Сетевая модель OSI: Полное руководство для понимания 7 уровней и протоколов

Сетевая модель OSI — 7 уровней, протоколы и функции

Программирование

Сетевая модель OSI: 7 уровней, их протоколы и функции — гайд для новичков

На просторах цифрового мира, где информация стремительно скачет от устройства к устройству, существует незримая структура, которая обеспечивает эту связь. Архитектура сети — невидимый стержень, вокруг которого вращается вся передача данных, гарантируя, что информация доберётся до нужного места вовремя и без искажений.

В мире сетей есть своего рода «алфавит», который используют устройства, чтобы понимать друг друга. Эти протоколы, подобно языкам, позволяют им обмениваться данными эффективно и согласованно.

В этом запутанном мире сетевая архитектура OSI стала общепринятым стандартом, разбивающим процесс передачи данных на семь дискретных слоёв. Каждый слой имеет свою уникальную роль, подобно кирпичикам, составляющим здание.

Содержание
  1. Архитектура сетей: Концептуальная схема
  2. Вертикальная иерархия
  3. Таблица уровней
  4. Уровни архитектуры сети
  5. Физический уровень: Сердцевина сетевого взаимодействия
  6. Канальный уровень: Властелин коммуникационной арены
  7. Сетевой уровень: Адресация и маршрутизация
  8. Адресация: уникальные сетевые идентификаторы
  9. Маршрутизация: поиск лучшего пути
  10. Транспортный уровень: Страж надежной доставки
  11. Управление связью на сеансовом уровне
  12. Уровень представления: инструмент преобразования
  13. Прикладной уровень: С мостком к людям
  14. Взаимосвязь между слоями
  15. Вертикальная и горизонтальная связь
  16. Старший/Младший
  17. Протоколы модели OSI: Назначение и Функции
  18. Физический уровень
  19. Канальный уровень
  20. Сетевой уровень
  21. Транспортный уровень
  22. Сеансовый уровень
  23. Уровень представления
  24. Прикладной уровень
  25. Протоколы для каждого уровня
  26. Вопрос-ответ:
  27. Что такое модель OSI и почему она важна?
  28. В чем разница между физическим и канальным уровнем?
  29. Каков назначение сетевого и транспортного уровней?
  30. Как работают сеансовый, презентационный и прикладной уровни?
  31. Как используется модель OSI в реальных сетевых системах?
  32. Какова основная цель модели OSI?
  33. Объясните, как работает уровень сетевого доступа в модели OSI.
  34. Видео:
  35. Сетевые модели OSI и TCP/IP. Вопросы на собеседовании

Архитектура сетей: Концептуальная схема

Архитектура сетей основана на концепции протоколов – наборов правил, которые определяют, как разные устройства общаются друг с другом.

В этой концептуальной схеме различные уровни взаимодействия устройств представляет собой этажи здания.

Каждый этаж соответствует определенным сетевым функциям.

Вертикальная иерархия

Вертикальная иерархия обеспечивает упорядоченный обмен данными между уровнями. Каждый уровень предоставляет определенные сервисы для верхнего уровня.

Нижний уровень (физический) обеспечивает передачу данных через физические среды, такие как кабели или беспроводные связи.

Верхний уровень (прикладной) обеспечивает приложениям доступ к сетевым службам.

Таблица уровней

Уровни архитектуры
Уровень Функции
Физический Передача данных через физические среды
Канальный Обеспечение доступа к среде передачи
Сетевой Маршрутизация сообщений через сеть
Транспортный Обеспечение надежной передачи данных
Сеансовый Управление сеансами связи
Представительский Преобразование форматов данных
Прикладной Обеспечение доступа приложений к сетевым службам

Уровни архитектуры сети

Архитектура сети устроена по принципу слоёв. Каждый слой решает свою задачу и взаимодействует только с соседними слоями. Так достигается модульность и независимость слоёв.

Выделяют семь уровней. Самый нижний отвечает за передачу данных по физическим каналам, а самый верхний — за работу приложений.

Разделение на уровни позволяет упростить разработку и обслуживание сетей. Изменение одного слоя не требует изменений в других слоях.

Взаимодействие между уровнями происходит по интерфейсам. Каждый слой предоставляет свои сервисы верхним слоям и использует сервисы нижних слоев.

Физический уровень: Сердцевина сетевого взаимодействия

Физический уровень — фундамент любой сетевой связи. Он отвечает за электрофизические характеристики и предоставляет механическую и электрическую основу для передачи данных. Без надежной передачи на физическом уровне высшие уровни не могут функционировать должным образом.

К компонентам физического уровня относятся кабели, разъемы, сетевые карты и модуляторы.

