Модель OSI. модель OSI. Тема Эталонная сетевая модель osi. Структура и уровни модели osi

Название	Тема Эталонная сетевая модель osi. Структура и уровни модели osi
Анкор	Модель OSI
Дата	06.03.2023
Размер	1.05 Mb.
Формат файла
Имя файла	модель OSI.ppt
Тип	Документы #971482

Тема: «Эталонная сетевая модель OSI.Структура и уровни модели OSI»

Компьютерные сети

Эталонная Модель ISO OSI : возникновение и идеология

В начале 1980 года Международная Организация по Стандартизации (ISO - International Standards Organization) признала необходимость создания общей модели сети.
Среди предпосылок к ее появлению можно назвать:
Стандартизация процесса передачи информации между несколькими сетевыми устройствами
Необходимость теоретически обоснованной сетевой модели, в достаточной степени решающей задачу перемещения информации между компьютерами различных систем.
Разбиение общей задачи перемещения информации на более мелкие подзадачи, что позволило бы разработчикам сетевых приложений сконцентрироваться на решении конкретных прикладных задач.
Эталонная модель под названием "Взаимодействие Открытых Систем" ( OSI - Open Systems Interconnection ) была выпущена в 1984 году.

Идеология модели OSI

Модель OSI разделяет задачу сетевого обмена на семь более мелких задач, что упрощает решение.
Каждая из подзадач сформулирована таким образом, чтобы для её решения требовался минимум внешней информации.
Каждый уровень модели OSI соответствует своей подзадаче. Из этого следует, что каждый уровень модели в достаточной степени автономен. Поэтому реальные реализации сетей могут использовать не все уровни, а только часть из них.

Принципы сетевых уровней

Основные принципы разработки сетевых уровней соответствующих модели взаимодействия открытых систем:
Каждый уровень должен выполнять строго определённую функцию.
Набор функций, выполняемых сетевым уровнем, приводится в соответствие с общепринятыми международными стандартами.
Границы уровня выбираются таким образом, чтобы минимизировать проходящий через них поток данных.
Количество сетевых уровней должно быть достаточно большим, чтобы не заставлять разработчиков приложений размещать различные функции на одном и том же уровне.

Структура

Модель OSI
делит сетевое взаимодействие на 7 уровней:

Уровень 7 (уровень приложений)
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 (протокол HTTP), передача и приём почты (протокол SMTP, POP3), приём и получение файлов (протокол FTP, TFTP), удаленный доступ (протокол Telnet) и т.д.

Уровень 6 (уровень представлений)

отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из уровня приложений одной системы, была читаемой для уровня приложений другой системы

Уровень 5 (сеансовый)

организует сеанс связи между программами компьютера.

3 этапа:

Уровень 4 (транспортный)
Транспортный уровень (transport layer) – этот уровень обеспечивает надёжность передачи данных от отправителя к получателю.
На данном уровне должны быть выяснены следующие вопросы: сколько информации передается (трафик), как будет проверяться целостность данных и контролироваться ошибки.
На этом уровне можно выделить 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.

Уровень 3 (сетевой)

соединение и выбор оптимально маршрута

пакетами (packets)

"номер сети"

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

Уровень 2 (канальный)

обеспечивает надежный транзит данных через физический канал.

LLC и MAC.

LLC

MAC

Уровень 1 (физический):
Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока.
Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:
Тип кабелей и разъемов
Разводку контактов в разъемах
Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1
Протоколы нам всем хорошо известны: Bluetooth, IRDA (Инфракрасная связь), медные провода (витая пара 10Base-T , телефонная линия), Wi-Fi, и т.д.

Схема взаимодействия узлов связи на основе модели OSI

Протоколы

Интерфейс ы

Протоколы

Протоколы

Протоколы

Протоколы

Протоколы

Когда сообщение по сети поступает на другую машину, оно последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет заголовок своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции и передает сообщение вышележащему уровню.

Приложение на компьютере PC1 отправляет данные другому приложению находящемуся на другом компьютере PC2.
Начиная с верхнего уровня (уровень приложений) данные направляются к сетевой карте на канальный уровень.
На нём сетевая карта преобразует фреймы в биты и отправляет в физическую среду (например, кабель витую пару).
На другой стороне кабеля поступает сигнал, и сетевая карта компьютера PC2 принимает эти сигнала, распознавая их в биты и формируя из них фреймы.
Данные (содержащиеся в фреймах) предаются к верхнему уровню, и когда доходят до уровня приложений, соответствующая программа на компьютере PC2 получает их

Схема взаимодействия компьютеров в базовой эталонной модели OSI

Обобщение материала

Главная цель создания модели OSI?
Сколько уровней выделяют в модели OSI?
Какой уровень устанавливает соединение между компьютерами?
Какой уровень определяет оптимальный маршрут передвижения данных?
Какой уровень преобразует данные в последовательность 0 и 1?
Какой принцип лежит в основе модели OSI?

