КС. Лек 4 КС. 4 Сетевые модели

• Название: 4 Сетевые модели
• Дата: 25.01.2023
• Размер: 313.11 Kb.
• Имя файла: Лек 4 КС.docx
• Тип: Протокол; #905498

4 Сетевые модели

Сетевая модель - это модель взаимодействия сетевых протоколов. А протоколы в свою очередь, это стандарты, которые определяют каким образом, будут обмениваться данными различные программы. OSI расшифровывается как Open System Interconnection. На русском языке это звучит следующим образом: Сетевая модель взаимодействия открытых систем (эталонная модель). Именно этой модели придерживаются производители сетевых устройств, когда разрабатывают новые продукты. 

Модели бывают как практические (использующиеся в сетях), так и теоретические (показывающие принципы реализации сетевых моделей). Наиболее известные сетевые модели:

1. модель OSI – теоретическая, эталонная модель, описанная в международных стандартах;

2. модель DOD (Модель TCP/IP) – практически использующаяся модель, принятая для работы в Интернете.

3. модель AppleTalk – модель работы сетей с оборудованием фирмы Apple;

4. модель SPX/IPX – модель стека SPX/IPX (семейство протоколов для локальных вычислительных сетей).

Сетевая модель OSI состоит из 7 уровней, причем принято начинать отсчет с нижнего: 

• 
  7. Прикладной уровень (application layer) 
  
• 
  6. Представительский уровень или уровень представления (presentation layer) 
  
• 
  5. Сеансовый уровень (session layer) 
  
• 
  4. Транспортный уровень (transport layer) 
  
• 
  3. Сетевой уровень (network layer) 
  
• 
  2. Канальный уровень (data link layer) 
  
• 
  1. Физический уровень (physical layer) 
  

Сетевая модель – это модель взаимодействия сетевых протоколов (стандартов), на каждом уровне присутствуют свои протоколы.

Протокол – это набор правил, определяющий характер взаимодействия пользователей и последовательность выполняемых действий при обмене информацией. Сетевые протоколы управляют потоком информации (пакетами данных) между двумя клиентами (программами), работающими на одном или разных компьютерах. 

Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу взаимодействия узлов сети называется стеком коммуникационных протоколов.

Протоколы соседних уровней, находящихся в одном узле, взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.

Прикладной уровень или уровень приложений (application layer) – это самый верхний уровень модели. Он осуществляет связь пользовательских приложений с сетью. Эти приложения нам всем знакомы: просмотр веб-страниц (HTTP), передача и приѐм почты (SMTP, POP3), приѐм и получение файлов (FTP, TFTP), удаленный доступ (Telnet) и т.д. 

Представительский уровень или уровень представления данных (presentation layer) – он преобразует данные в соответствующий формат. Пример: картинки (все изображения) которые вы видите на экране, передаются при пересылке файла в виде единиц и нулей (битов). Когда отправляете фотографию по электронной почте, протокол Прикладного уровня SMTP отправляет фотографию на нижний уровень, т.е. на уровень Представления. Где фотография преобразуется в удобный вид данных для более низких уровней, например, в биты. 

Сеансовый уровень или уровень сессий (session layer) – организует сеанс связи между компьютерами. Хорошим примером будут служить аудио и видеоконференции, на этом уровне устанавливается, каким кодеком будет кодироваться сигнал, причем этот кодек должен присутствовать на обеих машинах. Еще примером может служить протокол SMPP (Short message peer-to-peer protocol), с помощью него отправляются СМС и USSD запросы.

Транспортный уровень (transport layer) – этот уровень обеспечивает надежность передачи данных от отправителя к получателю. Приведем пример: пересылается (например, через почту) в архиве важная информация или программа. Вы скачиваете себе на компьютер этот архив. Здесь надежность нужна 100%, т.к. если пару бит при закачке архива потеряются – Вы не сможете извлечь необходимые данные. Когда мы смотрим видеоролики в интернете, иногда мы видим некоторые артефакты, задержки, шумы и т.п. А когда мы читаем текст с веб-страницы – потеря (или искажение) букв не допустима. На этом уровне выделяются два протокола: UDP и TCP. 

UDP протокол (User Datagram Protocol) передает данные без установления соединения, не подтверждает доставку данных и не делает повторы. 

TCP протокол (Transmission Control Protocol), который перед передачей устанавливает соединение, подтверждает доставку данных, при необходимости делает повтор, гарантирует целостность и правильную последовательность загружаемых данных. 