Кабели обеспечивают физический путь для передачи сигналов. Разъемы гарантируют надежное соединение между устройствами.

Сетевые карты адаптируют сигналы к среде передачи. Модуляторы преобразуют данные в сигналы, подходящие для передачи по среде.

Физический уровень создает канал, по которому данные могут передаваться между устройствами, формируя основу для всех последующих уровней сетевого взаимодействия.

Канальный уровень: Властелин коммуникационной арены

Канальный уровень в сетевой архитектуре подобен дорожному инспектору, обеспечивая упорядоченный поток данных по физическим каналам связи. Он отвечает за координацию доступа к среде передачи, предотвращая столкновения и гарантируя бесперебойную доставку информации.

Ключевые функции канального уровня включают управление доступом к среде, определение топологии сети и обнаружение и исправление ошибок при передаче данных.

Протоколы канального уровня, такие как Ethernet и Wi-Fi, определяют правила для совместного использования каналов связи и устанавливают механизмы для регулирования потока данных. Они разбивают данные на более мелкие единицы, называемые кадрами, и добавляют к ним адресные поля для обеспечения правильной доставки к назначению.

Одной из важнейших задач канального уровня является реализация методов управления доступом к среде для разрешения конкурирующих запросов на передачу данных в разделяемой среде, такой как Ethernet или беспроводная сеть. Эти методы гарантируют, что только одно устройство передает данные за раз, устраняя возможность коллизий и обеспечивая эффективное использование пропускной способности.

Метод Описание
CSMA/CD Обнаружение несущей с выявлением коллизий. Устройства прослушивают канал перед отправкой данных и отступают при обнаружении другой передачи.
CSMA/CA Обнаружение несущей с предотвращением коллизий. Устройства используют случайный отступ для входа в канал и отступают при обнаружении другой передачи.
Токенизация Устройства передают токены по кругу. Только устройство с токеном имеет право передавать данные.

Сетевой уровень: Адресация и маршрутизация

Адресация: уникальные сетевые идентификаторы

Каждый узел сети получает IP-адрес. Этот адрес необходим для идентификации и связи с другими узлами.

Existen dos tipos principales de direcciones IP:

  • IPv4 (32-разрядные адреса)
  • IPv6 (128-разрядные адреса)

Маршрутизация: поиск лучшего пути

Когда пакет отправляется, маршрутизаторы вычисляют оптимальный путь к месту назначения на основе доступной информации о сети.

Маршрутизация является сложным процессом, который использует различные алгоритмы, такие как:

  • RIP (протокол внутренней маршрутизации)
  • OSPF (протокол кратчайшего пути)
  • BGP (протокол пограничного шлюза)

Транспортный уровень: Страж надежной доставки

**Ответственность и надежность** в мире сетевых коммуникаций возложена на транспортный уровень. Он обеспечивает, чтобы данные, переданные на одном конце сетевого соединения, были доставлены к своему получателю на другом конце в безупречном состоянии.

Транспортный уровень, можно образно сравнить с почтовым отделением. Он получает данные в виде почтовых отправлений, сортирует их, ставит свои марки, упаковывает надежно и отправляет по адресу.

Надежность является ключевой характеристикой транспортного уровня. Он отвечает за контроль потока данных, гарантируя, что они не будут потеряны, повреждены или доставлены в неправильном порядке.

Уровень обеспечивает **мультиплексирование** и **демультиплексирование** данных, позволяя нескольким приложениям совместно использовать одно физическое соединение. Это достигается путем разделения данных на более мелкие пакеты, каждый из которых содержит информацию о целевом приложении.

Транспортный уровень является важнейшей частью сетевой иерархии. Без его надежных услуг верхние уровни не могли бы функционировать должным образом, и наши сетевые коммуникации были бы ненадежными и непредсказуемыми.

Управление связью на сеансовом уровне

Управление связью на сеансовом уровне

Без сеансового уровня обмен сообщениями мог бы быстро превратиться в хаос.

Этот уровень позволяет приложениям устанавливать, управлять и завершать сеансы связи.

Он также отвечает за синхронизацию обмена данными, гарантируя их доставку в правильном порядке.

Представьте себе два устройства, пытающиеся отправить друг другу объёмный файл, порезанный на мелкие пакеты. Сеансовый уровень выступает в роли координатора, обеспечивая, чтобы пакеты отправлялись и принимались в нужном порядке, чтобы файл в итоге был собран правильно.

Уровень представления: инструмент преобразования

Слой представления — это мост между данными прикладного уровня и транспортного уровня. Он отвечает за перевод данных в стандартный формат. Представление данных в разных форматах позволяет работать с ними на различных устройствах или программных платформах, обеспечивая межсистемную совместимость.

