Рівні моделі osi

Фізичний рівень

Фізичний рівень (Physical layer) має справу з передачею бітів по фізичних каналах зв'язку, таким, наприклад, як коаксіальний кабель, вита пара, оптоволоконний кабель або цифровий територіальний канал. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних середовищ передачі даних, такі як смуга пропускання, перешкодозахисна здатність, хвилевий опір та інші. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, які передають дискретну інформацію, наприклад, крутизна фронтів імпульсів, рівні напруги або струму сигналу, що передаеться, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Окрім цього, тут стандартизуются типи роз'ємів і призначення кожного контакту.

Функції фізичного рівня реалізуються у всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережевим адаптером або послідовним портом.

Прикладом протоколу фізичного рівня може служити специфікація 10Base-T технології Ethernet, яка визначає як використовуваний кабель неекрановану виту пару категорії 3 з хвилевим опором 100 Ом, роз'єм RJ-45, максимальну довжину фізичного сегменту 100 метрів, манчестерський код для представлення даних в кабелі, а також деякі інші характеристики середовища і електричних сигналів.

На фізичному рівні просто пересилаються біти.

Канальний рівень

Одним із завдань канального рівня (Data Link layer) є перевірка доступності середовища передачі. Іншим завданням канального рівня є реалізація механізмів виявлення і корекції помилок. Для цього на канальному рівні біти групуються в набори, звані кадрами (frames). Канальний рівень забезпечує коректність передачі кожного кадру, поміщаючи спеціальну послідовність біт в початок і кінець кожного кадру, для його виділення, а також обчислює контрольну суму, обробляючи всі байти кадру певним способом і додаючи контрольну суму до кадру. Канальний рівень може не тільки виявляти помилки, але і виправляти їх за рахунок повторної передачі пошкоджених кадрів. Функція виправлення помилок не є обов'язковою для канального рівня, тому в деяких протоколах цього рівня вона відсутня, наприклад, в Ethernet і frame relay.

Канальний рівень забезпечує доставку кадру між будь-якими двома вузлами локальної мережі в мережі з абсолютно певною топологією зв’язків, саме тією топологією, для якої він був розроблений. До таких типових топологій відносяться загальна шина, кільце і зірка, а також структури, одержані з них за допомогою мостів і комутаторів. Прикладами протоколів канального рівня є протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

У локальних мережах протоколи канального рівня використовуються комп'ютерами, мостами, комутаторами і маршрутизаторами. У комп’ютерах функції канального рівня реалізуються спільними зусиллями мережевих адаптерів і їх драйверів.

У глобальних мережах канальний рівень часто забезпечує обмін повідомленнями тільки між двома сусідніми комп’ютерами, сполученими індивідуальною лінією зв'язку. Прикладами протоколів «точка-точка» можуть служити поширені протоколи РРР і LAP-B. У таких випадках для доставки повідомлень між кінцевими вузлами через всю мережу використовуються засоби мережевого рівня. Саме так організовані мережі Х.25. Іноді в глобальних мережах функції канального рівня в чистому вигляді виділити важко, оскільки в одному і тому ж протоколі вони об’єднуються з функціями мережевого рівня. Прикладами такого підходу можуть служити протоколи технологій АТМ і frame relay.

В деяких випадках протоколи канального рівня виявляються самодостатніми транспортними засобами і можуть допускати роботу поверх них безпосередньо протоколів прикладного рівня або додатків, без залучення засобів мережевого і транспортного рівнів. Наприклад, існує реалізація протоколу управління мережею SNMP безпосередньо поверх Ethernet, хоча стандартно цей протокол працює поверх мережевого протоколу IP і транспортного протоколу UDP. Природно, що застосування такої реалізації буде обмеженим - вона не підходить для мереж різних технологій, наприклад Ethernet і Х.25, і навіть для такої мережі, в якій у всіх сегментах застосовується Ethernet, але між сегментами існують петлевидні зв'язки. А ось в двосегментній мережі Ethernet, об'єднаній мостом, реалізація SNMP над канальним рівнем буде працездатна.

Проте для забезпечення якісного транспортування повідомлень в мережах будь-яких топологій і технологій функцій канального рівня недостатньо, тому в моделі OSI рішення цієї задачі покладається на два наступні рівні - мережевий і транспортний.

