16
обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют
достоверность принятых данных.
1.1.5. Уровень 5. Сеансовый уровень (англ. Session layer)
Взаимодействовать между собой длительное время приложениям
помогает 5-й уровень модели, который отвечает за поддержание сеанса связи.
На этом уровне происходит синхронизация задач обмена информацией,
создание/завершение сеанса связи, определение права на передачу данных и
поддержание сеанса в периоды неактивности приложений.
1.1.6. Уровень 6. Представительский (Уровень представления) (англ.
Presentation layer)
Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI представляет собой
промежуточный протокол для преобразования информации из соседних
уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на
разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом.
Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода.
Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению
поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл.
При необходимости на этом уровне может выполняться преобразование из
одного формата данных в другой, например преобразование протоколов и
кодирование/декодирование данных. Полученные из сети данные
преобразуются в формат, понятный приложениям, а запросы приложений,
полученные с прикладного уровня, преобразуются в формат для передачи по
сети. Кодирование/декодирование или сжатие/распаковка данных могут
осуществляться на этом уровне, кроме того может происходить
перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть
обработаны локально.
17
Уровень представлений обеспечивает организацию данных при их
пересылке. Шестой уровень имеет дело не только с структурами данных,
которые используются программами, он также занимается форматами и
представлением данных.
Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы.
Одна использует для представления данных расширенный двоичный код
обмена информацией EBCDIC, например, это может быть мейнфрейм
компании IBM, а другая — американский стандартный код обмена
информацией ASCII (его используют большинство других производителей
компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией,
то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и
осуществит перевод между двумя различными форматами.
Полезной функцией, выполняемой на уровне представлений, является
шифрование данных, применяемое для защиты информации от прочтения
несанкционированными получателями. Кодирование и шифрование является
частью алгоритмов сжатия, чтобы информация занимала меньше места при
передаче. Для каждого типа данных на этом уровне применяются разные
алгоритмы, одни разрабатывались для сжатия текста, другие для звука, далее
можно выделить широко применяемые алгоритмы сжатия изображений и
видео. Кроме передачи данных кодирование применяется для
межпрограммного обмена данными. Для примера можно привести широко
распространенные форматы кодирования изображения jpeg, кодирования
музыки mp3 и формат для кодирования видео mpeg. Кстати будет упомянуть
что перечисленные форматы предполагают сжатие с потерями, когда для
ускорения передачи ненужная информация не передается, например невидимые
глазу световые смещения для изображений и неслышимые слухом человека
частоты в звуке. Существует и сжатие без потерь, которое широко применяется
при архивировании различной информации.
18
1.1.7. Уровень 7. Прикладной уровень (уровень приложений) (англ.
Application layer)
Верхний уровень модели обеспечивает взаимодействие пользовательских
приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать
сетевые службы, такие как:
● удалённый доступ к файлам и базам данных
● пересылка электронной почты.
Также прикладной уровень:
● отвечает за передачу служебной информации
● предоставляет приложениям информацию об ошибках
● формирует запросы к уровню представления.
1.1.8. Дополнительные сведения об эталонной модели.
Уровни OSI очень логично показывают как надо строить сети, и любой
сетевой инженер должен знать уровни наизусть. Чтобы заучить названия
уровней существует известный способ: фраза “Please, Do Not Throw Sausage
Pizza Away (Пожалуйста, не выбрасывайте пиццу с колбасой)!” повторяет
первые буквы уровней OSI: Physical, Data link, Network, Transport, Session,
Presentation, Application снизу вверх. Другая фраза: “All People Seem To Need
Data Processing (Кажется, все люди нуждаются в обработке данных)” повторяет
первые буквы уровней в обратном направлении - от верхнего уровня к
нижнему. Несмотря на широкую распространенность, логичность и принятые
стандарты, модель OSI часто критикуется экспертами-сетевиками. Дело в том,
что пока научное сообщество спорило, принимая официальную и заверенную
всеми эталонную модель, производители выпускали устройства сетевого
взаимодействия без чёткой привязки к уровням. К моменту принятия стандарта
на практике уже сформировались вполне рабочие самостоятельные модели
19
сетевого взаимодействия. Впоследствии практические уровни притягивались к
эталонной модели, и существующие протоколы принято считать
принадлежными к тому или другому уровню.
1.1.9. Соответствие модели OSI и других моделей сетевого взаимодействия.