При передаче данных этот уровень, используя определённые протоколы, преобразует внутренний формат приложения в тот, который удобен для передачи по сети. На приёмной стороне он снова преобразует полученную информацию в формат, понятный для приложения-получателя. Помимо форматирования, уровень представления также отвечает за сжатие и шифрование данных для экономии пропускной способности канала связи и обеспечения конфиденциальности. Например, при просмотре веб-страницы HTML-данные форматируются с помощью протокола HTTP, сжимаются для уменьшения размера и передаются в зашифрованном виде с использованием протокола SSL.

Прикладной уровень: С мостком к людям

Этот уровень – дверь в мир цифрового взаимодействия.

Он отвечает за общение пользователя с сетью.

Он переводит команды людей в понятный машинам язык.

Через него мы отправляем электронные письма, смотрим видео и общаемся в социальных сетях.

К этому уровню относятся протоколы, которые обеспечивают обмен данными между приложениями.

Например, протокол HTTP, который отвечает за отправку и получение запросов веб-страниц.

Взаимосвязь между слоями

Слои не существуют изолированно. Как звенья одной цепи, они переплетаются и поддерживают друг друга. Информация плавно перетекает с уровня на уровень. Нижний уровень обеспечивает транспорт данных для верхнего, а верхний уровень предоставляет сервисы и прикладные функции для нижнего.

Вертикальная и горизонтальная связь

Связь между слоями осуществляется как вертикально, так и горизонтально. Вертикальная связь обеспечивает взаимодействие между смежными слоями. Горизонтальная связь позволяет взаимодействовать слоям одного уровня на разных устройствах.

Таблица вертикальной и горизонтальной связи слоев OSI
Вертикальная связь Горизонтальная связь
Посылает/принимает данные между смежными слоями Обменивается информацией с одноуровневыми слоями на разных устройствах

Например, уровень сети получает данные от транспортного уровня и передает их канальному уровню. В то же время, уровень сети также взаимодействует с одноименным уровнем на удаленном устройстве, обеспечивая сквозную связь.

Старший/Младший

Слои также могут быть описаны как «старшие» или «младшие». Старшие слои находятся ближе к приложению и пользователю. Младшие слои находятся ближе к физическому оборудованию. Каждый слой использует услуги нижележащего слоя и обеспечивает услуги вышележащему слою.

Протоколы модели OSI: Назначение и Функции

Протоколы играют жизненно важную роль во всеобъемлющей модели взаимосвязи открытых систем. Выполняя различные задачи на своих уровнях, эти протоколы обеспечивают согласованную и эффективную коммуникацию в сетевых средах.

Физический уровень

— Обеспечивает передачу необработанных битов данных через физическую среду.

— Примеры протоколов: Ethernet, Wi-Fi, PPP.

Канальный уровень

— Управляет доступом к среде передачи.

— Обеспечивает обнаружение и исправление ошибок на физическом уровне.

— Примеры протоколов: MAC, LLC, HDLC.

Сетевой уровень

— Определяет маршрутизацию пакетов данных между различными сетями.

— Обеспечивает виртуальные соединения между конечными системами, абстрагируясь от физической топологии сети.

— Примеры протоколов: IP, IPX, MPLS.

Транспортный уровень

Транспортный уровень

— Обеспечивает надежную передачу данных между приложениями.

— Управляет потоком данных, контролируя скорости передачи и предотвращая перегрузку сети.

— Примеры протоколов: TCP, UDP, SCTP.

Сеансовый уровень

— Управляет установлением, поддержанием и завершением сеансов связи между приложениями.

— Обеспечивает синхронизацию и восстановление после сбоев связи.

— Примеры протоколов: NetBIOS, RPC, X.225.

Уровень представления

— Кодирует и декодирует данные, преобразуя их в формат, понятный для приложений.

— Обеспечивает сжатие и шифрование данных для обеспечения конфиденциальности и эффективности.

— Примеры протоколов: JPEG, XML, GIF.

Прикладной уровень

— Предоставляет интерфейсы и услуги для приложений, таких как электронная почта, веб-просмотр и передача файлов.

— Обеспечивает удобство использования и поддержку различных типов приложений.

— Примеры протоколов: HTTP, FTP, SMTP.

Протоколы для каждого уровня

На физическом уровне используется Ethernet для проводных соединений и Wi-Fi для беспроводной связи.

На канальном уровне применяется протокол управления доступом к среде (MAC), который регулирует порядок передачи данных на общем носителе.

В сетевом уровне маршрутизация пакетов осуществляется с помощью протокола IP (Internet Protocol).

