Сеансовый уровень (англ. Session layer)

5-й уровень модели 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.

Пример: ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol), ASP (AppleTalk Session Protocol), H.245 (Call Control Protocol for Multimedia Communication), ISO-SP (OSI Session Layer Protocol (X.225, ISO 8327)), iSNS (Internet Storage Name Service), L2F (Layer 2 Forwarding Protocol), L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol), NetBIOS (Network Basic Input Output System), PAP (Password Authentication Protocol), PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol), RPC (Remote Procedure Call Protocol), RTCP (Real-time Transport Control Protocol), SMPP (Short Message Peer-to-Peer), SCP (Secure Copy Protocol), SSH (Secure Shell), ZIP (Zone Information Protocol), SDP (Sockets Direct Protocol).

Транспортный уровень (англ. Transport layer)

4-й уровень модели 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. Пример: TCP, UDP.

Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Некоторые протоколы сетевого уровня, называемые протоколами без установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень. Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных — это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

Описать работу протоколов с установкой соединения можно на примере работы обычного телефона. Протоколы этого класса начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь.

Протоколы без установки соединения, которые посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете, работают аналогично почтовой системе. Каждое письмо или пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждый промежуточный почтамт или сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена. За установку данных в соответствующем порядке при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы.

Пример: ATP (AppleTalk Transaction Protocol), CUDP (Cyclic UDP), DCCP (Datagram Congestion Control Protocol), FCP (Fiber Channel Protocol), IL (IL Protocol), NBF (NetBIOS Frames protocol), NCP (Netware Core Protocol), SCTP (Stream Control Transmission Protocol), SPX (Sequenced Packet Exchange), SST (Structured Stream Transport), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сетевой уровень (англ. Network layer)

3-й уровень сетевой модели OSI 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.

Пример: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2) CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security), ICMP (Internet Control Message Protocol), RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First).

Канальный уровень (англ. Data Link layer)

Этот уровень 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. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня — MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

Протоколы: ARCnet, ATM, Cisco Discovery Protocol (CDP), Controller Area Network (CAN), Econet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC), IEEE 802.2 (provides LLC functions to IEEE 802 MAC layers), IEEE 802.11 wireless LAN, Link Access Procedures, D channel (LAPD), LocalTalk, Multiprotocol Label Switching (MPLS), Point-to-Point Protocol (PPP), Serial Line Internet Protocol (SLIP) (obsolete), Spanning tree protocol, StarLan, Token ring, Unidirectional Link Detection (UDLD), x.25.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS

Физический уровень (англ. Physical layer)

Основная статья: Физический уровень

Самый нижний уровень модели 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. Физический уровень определяет такие свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Протоколы: IRDA, USB, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, Ethernet (включая 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T, 1000BASE-T, 1000BASE-SX и другие), 802.11Wi-Fi, DSL, ISDN, SONET/SDH, GSM Um radio interface, IEEE 802.15, ITU и ITU-T, Firewire, TransferJet, Etherloop, ARINC 818, G.hn/G.9960.

Модель OSI и реальные протоколы

Семиуровневая модель OSI является теоретической, и содержит ряд недоработок. Были попытки строить сети в точном соответствии с моделью OSI, но созданные таким образом сети были дорогими, ненадёжными и неудобными в эксплуатации. Реальные сетевые протоколы, используемые в существующих сетях, вынуждены отклоняться от неё, обеспечивая непредусмотренные возможности, поэтому привязка некоторых из них к уровням OSI 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 осуществлять обмен данными между приложениями (вводя понятие порта – идентификатора приложения), 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.

Семиуровневая модель OSI критиковалась некоторыми специалистами. В частности в классической книге «UNIX. Руководство системного администратора» Эви Немет и другие пишут:

… Пока комитеты ISO спорили о своих стандартах, за их спиной менялась вся концепция организации сетей и по всему миру внедрялся протокол TCP/IP. …

…

И вот, когда протоколы ISO были наконец реализованы, выявился целый ряд проблем:

• Эти протоколы основывались на концепциях, не имеющих в современных сетях никакого смысла.

