На заре становления интернета, в конце 1970-х годов, международная организация по стандартизации ISO (International Organization for Standartization) предприняла масштабную попытку навести порядок в компьютерных сетях и создала набор правил, которому должны следовать подключённые друг к другу сетевые устройства при обмене данными. Так на свет появилась эталонная сетевая модель OSI (The Open Systems Interconnection model, модель взаимодействия открытых систем).
Почему модель OSI важна?
OSI описывает все типы сетевого взаимодействия, начиная с программного обеспечения и заканчивая аппаратными компонентами. На стандартах архитектуры OSI основаны другие сетевые модели, такие как стек TCP/IP, фактически ставший основой современного интернета. OSI описывает, как именно устройства в локальных и глобальных сетях обмениваются данными, как строятся сетевые маршруты и как взаимодействуют все устройства на пути передачи информации.
Принципы, заложенные в OSI, так или иначе используются в каждом устройстве, подключённом к сети — в компьютерах, телефонах, планшетах, сетевых принтерах, камерах видеонаблюдения, компонентах «умного дома», маршрутизаторах, модемах, точках доступа, роутерах и так далее. Понимание этих принципов необходимо для решения задач на всех уровнях передачи и получения данных и в интернете, и в локальных сетях. Знание OSI пригодится сетевым инженерам, разработчикам сетевых компонентов, программистам, тестировщикам, системным администраторам и инженерам DevOps.
Знание модели OSI значительно облегчает диагностику и отладку компьютерных сетей, поиск и устранение неисправностей.
История появления OSI
Первые компьютерные сети стали появляться в конце 1960-х годов в университетах, государственных учреждениях и в армии. Они разрабатывались, в основном, частными компаниями и предназначались только для собственного оборудования. Самой известной из таких компаний была американская корпорация IBM, предложившая многоуровневую сетевую архитектуру SNA (Systems Network Architecture). Тогда же министерство обороны США запустило собственную сеть ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network).
Но все эти разработки имели фундаментальные недостатки, не позволявшие компьютерам разных производителей, расположенным в разных сетях, общаться между собой. Поэтому в 1977 году независимая неправительственная организация ISO привлекла группу учёных из США, Великобритании и Франции под руководством Чарльза Бакмана (Charles Bachman) для создания концепции универсального открытого сетевого взаимодействия. В процесс борьбы за цифровое единство были вовлечены тысячи инженеров по всему миру. Создание стандарта активно поддерживали производители компьютерного оборудования и телефонов, исследователи, регуляторы, агентства, министерства и правительства разных стран. После семи лет напряжённой работы, в 1984 году, учёные наконец опубликовали документ, известный как стандарт ISO 7498 или базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем — OSI.
Принципы работы OSI
Модель OSI определяет базовые принципы эффективного обмена информацией в компьютерных сетях:
- Уровни. OSI разделяет функции и протоколы сетевого обмена на абстрактные уровни, каждый из которых независимо выполняет определённую работу.
- Абстракции. Каждый уровень скрывает детали реализации своих протоколов от соседних уровней, что позволяет изменять и развивать каждый протокол отдельно, не нарушая работу сетевого стека в целом.
- Иерархия. Уровни OSI позволяют следовать единой логике и порядку обработки при передаче и приёме данных.
- Протоколы. OSI определяет протоколы, которые должны быть реализованы на каждом уровне для обмена данными с соседними уровнями, обеспечивая согласованную работу модели.
- Универсальность. Модель OSI может применяться в различных типах сетей: локальных и глобальных, проводных и беспроводных.
Благодаря универсальным базовым принципам и разделению на уровни эталонная модель OSI обеспечивает совместимость самых разнообразных устройств и согласованность различных технологий, став основой при создании современных сетевых стандартов.
Подробнее о работе сетевых протоколов.
Уровни OSI
В модель OSI входит семь уровней, или слоёв (layers):
Каждый уровень работает со своими протоколами и не должен знать ничего об устройстве других слоёв. Такое разделение оказалось очень удобным, так как позволило развивать технологии каждого уровня независимо от остальных. Например, когда на смену модемам, коаксиальным кабелям и витой паре пришли оптоволоконные сети, взаимодействие компьютеров по сети продолжилось как ни в чём не бывало.