Транспортный уровень обеспечивает надёжную доставку данных между хостами благодаря протоколам TCP и UDP.

В сеансовом уровне протокол управления вызовом обеспечивает установление, поддержание и завершение сеансов связи.

На уровне представления данные преобразуются в различные форматы с помощью протокола SSL, отвечающего за безопасность интернет-трафика, и HTTP, используемого для передачи веб-страниц.

Прикладной уровень поддерживает широкий спектр протоколов, включая электронную почту (SMTP), передачу файлов (FTP) и просмотр веб-страниц (HTTP).

## Преимущества и изъяны структуры OSI

Предлагаем рассмотреть плюсы и минусы широко известной архитектуры, систематизирующей функционирование сетей OSI.

**Достоинства:**

* Расчленение передачи данных на отдельные функции повышает надежность.

* Модульная структура упрощает внедрение новых технологий, не затрагивая всю систему.

* Четкая иерархия позволяет легко выявлять и устранять неполадки.

* Служит основой для разработки новых протоколов и стандартов.

* Облегчает взаимодействие между разными устройствами и платформами.

**Недостатки:**

* Реализация всех семи уровней в реальных системах трудоемка.

* Разделение функций может привести к снижению производительности.

* Архитектура OSI не учитывает расширенные возможности современных сетевых технологий.

* Некоторые уровни абстрактны и не имеют практической реализации.

* Отсутствие единого органа управления стандартами усложняет внедрение и соблюдение.

Вопрос-ответ:

Что такое модель OSI и почему она важна?

Модель взаимодействия открытых систем (OSI) — это абстрактная структура, которая разделяет сетевое общение на семь уровней. Она обеспечивает общий язык для описания того, как сетевые устройства взаимодействуют, упрощая понимание и устранение сетевых проблем. Модель OSI создает основу для проектирования и реализации сетевых протоколов, гарантируя их совместимость и взаимодействие.

В чем разница между физическим и канальным уровнем?

Физический уровень модели OSI касается передачи битов по физическому носителю, такому как оптоволоконный кабель или витая пара. Он фокусируется на механических, электрических и световых характеристиках передающей среды. Канальный уровень, в свою очередь, гарантирует надежную передачу данных по сети, управляя доступом к среде, обнаруживая и корректируя ошибки и обеспечивая кадрирование (связывающее отдельные биты в пакеты данных).

Каков назначение сетевого и транспортного уровней?

Сетевой уровень отвечает за маршрутизацию пакетов данных между компьютерами в разных сетях. Он создает и поддерживает пути передачи и использует таблицы маршрутизации для определения оптимального маршрута для каждого пакета. Транспортный уровень обеспечивает прозрачный и надежный обмен данными между приложениями. Он устанавливает, поддерживает и завершает сетевые соединения, сегментируя большие данные на более мелкие пакеты и гарантируя их правильную доставку.

Как работают сеансовый, презентационный и прикладной уровни?

Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между приложениями. Он координирует начало и завершение обмена данными, а также позволяет приложениям восстанавливать сеансы после сбоев. Презентационный уровень преобразует данные между различными форматами, чтобы обеспечить интерпретацию данных приложениями-получателями. Прикладной уровень обеспечивает интерфейсы для пользовательских приложений и предоставляет конкретные сетевые службы, такие как передача электронной почты, обмен файлами и веб-браузинг.

Как используется модель OSI в реальных сетевых системах?

Модель OSI используется в качестве справочной основы для проектирования, реализации и устранения неполадок в сетевых системах. Каждый уровень модели обрабатывает конкретные задачи, и его протоколы работают вместе для обеспечения бесперебойного обмена данными. Понимание модели OSI позволяет сетевым администраторам выявлять и изолировать проблемы в сети, в частности, на каком уровне возникают сбои, и принимать соответствующие меры по устранению.

Какова основная цель модели OSI?

Модель OSI (Модель взаимодействия открытых систем) — это концептуальная модель, разработанная для стандартизации процессов сетевых коммуникаций. Она разделяет взаимодействие сети на семь уровней, каждый из которых выполняет определенные функции, чтобы обеспечить эффективную передачу данных.

Объясните, как работает уровень сетевого доступа в модели OSI.

Уровень сетевого доступа отвечает за физическое соединение с сетевыми средами, такими как Ethernet или Wi-Fi. Он преобразует данные в электрические сигналы или световые импульсы и передает их по физическому носителю, например, по кабелю или воздуху. На этом уровне также выполняются операции управления доступом к среде передачи, такие как предотвращение коллизий и управление полосой пропускания.

Видео:

Сетевые модели OSI и TCP/IP. Вопросы на собеседовании

Оцените статью
Обучение