Канальний рівень

Тема 6. Еталонна модель OSI

При вивченні теми студенти повинні:

– отримати уявлення про еталонну модель OSI;

– вивчити поняття рівнів передачі даних;

– вміти дати класифікацію рівнів передачі даних;

– опанувати поняття Мережевозалежних та мережевонезалежних рівнів;

– отримати уявлення про функції рівнів;

Ключові слова: OSI; ISO; фізичний рівень; канальний рівень; мережний рівень; транспортний рівень; сеансовий рівень; представницький рівень;прикладний рівень.

Лекція 6

Еталонна модель OSI

6.1 Історія виникнення протоколу Open System Interconnection (OSI)

Фізичний рівень

Канальний рівень

Мережний рівень

Транспортний рівень

Сеансовий рівень

6.7 Представницький рівень

Прикладний рівень

Мережевозалежні та мережевонезалежні рівні

Висновки

6.1 Історія виникнення протоколу Open System Interconnection (OSI)

З того, що протокол є угодою, прийнятою двома взаємодіючими об'єктами, в даному випадку двома працюючими в мережі комп'ютерами, зовсім не витікає, що він обов'язково є стандартним. Але на практиці при реалізації мереж прагнуть використовувати стандартні протоколи. Це можуть бути фірмові, національні або міжнародні стандарти.

На початку 80-х років ряд міжнародних організацій по стандартизації – ISO, ITU-T і деякі інші – розробили модель, яка зіграла значну роль в розвитку мереж. Ця модель називається моделлю взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI) або моделлю OSI. Модель OSI визначає різні рівні взаємодії систем в мережах з комутацією пакетів, дає їм стандартні імена і указує, які функції повинен виконувати кожен рівень. Модель OSI була розроблена на підставі великого досвіду, одержаного при створенні комп'ютерних мереж, в основному глобальних, в 70-і роки. Повний опис цієї моделі займає більше 1000 сторінок тексту.

У моделі OSI засобу взаємодії діляться на сім рівнів: прикладний, представницький, сеансовий, транспортний, мережний, канальний і фізичний. Кожен рівень має справу з одним певним аспектом взаємодії мережних пристроїв.

Модель OSI описує тільки системні засоби взаємодії, реалізовувані операційною системою, системними утилітами, системними апаратними засобами. Модель не включає засобу взаємодії додатків кінцевих користувачів. Свої власні протоколи взаємодії додатку реалізують, звертаючись до системних засобів. Тому необхідно розрізняти рівень взаємодії додатків і прикладний рівень.

Слід також мати на увазі, що додаток може узяти на себе функції деяких верхніх рівнів моделі OSI. Наприклад, деякі СУБД мають вбудовані засоби віддаленого доступу до файлів. В цьому випадку додаток, виконуючи доступ до віддалених ресурсів, не використовує системну файлову службу; воно обходить верхні рівні моделі OSI і звертається напряму до системних засобів, відповідальних за транспортування повідомлень по мережі, які розташовуються на нижніх рівнях моделі OSI.

Отже, хай додаток поводиться із запитом до прикладного рівня, наприклад до файлової служби. На підставі цього запиту програмне забезпечення прикладного рівня формує повідомлення стандартного формату. Звичне повідомлення складається із заголовка і поля даних. Заголовок містить службову інформацію, яку необхідно передати через мережу прикладному рівню машини - адресата, щоб повідомити його, яку роботу треба виконати. У нашому випадку заголовок, очевидно, повинен містити інформацію про місце знаходження файлу і про тип операції, яку необхідно над ним виконати. Поле даних повідомлення може бути порожнім або містити які-небудь дані, наприклад ті, які необхідно записати у віддалений файл. Але для того, щоб доставити цю інформацію за призначенням, належить вирішити ще багато задач, відповідальність за які несуть внизулежачі рівні.

Після формування повідомлення прикладний рівень направляє його вниз по стеку представницькому рівню. Протокол представницького рівня на підставі інформації, одержаної із заголовка прикладного рівня, виконує необхідні дії і додає до повідомлення власну службову інформацію - заголовок представницького рівня, в якому містяться вказівки для протоколу представницького рівня машини - адресата. Одержане в результаті повідомлення передається вниз сеансовому рівню, котрий, у свою чергу, додає свій заголовок і т.д. (Деякі реалізації протоколів поміщають службову інформацію не тільки на початку повідомлення у вигляді заголовка, але і в кінці, у вигляді так званого «кінцевика».) Нарешті, повідомлення досягає нижнього, фізичного рівня, який власне і передає його по лініях зв'язку машині-адресату. До цього моменту повідомлення «обростаєте заголовками всіх рівнів».