Следовательно, для музыки, видео, видеоконференций и звонков используем UDP (передаем данные без проверки и без задержек), а для текста, программ, паролей, архивов и т.п. – TCP (передача данных с подтверждением о получении, затрачивается больше времени). 

Сетевой уровень (network layer) – этот уровень определяет путь, по которому данные будут переданы. Отвечает за маршрутизацию сообщений при прохождении по сети. Обеспечивает передачу пакетов данных из одной подсети в другую. В качестве протокола используется адресный протокол IP. Протокол IP управляет адресацией пакетов, направляя их по различным маршрутам между узлами сети, и позволяет объединять различные сети. 

Это третий уровень Сетевой модели OSI, и существуют такие устройства, которые как раз и называют устройствами третьего уровня – маршрутизаторы. Те самые маршрутизаторы используют протоколы этого уровня для маршрутизации пакетов (RIP, EIGRP, OSPF). 

Канальный уровень (data link layer) – отвечает за доставку кадров между устройствами, подключенными к одному сетевому сегменту (может использоваться для обнаружения и исправления ошибок, возникших на физическом уровне). 

Устройства канального уровня – коммутаторы, концентраторы и т. п. 

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Институт инженеров по электротехнике и электронике) определяет канальный уровень двумя подуровнями: LLC и MAC. 

LLC – управление логическим каналом (Logical Link Control), создан для взаимодействия с верхним уровнем. 

MAC – управление доступом к передающей среде (Media Access Control), создан для взаимодействия с нижним уровнем. 

Пример: в компьютере имеется сетевая карта, для взаимодействия с ней существует драйвер. Драйвер – это некоторая программа - верхний подуровень канального уровня, через которую как раз и можно связаться с нижними уровнями, а точнее с микропроцессором (железо) – нижний подуровень канального уровня. Типичных представителей на этом уровне много. PPP (Point-to-Point) – это протокол для связи двух компьютеров напрямую. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – стандарт передает данные на расстояние до 200 километров. 

Физический уровень (physical layer) – самый нижний уровень, непосредственно осуществляющий передачу потока данных. Соответствует уровню доступа к сети, отвечает за физический интерфейс между устройством и средой передачи данных. Протоколы: Bluetooth, IRDA (Инфракрасная связь), медные провода (витая пара, телефонная линия), Wi-Fi, и т.д. 

Инкапсуляция – это процесс передачи данных с верхнего уровня приложений вниз (по стеку протоколов) к физическому уровню, чтобы быть переданными по сетевой физической среде (витая пара, оптическое волокно, Wi-Fi, и др.). 

Причем, на каждом уровне различные протоколы добавляют к передающимся данным свою информацию. Все сетевые устройства работают согласно модели OSI, только некоторые используют все 7 уровней, а другие меньше. Это позволяет обрабатывать поступающие данные в несколько раз быстрее. Например, компьютер использует все 7 уровней, маршрутизатор – 3 нижних уровня, коммутатор – только 2 нижних уровня. 



Рис. 4 – Уровни модели OSI различных сетевых устройств

Допустим, необходимо посмотреть какую-то веб-страницу, вводим в адресную строку браузера адрес сайта и нажимаем кнопку Enter. После этого браузер должен отправить запрос на сервер (на котором хранится эта веб-страница), с целью получения данных. На этом этапе, введенный адрес сайта является данными, которые должны передаться на сервер в виде запроса.



Рис. 5 – Прикладной уровень модели OSI

Эти данные опускаются с уровня приложений, на уровень представления данных. На этом уровне компьютер преобразует строку введенного текста (адреса) в формат удобный для передачи далее на нижний уровень. 



Рис. 6 – Уровень представления модели OSI

Далее данные (уже не текст) поступают на сеансовый уровень, но на нѐм (в данном случае) нам нет необходимости использовать протоколы (этого уровня), и поэтому данные передаются далее.



Рис. 7. – Сеансовый уровень модели OSI

Транспортный уровень получает данные и определяет, что дальше они должны быть переданы используя протокол TCP. Перед передачей транспортный уровень разбивает данные на “кусочки” данных и добавляет к каждому “кусочку” заголовок, в котором содержится информация о логических портах компьютеров. На транспортном уровне эти “кусочки” данных с заголовком называются сегментами.



Рис. 8. – Транспортный уровень модели OSI

Сетевой уровень, получая каждый сегмент, разделяет его на еще более маленькие части и к каждой части добавляет свой заголовок. В заголовке сетевого уровня указываются логические сетевые адреса отправителя (Ваш компьютер) и получателя (Сервер). Логические сетевые адреса – это IP-адреса. Эти маленькие кусочки данных уже с несколькими заголовками на сетевом уровне называются пакетами, которые в свою очередь передаются на канальный уровень.



