Сетевая модель OSI - 7 уровней, их протоколы и функции — гайд для новичков

Старт:16.12.2024

Срок обучения:2

Бизнес-тренер - переподготовка

Курс профессиональной переподготовки «Бизнес-тренер» по всей России. ✓ Дистанционное обучение ✓ Получение диплома с бесплатной доставкой ✓ Цена 24990 руб

24 990 ₽33 990 ₽

Подробнее

Для понимания работы компьютерных сетей вам необходима модель OSI. Она описывает структуру взаимодействия устройств в сети, разбивая задачу на 7 отдельных уровней. Каждый уровень отвечает за конкретную функцию, что сильно упрощает понимание и устранение неполадок.

Давайте рассмотрим уровни модели OSI:

Физический уровень (1): Этот уровень отвечает за передачу данных в виде битовых потоков по физическим каналам связи. Примеры протоколов: Ethernet, Wi-Fi. Важно знать: на этом уровне происходят кодирование и декодирование сигналов.

Канальный уровень (2): Осуществляет надежную передачу данных между двумя соседними узлами. Протоколы: Ethernet, Wi-Fi, ARP. В этом уровне происходит формирование фреймов данных и управление доступом к среде передачи.

Сетевой уровень (3): Занимается адресацией и маршрутизацией данных через сеть. Протоколы: IP, ICMP, OSPF. Следите за: на этом уровне происходит определение оптимального пути для передачи пакета данных.

Транспортный уровень (4): Обеспечивает надежную передачу данных между приложениями. Протоколы: TCP, UDP. Обратите внимание: TCP гарантирует доставку данных, а UDP предлагает более высокую скорость, но без гарантии.

Сеансовый уровень (5): Управляет диалогом между приложениями. Протоколы: NetBIOS. Функции данного уровня: Поддержка и управление сессиями, а также синхронизацию.

Представления (6): Форматирование данных для приложений, шифрование и сжатие данных. Примеры протоколов – TLS/SSL. Запомните: Этот уровень позволяет приложениям взаимодействовать, не заботясь о различиях в представлении данных.

Прикладной уровень (7): Интерфейс между приложениями и сетью. SMTP, FTP, HTTP – примеры протоколов. Здесь реализуются спецификации для различных приложений, таких как веб-сервисы и электронная почта.

Уровни модели OSI: Обзор и назначение

Модель OSI определяет 7 уровней, каждый из которых выполняет конкретные функции в процессе передачи данных. Понимание этих уровней – залог успешного решения сетевых задач.

Физический уровень (Уровень 1): Передача битов по физическому каналу. Протоколы: Ethernet, Wi-Fi, RS-232. Задачи: физическое представление данных, передача сигнала по кабелю или радиоволнам.

Канальный уровень (Уровень 2): Организация передачи данных по физическому каналу. Протоколы: Ethernet, Wi-Fi, PPP. Задачи: создание фреймов, управление доступом к медиа, коррекция ошибок на уровне канала (например, CRC).

Сетевой уровень (Уровень 3): Маршрутизация данных между сетями. Протоколы: IP, ICMP. Задачи: адресация сети, маршрутизация пакетов, действия с адресами (IP-адресация).

Транспортный уровень (Уровень 4): Обеспечение надежной передачи данных. Протоколы: TCP, UDP. Задачи: управление потоком данных, обеспечение надежности соединения (TCP), или быстрая передача без подтверждения (UDP).

Сеансовый уровень (Уровень 5): Управление сеансами связи. Протоколы: NetBIOS, RPC. Задачи: установление, поддержание и завершение соединения между приложениями.

Представительный уровень (Уровень 6): Преобразование данных в формат, понятный приложению. Протоколы: SSL/TLS, MIME. Задачи: кодирование и декодирование, перевод данных между различными форматами.

Прикладной уровень (Уровень 7): Интерфейс для приложений. Протоколы: HTTP, FTP, SMTP, DNS. Задачи: доступ к ресурсам сети, передача файлов, электронная почта, доменные имена.

Физический уровень: Основа взаимодействия

Протоколы: Ethernet (разные спецификации), Wi-Fi (разные стандарты), оптоволоконные каналы (например, стандарты для передачи данных по оптоволокну). Знание конкретного типа физического канала важно для понимания его возможностей по скорости и надежности передачи битов.

