Сетевая модель – теоретическое описание принципов работы набора сетевых протоколов, взаимодействующих друг с другом. Модель обычно делится на уровни, так, чтобы протоколы вышестоящего уровня использовали бы протоколы нижестоящего уровня.
Основной сетевой моделью используемой на сегодняшний день является базовая эталонная модель.
Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем – open systems interconnection basic reference mode, OSI – абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к сети. Каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.
Модель состоит из семи уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции.
Рис. 6.1. Модель OSI.
Прикладной уровень – application layer – обеспечивает взаимодействие сети и пользователя. Уровень разрешает приложениям пользователя иметь доступ к сетевым службам. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления.
Представительский уровень – presentation layer – отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально. Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными получателями.
Сеансовый уровень – session layer – отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.
Транспортный уровень – transport layer – предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает
Сетевой уровень – network layer – предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор. Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю.
Канальный уровень – data link layer – предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. На этом уровне работают коммутаторы и мосты.
В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в ОС имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС.
Физический уровень – physical layer – предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством. На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы.
Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами.
Существуют также модели сетевого взаимодействия, дополняющие базовую. Так, например, модель IEEE 802 осуществляет дальнейшую детализацию, определяя подуровни для канального уровня базовой модели. Проект IEEE 802 определяет на уровне канала два подуровня.
Рис. 6.2. Модель IEEE 802.
Подуровень управления логическим каналом – logical link control, LLC – обеспечивает платам сетевых адаптеров компьютера разделяемый доступ к физическому уровню. Подуровень управляет коммуникацией линии передачи данных и определяет использование точек доступа к сервису – service access points, SAP – предназначенных для передачи информации с подуровня LLC на верхние уровни базовой модели. Два протокола, работающих на одном компьютере, будут использовать различные SAP.
Подуровень управления доступом к среде – media access control, MAC – взаимодействует непосредственно с платой сетевого адаптера и отвечает за безошибочный обмен данных с гарантированной доставкой между двумя компьютерами, входящими в состав сети.
Результатом разработки проекта IEEE 802 явился целый ряд документов, в том числе три ключевых стандарта сетевых топологий:
– cтандарт 802.3 определяет правила реализации сетей с топологией "общая шина", таких, как Ethernet, использующих механизм множественного доступа с контролем несущей и обнаружения конфликтов;
– стандарт 802.4 определяет правила реализации сетей шинной топологии с маркерным доступом, например, ArcNet;
– стандарт 802.5 определяет правила реализации сетей кольцевой топологии с маркерным доступом Token Ring.
Функциональные характеристики подуровня LLC определены в стандарте IEEE 802.2 реализация физического уровня и подуровня MAC – в стандартах IEEE 802.3, 802.4 и 802.5.
Базовая эталонная модель является теоретической, и содержит ряд недоработок. Были попытки строить сети в точном соответствии с этой моделью, но созданные таким образом сети были дорогими, ненадёжными и неудобными в эксплуатации. Реальные сетевые протоколы, используемые в сетях, вынуждены отклоняться от неё, обеспечивая непредусмотренные возможности, поэтому привязка некоторых из них к уровням модели является несколько условной: некоторые протоколы занимают несколько уровней модели OSI, функции обеспечения надёжности реализованы на нескольких уровнях модели OSI.
Основная недоработка OSI – непродуманный транспортный уровень. На нём OSI позволяет обмен данными между приложениями, однако, возможность обмена простыми датаграммами (по типу UDP) в OSI не предусмотрена – транспортный уровень должен образовывать соединения, обеспечивать доставку, управлять потоком и т.п. (по типу TCP). Реальные же протоколы реализуют такую возможность.