Рис. 8 – Сетевой уровень модели OSI

На канальном уровне пакеты разделяются на еще более маленькие кусочки данных, и к ним помимо опять добавляемого заголовка, только уже канального уровня, добавляется еще и трейлер. На этом уровне в заголовках содержатся физические адреса устройств – передающего и для кого они предназначаются, а в трейлере находится вычисленная контрольная сумма, некий код (информация), который используется для определения целостности данных. Физические адреса устройств – это MAC-адреса. Эти очень маленькие кусочки данных именуются кадрами или фреймами (одно и тоже). Далее кадры передаются на физический уровень.  



Рис. 9 – Канальный уровень модели OSI

На физический уровень кадры передаются уже в виде сигналов битов и следуют через другие сетевые устройства в пункт назначения.



Рис. 10 – Физический уровень модели OSI

Весь процесс преобразования данных (с верхнего уровня) в сигналы (на нижний уровень) называется инкапсуляцией. Общий вид процесса инкапсуляции представлен на рис 11.



Рисунок 11 - Инкапсуляция 

Сетевая карта сервера принимает биты (на физическом уровне) и преобразует их в кадры (для канального уровня). Канальный уровень в обратной последовательности должен преобразовать кадры в пакеты (для сетевого уровня), только перед преобразованием уровень сначала смотрит на МАС-адрес (физический адрес) получателя, он должен совпадать с MAC-адресом сетевой карты, иначе кадр будет уничтожен. 

Затем канальный уровень (в случае совпадения MAC-адреса) высчитывает сумму полученных данных и сравнивает полученное значение со значением трейлера. Значение трейлера высчитывалось на компьютере, а теперь оно, после передачи по проводам, сравнивается с полученным значением на сервере и, если они совпадают, кадр преобразуется в пакет. Если проверочный код целостности данных рознится – кадр незамедлительно уничтожается. 

На сетевом уровне происходит проверка логического адреса (IP адреса), в случае успешной проверки пакет преобразуется в сегмент, попадая на транспортный уровень. 

На транспортном уровне проверяется информация из заголовка, что это за сегмент, какой используется протокол, для какого логического порта предназначается и т.п. Протокол использовался TCP, поэтому назад на компьютер посылается уведомление о прибытии сегмента.  Т.к. на веб-сервере как раз открыт порт, данные передаются дальше на верхний уровень. 

На верхних уровнях запрос (введенный адрес сайта) обрабатывается веб-сервером (проверяется, доступна ли запрашиваемая веб-страница). Этот процесс преобразования сигналов из провода в данные называется процессом декапсуляции.

Модель TCP/IP – сетевая модель, в основе которой лежит стек протоколов, описывающих порядок передачи цифровых данных между устройствами в сети Интернет. Сетевая модель TCP/IP представляет собой набор правил, регламентирующих порядок передачи данных между устройствами: электронная почта, мультимедийные файлы, удаленный доступ к рабочей станции.

Сетевая модель TCP/IP (Transmission Control Protocol — TCP) и Internet-протокол (IP), стала стандартом, на базе которого выросла глобальная сеть Internet. Уровни сетевой модели TCP/IP (модели DoD): Сетевая модель TCP/IP имеет четыре уровня:

Уровень 4 — прикладной уровень или уровень приложений (application); охватывает целых три уровня модели OSI (сеансовый, уровень представления и прикладной).

Уровень 3 — транспортный уровень (transport); соответствует одноименному уровню OSI.

Уровень 2 — межсетевой или Internet-уровень (network); происходит передача сообщений между сетями, в том числе разнородными по устройству. Он сопоставляется сетевому уровню модели OSI. Именно здесь используется протокол IP, отвечающий за доставку пакетов информации в современных компьютерных сетях, в том числе в глобальной сети Интернет.

Уровень 1 — канальный или уровень доступа к сети (data link). Он соответствует двум уровням модели OSI: физическому и канальному. Уровень сетевого доступа отвечает за доставку данных к физическим сетевым устройствам, таким как сетевые адаптеры, в виде кадров.

Необходимо отметить, что некоторые уровни модели TCP/IP имеют те же названия, что и у уровней эталонной модели OSI. Однако функции одноименных уровней обеих моделей могут совпадать, но могут и различаться. Все функции, присущие модели OSI, полностью поддерживаются этой моделью. Эта сетевая модель также не зависит от среды передачи данных.