Сетевая модель OSI и ее 7 уровней: обзор с примерами от Бородача
Всем привет, и с вами снова Бородач! У нас очередной курс «Для самых маленьких», и поговорим мы про модель OSI. Многие системные администраторы и юные IT инженеры что-то слышали про это, но боялись спросить. Сразу скажу, что любой специалист, программист, инженер или администратор, работающий с сетями и интернетом, должен на зубок знать всё то, о чем я расскажу ниже. Статья подойдет как для специалистов, так и для чайников.
OSI модель, или модель стека протоколов TCP/IP, или модель открытых систем, или модель сетевого взаимодействия – это ядро, на котором управляется и взаимодействует любая современная сеть и подключенные к ней устройства. Поэтому её желательно знать всем тем, кто работает в «сетевой» индустрии. Без данных знаний даже в том же программировании будет достаточно тяжело.
Модели OSI позволяют взаимодействовать устройствам в компьютерной сети по определенным правилам и протоколам. Если раскрыть расшифровку аббревиатуры термина, то получится английская надпись: «Open Systems Interconnection Basic Reference Model», – что дословно можно перевести как: «Эталонная Модель Взаимодействия Открытых Систем». В модели существует 7 уровней, которые используются для передачи информации от одного устройства к другому.
Уровни
Представим себе, что у нас есть два компьютера. Один принадлежит Василию, а второй Диме. Они подключены к одной сети. Василий отправил письмо напрямую к Диме. Теперь встает вопрос – а как теперь это письмо передать по сетевому кабелю? Как мы можем вспомнить компьютер может понимать только одну информацию – нулей (0) и единиц (1).
Также и по кабелю мы не можем передать информацию в обычном буквенном виде. И то если письмо содержит только буквы. Тогда встает вопрос о том, чтобы как-то перевести данное письмо на второе устройство. Именно для этих целей и нужна эталонная модель OSI с 7 уровнями.
При отправке письма информация проходит 7 стадий от верхнего к нижнему уровню, чтобы перевести его в обычные биты. Далее эти биты передаются по кабелю к компьютеру Димы. И уже его устройство делает обратный процесс – перевод битов в понятное для человека письмо.
При этом чаще всего используются протоколы TCP/IP. Когда вы будете читать любую информацию по данной теме, смотреть таблицы, то помните, что сейчас используются именно протоколы модели TCP/IP. Те же протоколы, которые описаны в таблицах, есть, но они уже давно устарели и являются просто ознакомительной информацией.
Давайте взглянем на все уровни OSI 7, и вам станет немного понятнее, о чем я говорю:
- Уровень 7 – Прикладной – application.
- Уровень 6 – Представительский – presentation.
- Уровень 5 – Сеансовый – session.
- Уровень 4 – Транспортный – transport.
- Уровень 3 – Сетевой –
- Уровень 2 – Канальный – data link.
- Уровень 1 – Физический – physical layer.
Нумерация идет сверху вниз от высокого до низшего уровня: от седьмого прикладного уровня до первого – физического.
ПРИМЕЧАНИЕ! Для специалистов я советую выписать и запомнить все уровни в нужном порядке. Также нужно запомнить и английские названия, так как они часто встречаются в книгах и на иностранных порталах, посвященных данной тематике.
Каждый уровень выполняет определенные цели для перевода информации из одного вида в другой. Также вы можете видеть, что информация передается в разном виде. Почти у каждого уровня есть свой PDU (protocol data unit) или единица измерения информационных данных. Например, на физическом (самом низком уровне) – это обычные биты или последовательность нулей и единиц, которые уже можно передавать по кабелю.
Почти каждый сетевой уровень оперирует своими протоколами данных. Можно посмотреть примерную последовательность перехода информации от одного вида PDU в другой:
- С седьмого по пятый уровень – идет операция с данными.
- Далее на транспортном уровне данные переводятся в сегменты или дейтаграммы.
- На сетевом уровне они переводятся в пакеты.
