственно взаимодействием приложений.