Коли повідомлення по мережі поступає на машину - адресат, воно приймається її фізичним рівнем і послідовно переміщається вгору з рівня на рівень. Кожен рівень аналізує і обробляє заголовок свого рівня, виконуючи відповідні даному рівню функції, а потім видаляє цей заголовок і передає повідомлення вищерозміщеному рівню.

Разом з терміном повідомлення (message) існують і інші терміни, вживані мережними фахівцями для позначення одиниць обміну даними в процедурах обміну. У стандартах ISO для позначення одиниць обміну даними, з якими мають справу протоколи різних рівнів, використовується загальна назва протокольний блок даних (Protocol Data Unit, PDU). Для позначення блоків даних певних рівнів часто використовуються спеціальні назви: кадр (frame), пакет (расket), дейтаграма (datagram), сегмент (segment).

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, хвильовий опір і ін. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, що передають дискретну інформацію, наприклад крутизна фронтів імпульсів, рівні напруги або струму передаваного сигналу, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Окрім цього, тут стандартизуються 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 мережним адаптером або послідовним портом.

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

Канальний рівень

На фізичному рівні просто пересилаються біти. При цьому не враховується, що в деяких мережах, в яких лінії зв'язку використовуються (розділяються) поперемінно декількома парами взаємодіючих комп'ютерів, фізичне середовище передачі може бути зайняте. Тому однією із задач канального рівня (Data Link Layer) є перевірка доступності середовища передачі. Іншою задачею 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 кадра, поміщаючи спеціальну послідовність бітів в початок і кінець кожного кадра для його виділення, а також обчислює контрольну суму, обробляючи всі байти кадра певним способом і додаючи контрольну суму до кадра. Коли кадр приходить по мережі, одержувач знову обчислює контрольну суму одержаних даних і порівнює результат з контрольною сумою кадра. Якщо вони співпадають, кадр вважається за правильне і приймається. Якщо ж контрольні суми не співпадають, то фіксується помилка. Канальний рівень може не тільки знаходити помилки, але і виправляти їх за рахунок повторної передачі пошкоджених кадрів. Необхідно відзначити, що функція виправлення помилок не є обов'язковою для канального рівня, тому в деяких протоколах цього рівня вона відсутня, наприклад в Ethernet і frame relay.

У протоколах канального рівня, що використовуються в локальних мережах, закладена певна структура зв'язків між комп'ютерами і способи їх адресації. Хоча канальний рівень і забезпечує доставку кадра між будь-якими двома вузлами локальної мережі, він це робить тільки в мережі з абсолютно певною топологією зв'язків, саме тією топологією, для якої він був розроблений. До таких типових топологій, підтримуваними протоколами канального рівня локальних мереж, 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.

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

У глобальних мережах, які рідко володіють регулярною топологією, канальний рівень часто забезпечує обмін повідомленнями тільки між двома сусідніми комп'ютерами, сполученими індивідуальною лінією зв'язку. Прикладами протоколів «крапка-крапка (як часто називають такі протоколи)» можуть служити широко поширені протоколи РРР і LAP-B. У таких випадках для доставки повідомлень між кінцевими вузлами через всю мережу використовуються засоби мережного 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 мережного рівня. Прикладами такого підходу можуть служити протоколи технологій АТМ і frame relay.

В цілому канальний рівень є вельми могутнім і закінченим набором функцій по пересилці повідомлень між вузлами мережі. В деяких випадках протоколи канального рівня виявляються самодостатніми транспортними засобами і можуть допускати роботу поверх себе безпосередньо протоколів прикладного рівня або додатків, без залучення засобів мережного і транспортного рівнів. Наприклад, існує реалізація протоколу управління мережею SNMP безпосередньо поверх Ethernet, хоча стандартно цей протокол працює поверх мережного протоколу IP і транспортного протоколу UDP. Природно, що застосування такої реалізації буде обмеженим - вона не підходить для складових мереж різних технологій, наприклад Ethernet і Х.25, і навіть для такої мережі, в якій у всіх сегментах застосовується Ethernet, але між сегментами існують петльовидні зв'язки. А ось в двохсегментній мережі Ethernet, об'єднаній мостом, реалізація SNMP над канальним рівнем буде цілком працездатною.