- Далее идет перевод в кадры или фреймы.
- Ну и в самом конце вся информация переводится в обычные биты.
Также, исходя из таблицы, вы можете заметить два названия:
- Media Layers (нижние уровни) – чаще всего уже используются в коммутаторах, маршрутизаторах, хабах – где идет задача передачи информации по кабелю.
- Host Layers (верхние уровни) – используются уже на самих устройствах: телефонах, планшетах, компьютерах, ноутбуках и т.д.
Это примерное разделение всех уровней на две градации. Самые интересные из уровней – это как раз класс «Media Layers», так как ими чаще всего и оперируют сетевые инженеры. И они же за них отвечают головой.
ПРИМЕЧАНИЕ! Вы можете посмотреть в таблицу на протоколы модели OSI, и вам станет примерно понятен уровень взаимодействия данных при передаче и приеме.
Принцип работы
Для удобства представления работы 7-ми уровней модели OSI давайте посмотрим на картинку ниже.
У нас есть два компьютера, которые на определенном уровне могут взаимодействовать только по протоколам. Можно сказать – это определенные вид данных, который понятен компьютерам на выделенном уровне. Например, на физическом уровне модели OSI используются протоколы, а данные передаются битами. На том же канальном уровне модели OSI информация передается кадрами используя свои протоколы.
Но для перевода информации от одного уровня к другому используются специальные службы. Также обратите внимание, что на транспортном уровне данные впервые разбиваются на сегменты. Каждый сегмент имеет «нумерованную» метку. Данная метка нужна, чтобы второе принимающее устройство поняло – в каком порядке склеивать эти сегменты, чтобы получить нужные данные. Далее на других уровнях идет разбиение на пакеты, кадры и в самом конце на биты. Пакеты, кадры также имеют свои очередные метки.
Немножко поподробнее о том, каким образом идет перевод информации с одного уровня на другой. Советую прям вникнуть в эту информацию, так как это нужно для понимания всей сути модели OSI. Если что-то будет непонятно, то прочтите её ещё раз или можете спросить меня какие-то нюансы ниже в комментариях. Чтобы было наглядно понятнее, давайте посмотрим на картинку ниже – тут представлена схема перевода информации к разному виду по всем уровням сетевой модели OSI.
- Первые 3 верхних уровня: прикладной, представительский и сеансовый – оперируют данными почти в чистом виде. Поэтому про них говорить нет смысла. Но я напишу о них пару строк в самом конце статьи.
- Далее на транспортном уровне OSI с помощью служб данные переходят в Сегменты (Дейтаграммы). Посмотрите внимательно как это происходит. Идет разбиение на несколько сегментов. Каждому сегменту приписывается заголовок, которые нужен для того, чтобы знать в каком порядке нужно соединять данные сегменты в будущем. Можно сказать, что сегмент – это фрагмент данных с заголовком.
- На этом этапе из транспортного уровня сегменты переводятся в пакеты. Это происходит достаточно просто – каждому сегменты, приписывается свой заголовок пакета. Наверное, вы уже заметили, что наша информация растет в размерах. Как раз из-за дописания заголовков. В итоге пакеты имеют больший размер чем сегменты.
- Далее информация из пакетов переходит на нижележащий канальный уровень. И так давайте перечислим все то, что у нас тут есть:
- Сегменты – данные с заголовком сегмента.
- Заголовок пакета, который расположен выше сегмента.
- Заголовок кадра, который приписывается пакету.
- Подсчитывается контрольная сумма и приписывается каждой доле информации. Она необходима для того, чтобы принимающая информация поняла, что получила нужную информацию. В общем для проверки. Если контрольная сумма будет неправильной, то принимающий компьютер может запросить повторную отправку данных.
Весь этот процесс запаковки данных называется инкапсуляцией данных. Когда информация дойдет до принимающего компьютера начнется обратный процесс – декапсуляции данных, которая проходит по той же схеме, только в обратно порядке.