1. Физический уровень (physical layer)
Данные на этом уровне представляют собой сигналы — электрические, световые или радиоволны. Физический уровень описывает кодирование сигналов в наборы единиц и нулей, модуляцию, частоту, амплитуду, напряжение и другие физические параметры. Сигналы передаются по проводам, оптоволоконным кабелям или через радиоэфир. Этот слой работает с проводами, коннекторами, микросхемами и прочими электронными компонентами.
Примером протокола физического уровня может быть Ethernet, который описывает передачу сигналов по проводам. Беспроводную передачу данных, или, как говорят сетевые инженеры, соединение «по воздуху», может осуществлять Wi-Fi, Bluetooth или GSM, а световые сигналы могут быть переданы через оптические кабели или инфракрасные порты.
В интернете с физическим уровнем работают сетевые адаптеры, концентраторы, повторители, медиаконвертеры и другие устройства. Такое оборудование не занимается логикой обработки данных, его задача — принять и передать сигнал дальше.
2. Канальный уровень (data link layer)
Занимается физической адресацией и контролем при передаче информации. Тут вместо сигналов в игру вступают биты — наборы логических нулей и единиц. Данные, получаемые или передаваемые на физический уровень, помещаются в кадры (frame). Кадры добавляют к передаваемым данным адреса отправителя и получателя:
За адресацию устройств отвечает подуровень MAC (Media Access Control, контроль доступа к среде). MAC-адрес — это физический адрес устройства, присвоенный ему на заводе изготовителем:
Контроль передачи на канальном уровне осуществляется подуровнем LLC (Logical Link Control, контроль логической связи), гарантирующим правильность отправки и получения информации.
Примером устройств канального уровня могут быть коммутаторы и мосты, которые используются для подключения устройств в локальных сетях, оперируя только физическими MAC-адресами.
3. Сетевой уровень (Network Layer)
Находит пути передачи данных, то есть отвечает за маршрутизацию между устройствами в сети. На этом уровне используются IP-адреса (Internet Protocol address). Сопоставлением IP-адресов и MAC-адресов занимается протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол определения адреса). Пакет данных на сетевом уровне похож на кадр канального уровня, за исключением используемых адресов:
На сетевом уровне работают маршрутизаторы, используемые интернет-провайдерами, и обычные домашние роутеры.
4. Транспортный уровень (transport layer)
Предназначен для доставки данных. На этом уровне происходит передача информации по сети. Чаще всего в качестве протоколов транспортного уровня используются TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей) и UDP (User Datagram Protocol, протокол пользовательских датаграмм).
Протокол TCP гарантирует доставку данных получателю, но работает медленнее, тогда как UDP быстро отправляет данные, не заботясь об их получении. Поэтому протокол UDP часто используется для видео и звукового вещания, где частичные потери кадров не так важны, как скорость. Для передачи информации без потерь в интернете обычно используется TCP, контролирующий каждый передаваемый бит за счёт использования различных алгоритмов проверки целостности данных.
Для снижения трафика в случае потери пакетов протокол TCP делит данные на сегменты. Если отдельный сегмент не удаётся доставить получателю, он будет передан снова. Кроме того, сегментация данных позволяет адаптировать скорость передачи в зависимости от пропускной способности сети.
Также для доставки блоков данных конкретной службе в дополнение к IP-адресу на транспортном уровне используются порты — числовые идентификаторы сетевых служб.
5. Сеансовый уровень (session layer)
Отвечает за установку и поддержание сеанса связи (сессии), а также обеспечивает проверку необходимых средств для правильной обработки данных, например наличие нужных кодеков при передачи видео или звука. Примером сессий может быть подключение к одному сайту нескольких пользователей, каждого из которых нужно авторизовать отдельно и обработать запрос в зависимости от персонального профиля.
