Что такое инкапсуляция данных в сети?
Всякий раз, когда мы отправляем данные из одного узла в другой в компьютерной сети, данные инкапсулируются на стороне отправителя, а деинкапсулируются на стороне получателя. В этой статье мы узнаем, что такое инкапсуляция. Мы также подробно изучим процесс инкапсуляции и деинкапсуляции в моделях OSI и TCP/IP.
Инкапсуляция данных
Инкапсуляция данных — это процесс, в котором некоторая дополнительная информация добавляется к элементу данных, чтобы добавить к нему некоторые функции. В нашей сети мы используем модель OSI или TCP/IP, и в этих моделях передача данных происходит через различные уровни. Инкапсуляция данных добавляет к данным информацию протокола, чтобы передача данных могла происходить надлежащим образом. Эта информация может быть добавлена в заголовок (header) или в конец (footer или trailer) данных.
Данные инкапсулируются на стороне отправителя, начиная с уровня приложения и заканчивая физическим уровнем. Каждый уровень берет инкапсулированные данные из предыдущего слоя и добавляет некоторую дополнительную информацию для их инкапсуляции и некоторые другие функции с данными. Эти функции могут включать в себя последовательность данных, контроль и обнаружение ошибок, управление потоком, контроль перегрузки, информацию о маршрутизации и так далее.
Деинкапсуляция данных
Деинкапсуляция данных — это процесс, обратный инкапсуляции данных. Инкапсулированная информация удаляется из полученных данных для получения исходных данных. Этот процесс происходит на стороне получателя. Данные деинкапсулируются на том же уровне на стороне получателя, что и инкапсулированный уровень на стороне отправителя. Добавленная информация заголовка и футера удаляется из данных в этом процессе.
На рисунке показано, как футер и хедер добавляются и удаляются из данных в процессе инкапсуляции и деинкапсуляции соответственно.
Данные инкапсулируются на каждом уровне на стороне отправителя, а также деинкапсулируются на том же уровне на стороне получателя модели OSI или TCP/IP.
Процесс инкапсуляции (на стороне отправителя)
Шаг 1. Уровень приложения, представления и сеанса в модели OSI принимает пользовательские данные в виде потоков данных, инкапсулирует их и пересылает данные на транспортный уровень. Тут не обязательно добавится к данным какой-либо хедер или футер — это зависит от приложения.
Шаг 2. Транспортный уровень берет поток данных с верхних уровней и разделяет его на несколько частей. Транспортный уровень инкапсулирует данные, добавляя соответствующий заголовок к каждой части. Эти фрагменты данных теперь называются сегментами данных. Заголовок содержит информацию о последовательности, так что сегменты данных могут быть повторно собраны на стороне получателя.
Шаг 3. Сетевой уровень берет сегменты данных с транспортного уровня и инкапсулирует их, добавляя дополнительный заголовок к сегменту данных. Этот заголовок данных содержит всю информацию о маршрутизации для правильной доставки данных. Здесь инкапсулированные данные называются пакетом данных или дейтаграммой.
Шаг 4: Канальный уровень берет пакет данных или дейтаграмму с сетевого уровня и инкапсулирует ее, добавляя дополнительный заголовок и нижний футер. Заголовок содержит всю информацию о коммутации для правильной доставки данных соответствующим аппаратным компонентам, а футер содержит всю информацию, связанную с обнаружением ошибок и контролем. Здесь инкапсулированные данные называются фреймом данных.
Шаг 5: Физический уровень берет кадры данных с уровня канала передачи данных и инкапсулирует их, преобразовывая их в соответствующие сигналы данных или биты, соответствующие физической среде.
Процесс деинкапсуляции (на стороне получателя)
Шаг 1: Физический уровень принимает инкапсулированные сигналы данных или биты от отправителя и деинкапсулирует их в форме кадра данных, который будет перенаправлен на верхний уровень, то есть на канальный уровень.
Шаг 2: Канальный уровень берет кадры данных с физического уровня. Он деинкапсулирует фреймы данных и проверяет заголовок фрейма, скоммутирован ли фрейм данных на правильное оборудование или нет. Если кадр пришел в неправильное место назначения, он отбрасывается, иначе он проверяет информацию в футере. Если есть какая-либо ошибка в данных, запрашивается повторная передача данных, если нет, то они деинкапсулируются, и пакет данных пересылается на верхний уровень.
Шаг 3. Сетевой уровень принимает пакет данных или дейтаграмму из канального уровня. Он деинкапсулирует пакеты данных и проверяет заголовок пакета, направлен ли пакет в правильное место назначения или нет. Если пакет направляется в неправильный пункт назначения, пакет отбрасывается, если все ок, то он деинкапсулируется, и сегмент данных пересылается на верхний уровень.
Шаг 4: Транспортный уровень берет сегменты данных с сетевого уровня и деинкапсулирует их. Сначала он проверяет заголовок сегмента, а затем повторно собирает сегменты данных для формирования потоков данных, а затем эти потоки данных пересылаются на верхние уровни.