Уровень 1 – Физический
Физический или первый уровень – является самым низшим уровнем, так как передаваемая информация имеет вид нулей и единиц. При этом могут использоваться различные протоколы, от которых зависит вид этих самых нулей и единиц. На данном уровне может определяться топология сетей и передача данных по ним.
Разделяют два вида передачи битовых потоков:
- Дуплексная – когда устройство может одновременно принимать и отправлять данные. Например, во время игры, когда приложению нужно постоянно получать и отправлять информацию. По-другому ещё называется – двунаправленная передача.
- Полудуплексная – когда устройство может только принимать, либо отправлять данные. Можно сравнить с потоком. Ещё называют – однонаправленная передача данных.
На физическом уровне на данный момент используют несколько сред. При кабельном подключении используют витую пару или оптоволокно. Коаксиальный кабель используется, но реже. Есть ещё беспроводная среда, в которой используются радиоволны: 802.11 Wi-Fi, Bluetooth, DSL, GSM и т.д.
Тут нужно определять не только среду, но и тип подключения (портов), а также дальность, на которую можно передать информацию при использовании кабельной или беспроводной среды.
Советую почитать про среды физического уровня отдельно:
Уровень 2 – Канальный
Данный уровень в семиуровневой модели является одним из самых главных, так как тут появляется адресация. Чтобы знать, куда нужно передавать информацию в сети, которая может состоять из сотни устройств – нужно использовать адреса. На канальном уровне используются MAC-адреса.
Также этот уровень умеет связывать два устройства с помощью последовательности команд. С помощью команд можно запросить повторную отправку данных, если они пришли не в том виде, или контрольная сумма не прошла на определенном кадре. Именно на канальном уровне чаще всего работают коммутаторы, так как адресация между устройствами идет именно с помощью таблицы коммутации, в которой содержатся MAC-адреса подключенных устройств.
Уровень 3 – Сетевой уровень
Сетевой уровень работает с протоколами, которые используют IP адресацию. К таким устройствам относят почти все оборудование, но чаще в пример приводят роутеры (маршрутизаторы). Есть, конечно, и коммутаторы, которые работают на данном уровне.
Сетевой уровень решает важную задачу передачи пакетов нужному узлу. Например, отдаленный компьютер может находиться в другой подсети или вообще в другой сети. Тогда для отправки пакетов и определяется оптимальный путь до конечного узла.
Обязательно читаем подробную статью про роутер.
Уровень 4 – Транспортный
Транспортный уровень – позволяет напрямую обмениваться данными между двумя узлами. Например, протокол TCP используется для передачи четкой информации: картинки, тексты, файлы. UDP же чаще всего используются в потоках: видео, аудио, онлайн-игры и т.д.
При этом часто используется сквозное соединение, когда данные отправляются напрямую. Также транспортный уровень первый, который взаимодействует с прямыми данными и сеансовым уровнем.
Например, для связи устройств в канальном уровне используется физическая топология сетей. На сетевом уровне логическая топология. А вот на данном уровне идет прямая связь «узел-узел». Например, если вы заходите на какой-то сайт, то вы напрямую связываетесь с определённым сервером через DNS или IP адрес.
Уровень 5 – Сеансовый
Окончательно переводит сегменты или дейтаграммы в уже понятные компьютеру данные. Также на этом этапе может быть разрыв прямой связи между отправляющим или передающим компьютером.
Уровень 6 – Представительский
Окончательно переводит информацию к определенному виду данных, уже понятному для человека. Один из примеров – это кодировка текста. Когда данные приходят в кодировке ASCII, а их нужно перевести в UTF-8 или в другой вид.
Уровень 7 – Прикладной уровень
Уровень, который представляет данные в презентабельном для человека виде. Именно этот уровень также обменивается информацией напрямую с пользователем. Один из часто встречаемых протоколов на последнем уровне – это протокол HTTPS, которые позволяет представлять и читать данные в браузере.
Видео