Домашнее задание

Повторить конспект, уметь рассказать назначение сетевой модели, а также характеристику каждого уровня модели OSI
Уметь определять протоколы уровней моделей
Заполнить таблицу в тетради

Заполнить таблицу

Уровень модели	Задача уровня	Протоколы уровня	*Оборудование
Физический
Канальный
Сетевой
Транспортный
Сеансовый
Уровень представления
Прикладной

Повторитель и концентратор

Репитер и концентратор работают на одном и том же уровне, поэтому касательно сетевой модели OSI они изображаются одинаково.
Репитер и концентратор устройства первого (физического) уровня. Они принимают сигнал, распознают его, и пересылают сигнал далее во все активные порты.

Мост и коммутатор

Сетевой мост и коммутатор тоже работают на одном уровне (канальном)
Оба устройства уже второго уровня, поэтому помимо распознавания сигнала (подобно концентраторам на первом уровне) они декапсулируют его (сигнал) в фреймы.
Из заголовка фрейма узнаётся MAC-адрес получателя, и проверяется его наличие в коммутируемой таблице.
Если адрес присутствует, то фрейм обратно инкапсулируется в биты и отправляется (уже в виде сигнала) на соответствующий порт.
Если адрес не найден, происходит процесс поиска этого адреса в подключенных сетях.

Маршрутизатор

Маршрутизатор (или роутер) – это устройство третьего уровня. Вот как примерно роутер функционирует:
На порт поступает сигнал, и роутер распознаёт его.
Распознанный сигнал (биты) формируют фреймы (кадры).
Сверяется контрольная сумма в трейлере и MAC-адрес получателя.
Если все проверки прошли успешно, фреймы формируют пакет.
На третьем уровне маршрутизатор исследует заголовок пакета. В нем присутствует IP адрес пункта назначения (получателя). На основе IP-адреса и собственной таблицы маршрутизации роутер выбирает наилучший путь следования пакеты к получателю.
Выбрав путь, роутер инкапсулирует пакет в фреймы, а затем в биты и отправляет их в виде сигналов на соответствующий порт (выбранный в таблице маршрутизации).

Стеки протоколов

Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях.
Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы.
Примерами популярных стеков протоколов могут служить: стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и некоторые другие.

Стеки протокола и сеть

Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет лицо сети и ее характеристики.
В небольших сетях может использоваться исключительно один стек. В крупных корпоративных сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.
В коммуникационном оборудовании реализуются протоколы нижних уровней, которые в большей степени стандартизованы, чем протоколы верхних уровней, и это является предпосылкой для успешной совместной работы оборудования различных производителей.
Перечень протоколов, поддерживаемых тем или иным коммуникационным устройством, является одной из наиболее важных характеристик этого устройства.

Стеки протоколов и ОС

Компьютеры реализуют коммуникационные протоколы в виде соответствующих программных элементов сетевой операционной системы, например, протоколы канального уровня, как правило, выполнены в виде драйверов сетевых адаптеров, а протоколы верхних уровней в виде серверных и клиентских компонент сетевых сервисов.

Стеки протоколов и ОС

Часто можно прочитать в рекламе сетевого адаптера или концентратора, что он разрабатывался специально для работы в сети NetWare или UNIX.
Это означает, что разработчики аппаратуры оптимизировали ее характеристики применительно к тем протоколам, которые используются в этой сетевой операционной системе, или к данной версии их реализации, если эти протоколы используются в различных ОС.
Из-за особенностей реализации протоколов в различных ОС в качестве одной из характеристик коммуникационного оборудования используется его сертифицированность на возможность работы в среде данной ОС.

Стек OSI

Следует четко различать модель OSI и стек OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов.
В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели.

Стек OSI

На нижних уровнях OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, а также такие протоколы как LLC, X.25 и ISDN.
Сервисы сетевого, транспортного и сеансового уровней этого стека пока мало распространены.
Наиболее популярными протоколами стека OSI являются протоколы, реализующие высокоуровневые сервисы по передаче файлов, эмуляции терминала, ведению каталогов имен и по организации электронной почты.
Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их более подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.