Шаг 5: Уровень приложения, представления и сеанса в модели OSI берет инкапсулированные данные с транспортного уровня, деинкапсулирует их, и данные, относящиеся к конкретному приложению, пересылаются в приложения.
Инкапсуляция
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.). Причём на каждом уровне различные протоколы добавляют к передающимся данным свою информацию.
Напомню, что сетевая модель OSI состоит из 7 уровней (уровень приложений, уровень представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический). 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, Ваш компьютер использует все 7 уровней, маршрутизатор – 3 нижних уровня, коммутатор – только 2 нижних уровня.
На рисунке Вы видите взаимодействие двух компьютеров, между которыми находится маршрутизатор. Компьютерами PC1 и PC2 могут быть как домашние компьютеры, так и сервера. Маршрутизатор, как и говорилось выше, работает только на трех уровнях модели, их (трех уровней) достаточно, чтобы проложить маршрут в любой сети.
Инкапсуляция и декапсуляция
Проще будет разобрать эти процессы инкапсуляции и декапсуляции на примере. Допустим, Вы захотели посмотреть какую-то веб-страничку, ввели в адресную строк браузера адрес сайта и нажали кнопку Enter. После этого браузер должен отправить запрос на сервер (на котором хранится эта веб-страничка), с целью получения данных. Вот как раз на этом этапе, введённый Вами адрес сайта является данными, которые должны передаться на сервер в виде запроса.
На этом уровне Ваш компьютер преобразует строку введенного текста (адреса) в формат удобный для передачи далее на нижний уровень.
Далее данные (уже не текст) поступают на сеансовый уровень, но на нём (в данном случае) нам нет необходимости использовать протоколы (этого уровня), и поэтому данные передаются далее.
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 (с какого данные были посланы (например 1223) и для какого предназначаются (в данном случае 80)). На транспортном уровне эти кусочки данных с заголовком называются сегментами. Сегменты передаются дальше вниз к сетевому уровню.
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 всем известные IP-адреса, еще наверное непонятно что обозначают цифры и точки в них, но вскоре, этот пробел в знаниях заполнит соответствующая информация 😉
Эти маленькие кусочки данных уже с несколькими заголовками (на верхних уровнях тоже добавляются специфичные заголовки) на сетевом уровне называются пакетами, которые в свою очередь передаются на канальный уровень.
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.
Эти очень маленькие кусочки данных именуются кадрами или фреймами (одно и тоже). Далее кадры передаются на физический уровень.
На физический уровень кадры передаются уже в виде сигналов битов и следуют через другие сетевые устройства в пункт назначения.
Весь процесс преобразования данных (с верхнего уровня) в сигналы (на нижний уровень) называется инкапсуляцией. Посмотрите на рисунок ниже, там представлена общая схема инкапсулирования с верхнего уровня на нижний:
Далее сигналы, проходя через несколько сетевых устройств (в нашем случае это маршрутизатор и коммутатор), доходят до получателя, в данном случае до сервера (По всем картинкам можно кликнуть и они увеличится).
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. Напомню, что значение трейлера высчитывалось на Вашем 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 Ваш компьютер посылается уведомление о прибытии сегмента. Как говорилось выше (когда данные упаковывали в сегмент) в том случае использовался 80 порт назначения. Т.к. на веб-сервере как раз открыт этот порт, данные передаются дальше на верхний уровень.
На верхних уровнях запрос (введенный адрес сайта) обрабатывается веб-сервером (проверяется, доступна-ли запрашиваемая веб-страничка).
После того, как страница будет найдена на сервере, она (текст, изображения, музыка) преобразуется в цифровой код, удобный для инкапсулирования. Большой объём данных делится на части и поступает ниже на уровень – транспортный. Там кусочек данных преобразуется в сегмент, только порт назначения теперь будет тот, с которого вы посылали (вспоминайте, 1223). Сегмент преобразуется в пакет, в заголовке которого содержится IP-адрес вашего компьютера и переходит ниже. На канальном уровне пакет в свою очередь преобразуется в кадры и добавляется заголовок и трейлер. В заголовок помещается МАС-адрес назначения (в данном случае это будет адрес шлюза), а в трейлер проверочный код на целостность данных. Далее сетевая карта посылает кадры в виде сигналов по кабелю по направлению к Вашему компьютеру.
PDU
Вам обязательно надо запомнить, что те кусочки данных (вместе с заголовками), которые переходят с уровня на уровень (с добавлением заголовков или наоборот) называются Protocol Data Unit или PDU. Если перевести литературно на русский язык, то получается фрагмент данных на каждом уровне модели. В первой части CCNA попадаются вопросы связанные с PDU, так что обязательно запомните что это такое 😉
Заключение
Вы познакомились с эталонными сетевыми моделями OSI, TCP/IP (DOD), разобрались с процессами инкапсуляции (encapsulation) и декапсуляции (decapsulation).
Также узнали, что разные сетевые устройства работают на разных уровнях. А вот какие сетевые устройства существуют и чем они отличаются узнаем в следующей статье.