Протоколи канального рівня локальних мереж забезпечують доставку даних між будь-якими вузлами тільки в мережі з відповідною типовою топологією, наприклад топологією ієрархічної зірки. Це дуже жорстке обмеження, яке не дозволяє будувати мережі з розвиненою структурою, наприклад, мережі, об'єднуючі декілька мереж підприємства в єдину мережу, або високонадійні мережі, в яких існують надмірні зв'язки між вузлами. Можна було б ускладнювати протоколи канального рівня для підтримки петлевидних надмірних зв'язків, але принцип розділення обов'язків між рівнями приводить до іншого рішення. Щоб з одного боку зберегти простоту процедур передачі даних для типових топологій, а з іншою допустити використання довільних топологій, вводиться додатковий мережевий рівень.

Мережевий рівень

Мережевий рівень (Network layer) служить для утворення єдиної транспортної системи, об'єднуючої декілька мереж, причому ці мережі можуть використовувати абсолютно різні принципи передачі повідомлень між кінцевими вузлами і володіти довільною структурою зв'язків.

На мережевому рівні сам термін мережа наділяють специфічним значенням. В даному випадку під мережею розуміється сукупність комп'ютерів, сполучених між собою відповідно до однієї із стандартних типових топологій, що використовують для передачі даних один з протоколів канального рівня, визначений для цієї топології.

Усередині мережі доставка даних забезпечується відповідним канальним рівнем, а ось доставкою даних між мережами займається мережевий рівень, який і підтримує можливість правильного вибору маршруту передачі повідомлення навіть у тому випадку, коли структура зв'язків між мережами, що становлять, має характер, відмінний від прийнятого в протоколах канального рівня.

Мережі з'єднуються між собою спеціальними пристроями - маршрутизаторами. Маршрутизатор - це пристрій, який збирає інформацію про топологію міжмережевих з'єднань і на її підставі пересилає пакети мережевого рівня в мережу призначення. Щоб передати повідомлення від відправника, що знаходиться в одній мережі, одержувачу, що знаходиться в іншій мережі, потрібно зробити деяку кількість транзитних передач між мережами, або хопів (від hop - стрибок), кожного разу вибираючи відповідний маршрут. Таким чином, маршрут є послідовністю маршрутизаторів, через які проходить пакет.

На рис. 1.6 показані чотири мережі, зв'язані трьома маршрутизаторами. Між вузлами А і В даній мережі пролягають два маршрути: перший через маршрутизатори 1 і 3, а другий через маршрутизатори 1, 2 і 3.

Проблема вибору якнайкращого шляху називається маршрутизацією, і її рішення є одним з головних завдань мережевого рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що найкоротший шлях не завжди найкращий. Часто критерієм при виборі маршруту є час передачі даних по цьому маршруту; він залежить від пропускної спроможності каналів зв'язку і інтенсивності трафіку, яка може змінюватися з часом. Деякі алгоритми маршрутизації намагаються пристосуватися до зміни навантаження, тоді як інші ухвалюють рішення на основі середніх показників за тривалий час. Вибір маршруту може здійснюватися і по інших критеріях, наприклад надійності передачі.

Мережевий рівень вирішує також задачі узгодження різних технологій, спрощення адресації в крупних мережах і створення надійних і гнучких бар'єрів на шляху небажаного трафіку між мережами.

Рис. 1.6. Приклад складної мережі

Повідомлення мережевого рівня прийнято називати пакетами (packets). При організації доставки пакетів на мережевому рівні використовується поняття «номер мережі». В цьому випадку адреса одержувача складається із старшої частини - номери мережі і молодшої - номери вузла в цій мережі. Всі вузли однієї мережі повинні мати одну і ту ж старшу частину адреси, тому терміну «мережа» на мережевому рівні можна дати і інше визначення: мережа - це сукупність вузлів, мережева адреса яких містить один і той же номер мережі.

На мережевому рівні визначаються два види протоколів. Перший вид - мережеві протоколи (routed protocols) - реалізують просування пакетів через мережу. Саме ці протоколи звичайно мають на увазі, коли говорять про протоколи мережевого рівня. Проте часто до мережевого рівня відносять і інший вид протоколів, так званих протоколами обміну маршрутною інформацією або просто протоколами маршрутизації (routing protocols). За допомогою цих протоколів маршрутизатори збирають інформацію про топологію міжмережевих з'єднань. Протоколи мережевого рівня реалізуються програмними модулями операційної системи, а також програмними і апаратними засобами маршрутизаторів.

На мережевому рівні працюють протоколи ще одного типа, які відповідають за відображення адреси вузла, використовуваного на мережевому рівні, в локальну адресу мережі. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес - Address Resolution Protocol, ARP. Іноді їх відносять не до мережевого рівня, а до канального.