Функции: Физический уровень заботится о: передаче электрических или оптических сигналов; физических характеристиках среды (скорость передачи, длина кабеля, типы разъемов); синхронизации передачи данных; определении физической топологии сети; приёме и передаче электрических сигналов. Необходимо помнить, что ошибки на этом уровне ведут к полному сбою передачи данных, поэтому надёжность физического канала крайне важна.

Примеры: Коаксиальный кабель (Ethernet), витая пара (Ethernet, телефония), оптоволокно, радиоканал (Wi-Fi). Каждый из них имеет свои характеристики, которые определяют возможности сети. На этом уровне передаётся сырой поток бит, который на следующих уровнях будет скомпонован в пакеты. Понимание различий в физических технологиях – необходимо для создания устойчивого и быстрого сетевого канала.

Канальный уровень: Организация данных в кадры

Для передачи данных по сети канальный уровень группирует данные в кадры (frames). Это ключевой момент для надежной работы.

Ключевые функции канального уровня:

• Кадрирование: Данные из верхних уровней разбиваются на кадры, добавляются заголовки с адресами получателя и передатчика, а также контрольные суммы.
• Управление доступом к среде: Если несколько устройств используют одну и ту же физическую среду, канальный уровень регулирует одновременный доступ, чтобы избежать коллизий, например, с помощью CSMA/CD.

Пример: Представьте, что компьютер А хочет отправить файл компьютеру Б. Канальный уровень разбивает файл на кадры, в каждый кадр добавляет адреса А и Б, а также контрольную сумму. Эти кадры передаются по физической среде. Получатель (компьютер Б), используя контрольную сумму, проверяет, не повреждены ли данные. Если нет, то кадры собираются, и данные обрабатываются.

Важно: На канальном уровне формируется и обрабатывается физическое расположение информации в сети, происходит контроль целостности данных.

Сетевой уровень: Маршрутизация и адресация

Ключевая задача сетевого уровня – передача данных между разными сетями. Для этого используются IP-адреса. Они уникальны для каждого устройства в сети и состоят из 4 чисел от 0 до 255, разделённых точками (например, 192.168.1.100).

Маршрутизация – процесс определения лучшего пути для передачи данных через сеть. Маршрутизаторы, используя таблицы маршрутизации, анализируют IP-адреса получателей и выбирают оптимальный маршрут. Таблицы содержат информацию о различных сетях и путях для их достижения, с учётом, например, загруженности каналов.

Протокол IP (Internet Protocol) отвечает за адресацию. Протоколы ARP (Address Resolution Protocol) и RARP (Reverse Address Resolution Protocol) связывают IP-адреса с физическими MAC-адресами устройств.

Маршрутизация может быть статической (настраивается вручную) или динамической (автоматически обновляется маршрутизаторами, например, с помощью протоколов RIP, OSPF). Динамическая маршрутизация адаптивна к изменению сети.

Понимание этой работы позволяет правильно настраивать сети и обеспечивать надежную передачу данных.

Транспортный уровень: Надежность передачи

Для обеспечения надежной передачи данных транспортный уровень использует механизмы контроля ошибок и управления потоком.

Ключевой аспект – гарантированная доставка данных.

Транспортный уровень отвечает за:

• Сегментацию данных: Разделение больших блоков данных на меньшие сегменты, удобные для передачи.
• Портирование данных: Присваивание порядковых номеров сегментам для правильной сборки в пункте назначения.
• Контроль ошибок: Использование сумм проверки для выявления и исправления ошибок во время передачи. Известные примеры - CRC32 и MD5.
• Управление потоком: Регулирование скорости передачи данных, предотвращение перегрузки получателя. Примеры протоколов - Sliding Window протокол.
• Подтверждение получения: Отправка подтверждений о получении каждого сегмента (ACK). Если подтверждения нет, сегмент передается снова.

Протоколы транспортного уровня:

1. TCP (Transmission Control Protocol): Обеспечивает надежную, ориентированную на соединение передачу данных. Идеально подходит для приложений, требующих гарантированной доставки, например, веб-браузеры.

2. UDP (User Datagram Protocol): Ненадежная, без установления соединения передача данных. Гораздо быстрее TCP, но без гарантии доставки. Подходит для приложений, где скорость важнее надежности, например, потоковое видео или игровые приложения.