Стек протоколов Microsoft TCP/IP

Набор многоуровневых протоколов, или как называют стек TCP/IP предназначен для использования в различных вариантах сетевого окружения.
Стек TCP/IP с точки зрения системной архитектуры соответствует эталонной модели OSI и позволяет обмениваться данными по сети приложениям и службам, работающим практически на любой платформе, включая Unix, Windows, Macintosh и другие.

Стек протоколов Microsoft TCP/IP

Реализация TCP/IP фирмы Microsoft соответствует четырехуровневой модели вместо семиуровневой модели
Модель TCP/IP включает большее число функций на один уровень, что приводит к уменьшению числа уровней.

Уровни модели TCP/IP

В модели используются следующие уровни:
- уровень Приложения модели TCP/IP соответствует уровням Приложения, Представления и Сеанса модели OSI;
- уровень Транспорта модели TCP/IP соответствует аналогичному уровню Транспорта модели OSI;
межсетевой уровень модели TCP/IP выполняет те же функции, что и уровень Сети модели OSI;
- уровень сетевого интерфейса модели TCP/IP соответствует Канальному и Физическому уровням модели OSI.

Протокол управления передачей (TCP)

Протокол управления передачей данных – TCP (Transmission Control Protocol) – обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений [6]. Появился в начальный период создания сетей, когда глобальные сети не отличались особой надежностью.
Надежность протокола TCP заключается в следующем:
– он диагностирует ошибки,
– при необходимости посылает данные повторно,
– если не может самостоятельно исправить ошибку, сообщает о ней на другие уровни.
Перед отправкой сегментов информации вниз по модели отправляющий протокол TCP контактирует с принимающим протоколом TCP с целью установления связи. В результате создается виртуальный канал. Такой тип коммуникации называется ориентированным на соединение.

Принцип работы TCP

-    берет из приложения большие блоки информации, разбивает их на сегменты,
-    нумерует и упорядочивает каждый сегмент так, чтобы протокол TCP на принимающей стороне мог правильно соединить все сегменты в исходный большой блок;
-    согласовывает с протоколом принимающей стороны количество информации, которое должно быть отправлено до получения подтверждения от принимающего TCP;
-    после отправки сегментов TCP ждет подтверждения от целевого TCP о получении каждого из них;
-    заново отправляет те сегменты, получение которых не было подтверждено.

Протокол IP

Протокол IP обеспечивает обмен дейтаграммами между узлами сети и является протоколом, не устанавливающим соединения и использующим дейтаграммы для отправки данных из одной сети в другую.
Данный протокол не ожидает получение подтверждения (ASK, Acknowledgment) отправленных пакетов от узла адресата. Подтверждения, а также повторные отправки пакетов осуществляется протоколами и процессами, работающими на верхних уровнях модели.
К его функциям относится фрагментация дейтаграмм и межсетевая адресация. Протокол IP предоставляет управляющую информацию для сборки фрагментированных дейтаграмм.
Главной функцией протокола является межсетевая и глобальная адресация. В зависимости от размера сети, по которой будет маршрутизироваться дейтаграмма или пакет, применяется одна из трех схем адресации.

Стек IPX/SPX

Этот стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для сетевой операционной системы Netwareеще в начале 80-х годов.
Популярность стека Ipx/spx непосредственно связана с операционной системой Novell Netware.
Cтек Ipx/spx долгое время ограничивался распространенность его только сетями Netware, потому что он является собственностью фирмы Novell и на его реализацию нужно получать лицензию (то есть открытые спецификации не поддерживались).
В настоящий момент стек Ipx/spx реализован не только в Netware, но и в нескольких других популярных сетевых ОС, например SCOUNIX, Sun Solaris, Microsoft Windows.

Стек Netbios/SMB

Этот стек широко используется в продуктах компаний IBM и Microsoft. На физическом и канальном уровнях этого стека используются все самые распространенные протоколы Ethernet, TokenRing, FDDIи другие. На верхних уровнях работают протоколы NETBEUIи SMB.
Протокол NETBIOS (NetworkBasic Input/output System) появился в 1984 году как сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода/вывода (BIOS) IBMPCдля сетевой программы PC Network фирмы IBM.
В дальнейшем этот протокол был заменен на так называемый протоколо расширенного пользовательского интерфейса NETBEUI - NETBIOS Extended User Interface. Для обеспечения совместимости дополнений как интерфейс к протоколу NETBEUI был сохранен интерфейс NETBIOS.

Протокол NETBEUI

Протокол NETBEUI разрабатывался как эффективный протокол, который потребляет немного ресурсов и предназначенный для сетей, которые насчитывают не больше 200 рабочих станций.
Этот протокол содержит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к сетевому, транспорного и сеансового уровней модели OSI, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов.
Это ограничивает применение протокола NETBEUI локальными сетями, не разделенными на подсети, и делает невозможным его использование в сложных сетях. Некоторые ограничения NETBEUI снимаются реализацией этого протокола NBF( NETBEUIFrame).