Сетевая модель разрабатывалась с конца семидесятых годов двадцатого
века, и пока не была принята в качестве стандарта построения взаимодействия
цифровых устройств производители активно использовали, внедряли и
усовершенствовали свои предложения, которые не во всем соответствовали
эталонной системе. Это приводило к несовместимости разных устройств
различных производителей, и с принятием стандарта в середине восьмидесятых
производители стали подгонять свои протоколы обмена информацией к
уровням эталонной модели. Так возникло несколько несовместимых семейств
протоколов, широкую известность и распространенность получили два
семtйства - IPX/SPX и TCP/IP. Первое семейство IPX/SPX (internetwork packet
exchange/sequenced packet exchange) нашло широкое применение в малых,
локальных сетях и продвигалось компанией Nowell. В глобальных сетях эти
протоколы никогда не использовались и постепенно были вытеснены
протоколами обмена принятыми при построении сети Интернет - TCP/IP. В
настоящее время поддержка протоколов IPX/SPX практически прекращена. В
свою очередь стандарт TCP/IP стал основным стандартом как в глобальных, так
и в локальных сетях и в настоящее время всё еще активно развивается. Как уже
упоминалось ранее, разработка стека велась параллельно с эталонной моделью,
поэтому основные принципы сформировались до её принятия, а в
последующем подгонялись под эталонную модель. Рассмотрим модель TCP/IP
более подробно.
20
1.2. Модель стека протоколов TCP/IP.
Общий принцип работы модели стека протоколов TCP/IP очень похож на
принцип работы эталонной модели OSI, несмотря на различие в количестве
уровней и их функционале. Модель TCP/IP удобна, распространена, главное её
преимущество - практичность. Эталонная же модель OSI хорошо описывает
логические уровни построения сетей и хорошо подходит для обучения. В
практической модели TCP/IP можно выделить 4 уровня: Канальный, Сетевой,
Транспортный и Прикладной. Попробуем сопоставить эти уровни с
эталонными в таблице 2:
Таблица 2
№
Уровни OSI
Уровни TCP/IP
Примеры
1
Физический
Уровень доступа (канальный
уровень, физический уровень).
Ethernet, PPP
2
Канальный
3
Сетевой
Сетевой уровень (межсетевой
уровень, уровень глобальной
сети)
ipv4, ipv6, ipsec,
OSPF, RIP, EIGRP,
NAT
4
Транспортный
Транспортный уровень
TCP, UDP
5
Сеансовый
Прикладной уровень (уровень
работы приложений)
HTTP,SMTP,Telnet
,SSH,FTP
6
Представления
7
Прикладной
Канальный и физический уровень практически слились в этой модели,
протоколы работающие на этом уровне можно сопоставить с двумя первыми
уровнями модели OSI. Это и wi-fi (IEEE 802.11 [21]), и PPP и самый
распространенный ethernet, протоколы которого определяют как физические
свойства сигналов, так и протоколы управления доступом к среде и формат
передаваемых кадров.
21
Второй уровень идентичен третьему в эталонной модели, на этом уровне
происходит соединение конечных устройств и соединение сетей, и это
последний уровень для сетевого оборудования. Протоколы Интернета работают
на этом уровне, на этом уровне уже используются логические адреса устройств.
На этом уровне строятся сетевые туннели, работают алгоритмы поиска путей,
происходит межсетевая маршрутизация.
Транспортный уровень - третий в TCP/IP и четвертый в OSI. Этот уровень
отвечает за надёжность передачи данных, на нем работают протоколы TCP и
UDP. Первый отличается надежностью и сигнализирует о принятии данных
принимающей стороной, и только тогда передающая сторона отправляет
следующую порцию данных, второй работает без подтверждения, когда
прерывать поток данных нецелесообразно, например при передаче видео- или
аудио-сообщений.
Четвертый уровень - прикладной, объединяет три верхних уровня модели
OSI - Сеансовый, Представления и Прикладной. На практике это удобно:
программисты пишут программы без оглядки на сетевую инженерию и уровни.
Стандарты физического уровня регулируются многими организациями:
ISO, EIA/TIA, ANSI, IEEE, ITU-T и применяются производителями сетевого
оборудования. Стандарты верхних уровней полностью регулируются одной
организацией - IETF.
1.2.1 Уровень доступа (первый уровень).
На первом уровне работают основные технологии связи, определяющие
физическую среду и логическое основание передачи сигналов, просто для
примера это когда по медному проводу передают импульсы амплитудой в 5
Вольт и частотой в 100 Герц, и именно величины значений и саму среду
описывают стандарты первого уровня. В эталонной модели физический
уровень отличается от канального, что более логично, но на практике среда
22
передачи и передаваемые в ней сигналы неразрывно связаны. Алгоритм работы
первого уровня можно раскрыть следующим образом:
1. Прием информации с верхнего уровня, подготовка данных к отправке,
2. кодирование для передачи средством простейших алгоритмов коррекции
ошибок, когда с сигналом подается контрольная сумма,
3. отправка данных в среду передачи, (отправляемые кадры содержат кроме
полезной информации - полезного сигнала, несущий сигнал - служебная
информация о начальной адресации и корректирующая информация),
4. прием данных,
5. декодирование, при котором если необходимо происходит коррекция,
6. отправка полученной информации на уровень выше.
Кроме того стандартами этого уровня описывается среда передачи,
например тип медного провода, сечения коаксиального кабеля, частота
радиочастоты для wi-fi.
Также для совместимости описываются конструктивные особенности разъемов,
например RJ-45 или RJ-11 и определяются нормы сигналов соответствующие
логическому нулю или единице.