• Их спецификации были в некоторых случаях неполными.

• По своим функциональным возможностям они уступали другим протоколам.

• Наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации.

…

… Сейчас даже самые рьяные сторонники этих протоколов признают, что OSI постепенно движется к тому, чтобы стать маленькой сноской на страницах истории компьютеров. Главное, что следует усвоить из этого: вычислительные системы не должны разрабатываться комитетами.

6. Протокол IP, принципы маршрутизации пакетов, DHCP

IP это рабочая лошадь семейства протоколов TCP/IP. TCP, UDP, ICMP и IGMP передают свои данные как IP датаграммы (рисунок 5). IP является ненадежным протоколом, предоставляющим сервис доставки датаграмм без соединения.

Под словом ненадежный мы подразумевается то, что не существует гарантии того, что IP датаграмма успешно достигнет пункта назначения. Однако IP предоставляет определенный сервис обработки некоторых событий. Когда что-нибудь идет не так, как хотелось бы, как например, временное переполнение буфера у маршрутизатора, IP применяет простой алгоритм обработки ошибок: он отбрасывает датаграмму и старается послать ICMP сообщение отправителю. Любая требуемая надежность должна быть обеспечена верхними уровнями (например TCP).

Термин без соединения (connectionless) означает, что IP не содержит никакой информации о продвижении датаграмм. Каждая датаграмма обрабатывается независимо от других. Это также означает, что может быть доставлена испорченная датаграмма. Если источник отправляет две последовательные датаграммы (первая A, затем B) в один и то же пункт назначения, каждая из них маршрутизируется независимо и может пройти по разным маршрутам, датаграмма B может прибыть раньше чем A.

На рисунке 5 показан формат IP датаграммы. Стандартный размер IP заголовка составляет 20 байт, если не присутствуют опции.

Рисунок 5 – IP датаграмма.

Мы покажем, как выглядят заголовки протоколов TCP/IP на рисунке 5. Старший значащий бит имеет номер 0 (слева), а младший значащий бит из 32-х бит имеет номер 31 и показан справа.

4 байта из 32-битного значения передаются в следующем порядке: сначала биты 0 - 7, затем биты 8 - 15, затем 16 - 23 и, наконец, 24 - 31. Такой порядок движения байтов называется big endian (big endian - метод хранения или передачи данных, при котором старший значащий бит или байт стоит первым) и обязателен для всех двоичных целых чисел в TCP заголовках при их передаче по сети. Это называется порядок сетевых байтов (network byte order). Машины, которые хранят двоичные целые в других форматах, как, например, в формате little endian (little endian - метод хранения или передачи данных, при котором младший значащий бит или байт стоит первым), должны конвертировать значения заголовков в соответствующий порядок сетевых байтов перед передачей данных.

Текущая версия протокола - 4, поэтому IP иногда называется IPv4.

Длина заголовка (header length) это количество 32-битных слов в заголовке, включая любые опции. Так как это 4-битное поле, оно ограничивает размер заголовка в 60 байт. В главе 8 мы увидим, что это ограничение сильно влияет на некоторые опции, такие как опция записи маршрута. Обычная величина в этом поле (когда отсутствуют опции) - 5.

Поле типа сервиса (TOS - type-of-service) состоит из 3-битного поля приставки (которое в настоящее время игнорируется), 4 бит TOS и неиспользуемого бита, который должен быть равен 0. 4 бита TOS следующие: минимальная задержка, максимальная пропускная способность, максимальная надежность и минимальная стоимость. Только один из этих 4 бит может быть установлен в единицу одновременно. Если все 4 бита равны 0, это означает обычный сервис.

Поле полной длины (total length) содержит полную длину IP датаграммы в байтах. Благодаря этому полю и полю длины заголовка, мы знаем, с какого места начинаются данные в IP датаграмме и их длину. Так как это поле состоит из 16 бит, максимальный размер IP датаграммы составляет 65535 байт. Это поле может изменяется в момент фрагментации и повторной сборки датаграммы.