6. Уровень представления данных (presentation layer)
Отвечает за преобразование форматов данных, сжатие и кодирование. При необходимости на этом уровне также происходит шифрование данных. Примером формата данных может быть обычный текст в кодировке UTF, изображение JPEG или видео MPEG, то есть на уровне представления данные принимают вид, понятный человеку.
7. Прикладной уровень (application layer)
Определяет взаимодействие сети и приложений пользователя (запросы к интернет-ресурсам, файлам и электронной почте). На этом уровне используются такие протоколы, как HTTP(S) для сёрфинга в интернете, FTP для передачи файлов, SMTP для отправки электронной почты и так далее. Другими словами, конечный пользователь отправляет и получает данные, не заботясь о транспортных механизмах.
Также на прикладном уровне работают различные сетевые службы, отвечающие за передачу файлов, печать, взаимодействие с базами данных, отправку и получение сообщений и так далее.
Подробнее о протоколе прикладного уровня HTTP.
Преимущества модели OSI
- Стандартизация. Благодаря общему набору правил и протоколов устройства разных типов и производителей могут работать вместе.
- Масштабируемость. Возможность добавлять или изменять отдельные уровни и протоколы позволяет сетям на основе OSI легко адаптироваться к изменениям технологий.
- Гибкость. Независимость уровней даёт возможность легко изменять общую конфигурацию сети, построенной по принципам OSI.
- Управляемость. Базовые принципы модели позволяют полностью контролировать процесс передачи данных на всех этапах.
- Надёжность. Разделение на уровни помогает легко локализовать и устранять проблемы и ошибки.
- Упрощение обучения. Структурирование стека протоколов позволяет легче понять сетевые технологии в целом.
Недостатки модели OSI
- Долгая разработка. На создание модели OSI было потрачено неоправданно много времени, причём разработчики не уделили должного внимания другим существующим на тот момент технологиям. Это позволило модели TCP/IP, которая уже работала на момент завершения OSI, фактически стать основой современного интернета.
- Нечёткое разделение слоёв. Одни и те же задачи могут быть решены на разных уровнях, что делает технологию в целом неоднозначной.
- Закрытая технология. В отличие от TCP/IP, модель OSI не была свободной, а за её использование предполагалось взимать плату.
Альтернативы
Модель OSI представляет собой отличную теоретическую базу для построения компьютерных сетей, облачных вычислений и совместного использования сетевых ресурсов. Но практическое применение нашли другие варианты:
- Модель TCP/IP. Эта модель состоит только из четырёх уровней (прикладного, транспортного, межсетевого и канального), но реализует все возможности OSI. Благодаря своей простоте и своевременному внедрению в настоящее время стек протоколов TCP/IP так или иначе используется при взаимодействии почти всех современных сетевых устройств. Подробнее о модели TCP/IP.
- Стек протоколов IBM SNA. Основывается на семиуровневой модели, похожей на OSI. Используется для передачи данных между высокопроизводительными серверами (мейнфреймами) и другим оборудованием и программами компании IBM.
- NetWare. Закрытая сетевая операционная система, разработанная американской компанией Novell. Основана на стеке протоколов Xerox Network Systems (XNS), но в настоящее время также поддерживает стек TCP/IP. Предполагает наличие выделенного сервера, к которому подключаются клиенты для совместного использования дискового пространства.
- Сеть ARPANET. Была запущена в 1969 году агентством Министерства обороны США по перспективным исследованиям (DARPA) и просуществовала до 1990 года. Логическая схема ARPANET была одной из первых попыток создать единую концепцию взаимодействия разнообразного сетевого оборудования и фактически стала прототипом современного интернета.
Заключение
Построение компьютерных сетей — сложная задача. На сегодняшний день насчитывается более семи тысяч сетевых протоколов, и даже опытные инженеры не знают на память всех тонкостей и особенностей их работы. Но сетевые модели, такие как OSI, делают эту задачу решаемой. Имея такую базу и понимая основные принципы работы оборудования и программ вполне можно начать работать с конкретными уровнями в области межсетевого взаимодействия и облачных вычислений.