Рассматриваемая модель определяет взаимодействие открытых систем разных производителей в одной сети. Поэтому она выполняет для них координирующие действия по:
взаимодействию прикладных процессов;
формам представления данных;
единообразному хранению данных;
управлению сетевыми ресурсами;
безопасности данных и защите информации;
диагностике программ и технических средств.

Описание функций всех уровней

Прикладной уровень выполняет следующие функции:
Описание форм и методов взаимодействия прикладных процессов.
Выполнение различных видов работ.
передача файлов;
управление заданиями;
управление системой и т.д.
Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям;
Определение функционирующих абонентов и возможности доступа к новым прикладным процессам;
Определение достаточности имеющихся ресурсов;
Организация запросов на соединение с другими прикладными процессами;
Передача заявок представительскому уровню на необходимые методы описания информации;

6. Выбор процедур планируемого диалога процессов;
7. Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов;
8. Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок);
9. Соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных;
10. Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).

Указанные функции определяют виды сервиса, которые прикладной уровень предоставляет прикладным процессам. Кроме этого, прикладной уровень передает прикладным процессам сервис, предоставляемый физическим, канальным, сетевым, транспортным, сеансовым и представительским уровнями.

На прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское программное обеспечение.
Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью

К числу наиболее распространенных протоколов верхних трех уровней относятся:
FTP (File Transfer Protocol) протокол передачи файлов;
TFTP (Trivial File Transfer Protocol) простейший протокол пересылки файлов;
X.400 электронная почта;
Telnet работа с удаленным терминалом;
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) простой протокол почтового обмена;
CMIP (Common Management Information Protocol) общий протокол управления информацией;

SLIP (Serial Line IP) IP для последовательных линий. Протокол последовательной посимвольной передачи данных;
SNMP (Simple Network Management Protocol) простой протокол сетевого управления;
FTAM (File Transfer, Access, and Management) протокол передачи, доступа и управления файлами.

Уровень представления данных (Presentation layer)

Этот уровень обеспечивает то, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе
В случаях необходимости уровень представления в момент передачи информации выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а в момент приема, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных

В основу общего представления данных положена единая для всех уровней модели система ASN.1. Эта система служит для описания структуры файлов, а также позволяет решить проблему шифрования данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов

Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня.

Представительный уровень выполняет следующие основные функции:

Генерация запросов на установление сеансов взаимодействия прикладных процессов.
Согласование представления данных между прикладными процессами.
Реализация форм представления данных.
Представление графического материала (чертежей, рисунков, схем).
Засекречивание данных.
Передача запросов на прекращение сеансов.

Сеансовый уровень (Session layer)

Сеансовый уровень – это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами.

Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того чтобы начинать все сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.

Сеансовый уровень управляет передачей информации между прикладными процессами, координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. сообщений во время сеанса и завершение сеанса.

Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов

На сеансовом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процессами:
полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди);
дуплексной (процессы будут передавать данные, и принимать их одновременно).

В полудуплексном режиме сеансовый уровень выдает тому процессу, который начинает передачу, маркер данных. Когда второму процессу приходит время отвечать, маркер данных передается ему. Сеансовый уровень разрешает передачу только той стороне, которая обладает маркером данных.

Сеансовый уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

Установление и завершение на сеансовом уровне соединения между взаимодействующими системами.
Выполнение нормального и срочного обмена данными между прикладными процессами.
Управление взаимодействием прикладных процессов.
Синхронизация сеансовых соединений.
Извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях.

Установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки.
Прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его корректное возобновление.
Прекращение сеанса без потери данных.
Передача особых сообщений о ходе проведения сеанса.

Транспортный уровень (Transport Layer)

Транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки.

Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням модели (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется.

классы сервиса, предоставляемые транспортным уровнем

Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг:
срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Транспортный уровень определяет адресацию физических устройств (систем, их частей) в сети. Этот уровень гарантирует доставку блоков информации адресатам и управляет этой доставкой. Его главной задачей является обеспечение эффективных, удобных и надежных форм передачи информации между системами. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения пакетов. Если проходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

функции транспортного уровня

Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных.
Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация и сообщение о неисправленных ошибках.
Восстановление передачи после отказов и неисправностей.
Укрупнение или разделение блоков данных.
Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная).
Подтверждение передачи.
Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.

Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.
Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают в себя:
TCP (Transmission Control Protocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;
UDP (User Datagram Protocol) пользовательский протокол дейтаграмм стека TCP/IP;

NCP (NetWare Core Protocol) базовый протокол сетей NetWare;
SPX (Sequenced Packet eXchange) упорядоченный обмен пакетами стека Novell;
TP4 (Transmission Protocol) – протокол передачи класса 4.

Сетевой уровень (Network Layer)*******

Сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих абонентские и административные системы через коммуникационную сеть, выбор маршрута наиболее быстрого и надежного пути.

Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя системами и обеспечивает прокладку виртуальных каналов между ними. Виртуальный или логический канал - это такое функционирование компонентов сети, которое создает взаимодействующим компонентам иллюзию прокладки между ними нужного тракта. Кроме этого, сетевой уровень сообщает транспортному уровню о появляющихся ошибках. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). В них помещаются фрагменты данных. Сетевой уровень отвечает за их адресацию и доставку.

Прокладка наилучшего пути для передачи данных называется маршрутизацией, и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.

Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами.

Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие номер сети. В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач (hops) между сетями, каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, по которым проходит пакет.

Трассировка маршрута к www.tut.by [178.124.133.65]
с максимальным числом прыжков 30:
1 2 ms 1 ms 2 ms velcom.3g [192.168.1.1]
2 609 ms 347 ms 180 ms 10.132.224.5
3 64 ms 48 ms 48 ms 10.132.108.43
4 159 ms 218 ms 138 ms 178.163.163.114
5 29 ms 49 ms 39 ms 77.74.33.114
6 711 ms 619 ms 1006 ms 195.137.180.252
7 54 ms 68 ms 98 ms gw1.datacenter.beltelecom.by [93.84.125.161]
8 92 ms 78 ms 59 ms 10g.datacenter.beltelecom.by [178.124.134.49]
9 63 ms 58 ms 59 ms www.tut.by [178.124.133.65]
Трассировка завершена.

Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы и маршрутизацию пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 68 bytes
10:10:26.720123 IP 5.199.170.228.http > 192.168.160.230.50144: . 4066639563:4066
640923(1360) ack 3126638222 win 123
10:10:26.720884 IP 192.168.160.230.50144 > 5.199.170.228.http: . ack 4294942816 win 54400
10:10:26.724762 IP 5.199.170.228.http > 192.168.160.230.50144: . 1360:2720(1360)
ack 1 win 123
10:10:26.725285 IP mail.p-a.by.33149 > 193.232.248.2.domain: 30967+[|domain]

Сетевой уровень выполняет функции:

На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.

Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.
Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:
IP (Internet Protocol) протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP, который предоставляет адресную и маршрутную информацию;
IPX (Internetwork Packet Exchange) протокол межсетевого обмена пакетами, предназначенный для адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell;

X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов (частично этот протокол реализован на уровне 2);
CLNP (Connection Less Network Protocol) сетевой протокол без организации соединений.

Канальный уровень (Data Link)

Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Задача канального уровня передавать кадры от сетевого уровня к физическому уровню.

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит, в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Задача канального уровня - брать пакеты, поступающие с сетевого уровня и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Этот уровень обязан определить, где начинается и где заканчивается блок, а также обнаруживать ошибки передачи.

На этом же уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной передачи данных) ошибки.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.Х делят канальный уровень на два подуровня:

LLC (Logical Link Control) управление логическим каналом осуществляет логический контроль связи. Подуровень LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня и связан с передачей и приемом пользовательских сообщений.

MAC (Media Assess Control) контроль доступа к среде. Подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и управляет доступом к каналу связи. Подуровень LLC находится выше подуровня МАC.

Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей посредством процедуры передачи данных по каналу. При больших размерах передаваемых блоков данных канальный уровень делит их на кадры и передает кадры в виде последовательностей. При получении кадров уровень формирует из них переданные блоки данных. Размер блока данных зависит от способа передачи, качества канала, по которому он передается.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

Канальный уровень может выполнять следующие виды функций:

Организация (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификация их портов.
Организация и передача кадров.
Обнаружение и исправление ошибок.
Управление потоками данных.
Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

Наиболее часто используемые протоколы на канальном уровне включают:

HDLC (High Level Data Link Control) протокол управления каналом передачи данных высокого уровня, для последовательных соединений;
IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x;
Ethernet сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов;

Token ring сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;
FDDI (Fiber Distributed Date Interface Station) сетевая технология по стандарту IEEE 802.6, использующая оптоволоконный носитель;
X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов;
Frame relay сеть, организованная из технологий Х25 и ISDN.