Прикладами протоколів мережевого рівня є протокол міжмережевої взаємодії IP стека TCP/IP і протокол міжмережевого обміну пакетами IPX стека Novell.

Транспортний рівень

На шляху від відправника до одержувача пакети можуть бути спотворені або загублені Хоча деякі додатки мають власні засоби обробки помилок. Транспортний рівень (Transport layer) забезпечує додаткам або верхнім рівням стека - прикладному і сеансовому - передачу даних з тим ступенем надійності, яка їм потрібна. Модель OSI визначає п'ять класів сервісу, що надаються транспортним рівнем. Ці види сервісу відрізняються якістю послуг, що надаються: терміновістю, можливістю відновлення перерваного зв'язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне - здатністю до виявлення і виправлення помилок передачі, таких як спотворення, втрата і дублювання пакетів.

Вибір класу сервісу транспортного рівня визначається, з одного боку, тим, в якому ступені завдання забезпечення надійності розв'язується самими додатками і протоколами вищих, ніж транспортний, рівнів, а з іншого боку, цей вибір залежить від того, наскільки надійною є система транспортування даних в мережі, що забезпечується рівнями, розташованими нижче за транспортне - мережевим, канальним і фізичним. Так, наприклад, якщо якість каналів передачі зв'язку висока і вірогідність виникнення помилок, не виявлених протоколами нижчих рівнів, невелика, то розумно скористатися одним з полегшених сервісів транспортного рівня, необтяжених численними перевірками, квитуванням і іншими прийомами підвищення надійності. Якщо ж транспортні засоби нижніх рівнів ненадійні, то доцільно звернутися до найбільш розвиненого сервісу транспортного рівня, який працює, використовуючи максимум засобів для виявлення і усунення помилок.

Як правило, всі протоколи, починаючи з транспортного рівня і вище, реалізуються програмними засобами кінцевих вузлів мережі - компонентами їх мережевих операційних систем. Як приклад транспортних протоколів можна привести протоколи TCP і UDP стека TCP/IP і протокол SPX стека Novell.

Протоколи нижніх чотирьох рівнів узагальнено називають мережевим транспортом або транспортною підсистемою, оскільки вони повністю вирішують задачу транспортування повідомлень із заданим рівнем якості в складених мережах з довільною топологією і різними технологіями. Решта три верхні рівня вирішують задачі реалізації прикладних сервісів на підставі наявної транспортної підсистеми.

Сеансовий рівень

Сеансовий рівень (Session layer) забезпечує управління діалогом: фіксує, яка із сторін є активною зараз, надає засоби синхронізації. Останні дозволяють вставляти контрольні точки в довгі передачі, щоб у разі відмови можна було повернутися назад до останньої контрольної точки, а не починати все з початку. На практиці небагато додатків використовують сеансовий рівень, і він рідко реалізується у вигляді окремих протоколів, хоча функції цього рівня часто об'єднують з функціями прикладного рівня і реалізують в одному протоколі.

Представницький рівень

Представницький рівень (Presentation layer) має справу з формою представлення інформації, що передається по мережі, не міняючи при цьому її змісту. За рахунок рівня представлення інформація, що передається прикладним рівнем однієї системи, завжди зрозуміла прикладному рівню іншої системи. За допомогою засобів даного рівня протоколи прикладних рівнів можуть подолати синтаксичні відмінності в представленні даних або ж відмінності в кодах символів, наприклад кодів ASCII і EBCDIC. На цьому рівні може виконуватися шифрування і дешифровка даних, завдяки якій секретність обміну даними забезпечується відразу для всіх прикладних служб. Прикладом такого протоколу є протокол Secure Socket Layer (SSL), який забезпечує секретний обмін повідомленнями для протоколів прикладного рівня стека TCP/IP.

Прикладний рівень

Прикладний рівень (Application layer) - це насправді просто набір різноманітних протоколів, за допомогою яких користувачі мережі дістають доступ до спільних ресурсів, таким як файли, принтери або гіпертекстові Web-сторінки, а також організують свою спільну роботу, наприклад, за допомогою протоколу електронної пошти. Одиниця даних, якій оперує прикладний рівень, звичайно називається повідомленням (message).

Існує дуже велика різноманітність служб прикладного рівня. Приведемо як приклад хоч би декілька найбільш поширених реалізацій файлових служб: NCP в операційній системі Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP і TFTP, що входять в стек TCP/IP.