Самая известная и распространенная технология, описывающая работу
устройств на этом уровне, без сомнения ethernet (ether-эфир, net-сеть).
Принятые стандарты описаны в IEEE802.3. Рассмотрим принятый формат
посылаемого кадра, используемый в Интернет в таблице 3:
23
Таблица 3
Преамбула,
служебная
информация
для
синхронизации
MAC
назначения
6 байт
MAC
отправителя
6 байт
тип
пакета
2
байта
Данные
контрольн
ые суммы
8 байт
14 байт
46-
1500
байт
4 байта
Как видно из таблицы, кадр ethernet состоит из 8+(64-1518) байт.
При проектировании ethernet было принято соглашение, что у каждого
сетевого устройства будет свой уникальный hardware-address, который назвали
media access control (MAC). Адрес должен быть зашит в ПЗУ и быть основным
идентификатором устройства на этом уровне. Отметим, что современные
системы позволяют менять MAC-адреса сетевых адаптеров. Современные
адреса MAC выдаются производителям сетевых устройств IEEE и состоят из 48
бит, или 6 байт.
Сетевое оборудование начинает работать как только распознает
пришедший кадр. Сетевой концентратор (хаб), получив кадр отправляет его
всем подключенным к нему устройствам, устройства читают заголовок и
принимают его, если указан их адрес, в противном случае просто отбрасывают
его. Коммутатор работает умнее, при первой отправке кадра он запоминает,
какой порт соответствует передаваемому адресу и при последующих передачах
отправляет данные для этого адреса только на тот порт. Для этих целей в
оперативной памяти коммутатора строится таблица соответствия MAC-адресов
портам. Все операции с MAC-адресами принято считать операциями второго
уровня (L2, layer 2), т.к. они соответствуют второму уровню эталонной модели.
В 1998 году принято очень важное дополнение, описанное в IEEE
802.3ab. Размер кадра увеличен на 4 байта до 1522 байт, в них передается
24
информация о виртуальных локальных сетях (vlan) и информация для QoS,
отвечающей за качество обслуживания и работающей на разных уровнях.
VLAN позволяет делить сеть на разные независимые сегменты, никак не
связанные между собой, но находящиеся на одном коммутаторе. QoS на данном
уровне отвечает за алгоритмы предоставления приоритета разным типам
кадров, например вычисляется приоритет для передачи голосового трафика.
Основные сетевые стандарты: Wi-Fi (IEEE 802.11 [21]), ethernet
(IEEE802.3[22]), bluetooth (IEEE 802.15), ADSL G.992 (ITU-T), ISO 9314 -
Управление доступом к распределенному интерфейсу передачи данных по
оптоволокну, ANSI X3T12 - оптоволоконная линия связи.
1.2.2 Сетевой уровень (второй уровень).
На втором уровне начинают работать ip-адреса, они отличаются от MAC-
адресов тем, что этот адрес назначается пользователем. С ip-адресами работает
маршрутизатор, цель которого соединять не конечные устройства в сети, а
целые сети, состоящие из множества устройств. В маршрутизаторе работает
множество алгоритмов, признанных направлять приходящие адреса по
нужному пути.
На этом уровне можно выделить три принципа работы:
● Отправка происходит без установки соединения, т.е. даже если получатель в
данный момент недоступен.
● Исходя из предыдущего пункта, доставка пакетов не гарантируется.
● Работа на этом уровне не зависит от среды передачи, которая полностью
определяется на первом уровне.
То, что протокол считается ненадёжным, не значит, что он плохой либо
плохо работает. Просто доставка пакетов осуществляется без подтверждения, в
нем не предусмотрены поля для синхронизации источника с приемником. За
счёт этого пересылка пакетов происходит быстро. Весь труд по подтверждению
25
доставки и установки соединения возлагается на верхние уровни, например на
протокол TCP.
Существует несколько стандартов, работающих на этом уровне,
рассмотрим 3 основных из них: ipv4, ipv6 и icmp. Ipv4 - стандарт адресации
четвертой версии, на сегодня основной и в глобальной сети, и в локальных
сетях. Ipv6 - шестая версия, современная. Icmp протокол применяется для
тестирования установки соединений.
Рассмотрим, что представляет ipv4. При поступлении кадра с канального
уровня добавляется заголовок в 20 байт (в редких случаях больше), их значения
выведены в таблице 4:
Таблица 4
Байты
Первы
й байт
Второй байт
Третий байт
Четвертый
байт
0-3
Версия
Длина заголовка
Тип
обслуживания
длина пакета
4-7
Идентификатор
флаг (3 бита)
смещение
фрагмента
8-11
Время
жизни
пакета
Протокол
Контрольная сумма
12-15
ip-адрес источника
16-19
ip-адрес назначения
20
Опции
Заполнитель
Данные
● Версия: для ipv4 всегда указано 0100
● Длинна заголовка указывает где заголовок заканчивается и начинаются данные.