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

Канальний рівень забезпечує передачу пакетів даних, що поступають від протоколів верхніх рівнів, вузлу призначення, адреса якого також указує протокол верхнього рівня. Протоколи канального рівня оформляють передані їм пакети в кадри власного формату, поміщаючи вказану адресу призначення в одне з полів такого кадра, а також супроводжуючи кадр контрольною сумою. Протокол канального рівня має локальний сенс, він призначений для доставки кадрів даних, як правило, в межах мереж з простою топологією зв'язків і однотипною або близькою технологією, наприклад в односегментних мережах Ethernet або ж в багатосегментних мережах Ethernet і Token Ring ієрархічної топології, розділених тільки мостами і комутаторами. У всіх цих конфігураціях адреса призначення має локальний сенс для даної мережі і не змінюється при проходженні кадра від вузла - джерела до вузла призначення. Можливість передавати дані між локальними мережами різних технологій пов'язана з тим, що в цих технологіях використовуються адреси однакового формату, до того ж виробники мережних адаптерів забезпечують унікальність адрес незалежно від технології.

Іншою областю дії протоколів канального рівня є зв'язки типу «крапка - крапка» глобальних мереж, коли протокол канального рівня відповідальний за доставку кадра безпосередньому сусіду. Адреса в цьому випадку не має принципового значення, а на перший план виходить здатність протоколу відновлювати спотворені і загублені кадри, оскільки погана якість територіальних каналів, особливо комутованих телефонних, часто вимагає виконання подібних дій.

Якщо ж перераховані вище умови не дотримуються, наприклад зв'язки між сегментами Ethernet мають петльовидну структуру, або об'єднувані мережі використовують різні способи адресації, як це має місце в мережах Ethernet і Х.25, то протокол канального рівня не може поодинці справитися із задачею передачі кадра між вузлами і вимагає допомоги протоколу мережного рівня.

Мережний рівень

Мережний 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. Функції мережного рівня достатньо різноманітні. Почнемо їх розгляд на прикладі об'єднання локальних мереж.

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 петльовидних 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 використовування довільних топологій, вводиться додатковий мережний рівень.

На мережному рівні сам термін мережу наділяють специфічним значенням. В даному випадку під мережею розуміється сукупність комп'ютерів, сполучених між собою відповідно до однієї із стандартних типових топологій і використовуючих 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 мережний рівень, який і підтримує можливість правильного вибору маршруту передачі повідомлення навіть у тому випадку, коли характер структури зв'язків між становлячими мережами відрізняється від прийнятого в протоколах канального рівня.

Мережі з'єднуються між собою спеціальними пристроями, званими маршрутизаторами. Маршрутизатор - це пристрій, який збирає інформацію про топологію міжмережевих з'єднань і на її підставі пересилає пакети мережного 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 (hop - стрибок), кожного разу вибираючи відповідний маршрут. Таким чином, маршрут є послідовністю маршрутизаторів, через які проходить пакет.

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

У загальному випадку функції мережного рівня ширші, ніж функції передачі повідомлень по зв'язках з нестандартною структурою, які ми зараз розглянули на прикладі об'єднання декількох локальних мереж. Мережний рівень вирішує також задачі узгодження різних технології, спрощення адресації в крупних мережах і створення надійних і гнучких бар'єрів на шляху небажаного графіка між мережами.

Повідомлення мережного рівня прийнято називати пакетами (расket). При організації доставки пакетів на мережному 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 мережному рівні можна дати і інше, формальніше визначення: мережа - це сукупність вузлів, мережна адреса яких містить один і той же номер мережі.

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

На мережному рівні працюють протоколи ще одного типу, які відповідають за відображення адреси вузла, що використовується на мережному рівні, на локальну адресу мережі. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес (Address Resolution Protocol, ARP). Іноді їх відносять не до мережного рівня, а до канального, хоча тонкість класифікації не змінює їх суті.

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