Рекомендации:

• Для критически важных данных используйте TCP.
• Для приложений, нуждающихся в высокой скорости, используйте UDP, но будьте готовы к возможным потерям данных.
• Понимание характеристик TCP и UDP – основа для правильного выбора протокола.

Сеансовый уровень: Управление сеансами связи

Для надежного и эффективного взаимодействия приложений на разных компьютерах важна организация сеансов связи. Сеансовый уровень OSI отвечает за эту задачу.

Функции:

• Установление, управление и завершение сеансов связи. Это включает в себя синхронизацию диалога между приложениями и управление потоком данных. Например, с установкой соединений для обмена файлами, организации видеоконференций или передачи данных между клиентами и серверами.
• Управление диалогами. Сеансовый уровень следит за порядком обмена сообщениями между приложениями, обеспечивая, например, двусторонний, или односторонний обмен информацией, с обработкой ошибок.
• Контроль взаимодействий. Он определяет, как приложения будут взаимодействовать, например, как организовать обмен сообщениями с синхронизацией событий.
• Управление точками синхронизации. Обеспечивает возможность возобновления сеанса в случае потери соединения.
• Менеджмент передаваемой информации. Это включает в себя идентификацию сеансов, отслеживание протоколов (согласование между передающей и принимающей сторонами), контроль доступа данных, контроль передаваемой информации.

Протоколы

• NetBIOS. Необязательный набор функций для доступа к сетевым ресурсам. Предлагает удалённый доступ к данным и службам. Используется в Windows для доступа к ресурсам, но устарел.
• RPC (Remote Procedure Call). Используется для организации вызовов процедур на удалённых системах. Позволяет приложениям взаимодействовать друг с другом на разных машинах.

Ключевой аспект:

Сеансовый уровень обеспечивает надежность и контроль над сеансами связи, облегчая взаимодействие приложений на удаленных машинах.

Вопрос-ответ:

Какие протоколы работают на транспортном уровне модели OSI и в чем их основная задача?

На транспортном уровне модели OSI действуют такие протоколы, как TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). TCP обеспечивает надежную передачу данных, разбивая информацию на сегменты, подтверждая их получение, и при необходимости пересылая потерянные. Это гарантирует доставку данных в правильной последовательности, что важно, например, для передачи файлов. UDP, наоборот, ориентирован на скорость. Он не требует подтверждения получения данных и не гарантирует их доставку в той же последовательности, что и были отправлены. UDP используется, когда скорость передачи имеет приоритет над надежностью, например, в потоковой передаче видео или аудио.

Как связаны между собой уровни модели OSI, и почему эта структура помогает в разработке сетевых приложений?

Уровни OSI взаимодействуют друг с другом последовательно. Нижний уровень отвечает за физическую передачу данных, вышележащий - за управление этой передачей и т.д. Прикладной уровень, который непосредственно "общается" с пользователем, опирается на работу всех остальных уровней. Эта структура позволяет разделить сложность сетевых приложений на более мелкие, понятные задачи. Разработчик приложения может фокусироваться на конкретном уровне, не вникая в детали работы нижележащих. Это облегчает разработку, тестирование и сопровождение, а также упрощает модификацию и адаптацию программ к различным сетям.

Может ли один протокол работать на нескольких уровнях модели OSI, или каждый протокол имеет свою четкую связь с одним уровнем?

Каждый протокол, как правило, тесно связан с определённым уровнем модели OSI. Однако, встречаются случаи, когда один протокол может использовать функции протоколов с других уровней. Например, некоторые протоколы прикладного уровня могут подключаться к транспортному протоколу, используя его механизмы для создания соединений. Но, такие "пересечения" не означают работу протокола на разных уровнях сразу.

Какие протоколы работают на прикладном уровне и для чего они нужны?

На прикладном уровне работают такие протоколы, как HTTP (для веб-серфинга), FTP (для передачи файлов), SMTP (для электронной почты), DNS (для преобразования доменных имён в IP-адреса). HTTP отвечает за обмен данными между веб-серверами и браузерами; FTP – за передачу файлов; SMTP – за отправку и получение электронной почты; DNS – облегчает работу с доменными именами, что позволяет нам использовать понятные имена сайтов, вместо сложных числовых адресов.