Уровни модели OSI: вводное руководство

Модель Open System Interconnect (OSI) помогает разработчикам и поставщикам создавать интероперабельные и безопасные программные решения.

Эта модель описывает тонкости потоков данных в сети, протоколы связи, такие как TCP, и различия между инструментами и технологиями.

Хотя многие спорят об актуальности уровней модели OSI, она действительно актуальна, особенно в эпоху кибербезопасности.

Знание уровней модели OSI поможет вам оценить технические уязвимости и риски, связанные с приложениями и системами. Это также может помочь командам определить и отличить местоположение данных и физический доступ, а также определить свою политику безопасности.

В этой статье мы углубимся в уровни модели OSI и изучим их важность как для пользователей, так и для бизнеса.

Что такое модель взаимодействия открытых систем (OSI)?

Модель Open System Interconnect (OSI) — это эталонная модель, состоящая из семи уровней, используемых компьютерными системами и приложениями для связи с другими системами по сети.

Модель разбивает процессы передачи данных, стандарты и протоколы на семь уровней, каждый из которых выполняет определенные задачи, связанные с отправкой и получением данных.

Модель OSI была разработана Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1984 году и является первым стандартом, определяющим, как системы должны взаимодействовать в сети. Эта модель была принята всеми ведущими телекоммуникационными и компьютерными компаниями.

Модель представляет собой визуальный дизайн, в котором семь слоев расположены друг над другом. В архитектуре модели OSI нижний уровень обслуживает верхний уровень. Таким образом, когда пользователи взаимодействуют, данные проходят через эти уровни по сети, начиная с устройства-источника, а затем идут вверх через уровни, чтобы достичь принимающего устройства.

Модель OSI включает в себя различные приложения, сетевое оборудование, протоколы, операционные системы и т. д., позволяющие системам передавать сигналы через физические носители, такие как оптоволокно, медная витая пара, Wi-Fi и т. д. в сети.

Эта концептуальная структура может помочь вам понять взаимосвязь между системами и призвана помочь разработчикам и поставщикам в создании интероперабельных программных приложений и продуктов. Кроме того, он продвигает структуру, описывающую функционирование используемых телекоммуникационных и сетевых систем.

Зачем вам нужно знать модель OSI?

Понимание модели OSI важно при разработке программного обеспечения, поскольку каждое приложение и система работают на основе одного из этих уровней.

Сетевые ИТ-специалисты используют модель OSI для осмысления того, как данные передаются по сети. Эти знания ценны не только для поставщиков и разработчиков программного обеспечения, но и для студентов, которые хотят сдать такие экзамены, как сертификация Cisco Certified Network Associate (CCNA).

Некоторые из преимуществ изучения уровней модели OSI:

• Понимание потока данных . Модель OSI позволяет сетевым операторам легко понять, как данные передаются в сети. Это помогает им понять, как аппаратное и программное обеспечение работают вместе. Используя эту информацию, вы можете построить лучшую систему с повышенной безопасностью и отказоустойчивостью, используя подходящее программное и аппаратное обеспечение.
• Простое устранение неполадок : устранение неполадок становится проще, поскольку сеть разделена на семь уровней со своими функциями и компонентами. Кроме того, специалистам требуется меньше времени для диагностики проблемы. Фактически вы можете определить сетевой уровень, ответственный за возникновение проблем, чтобы переключить внимание на этот конкретный уровень.
• Способствует функциональной совместимости : разработчики могут создавать программные системы и устройства, совместимые друг с другом, чтобы они могли легко взаимодействовать с продуктами других поставщиков. Это увеличивает функциональность этих систем и позволяет пользователям работать эффективно.

Вы можете определить, какие компоненты и части, с которыми должны работать их продукты. Это также позволяет вам сообщать конечным пользователям сетевой уровень, на котором работают ваши продукты и системы, будь то весь технологический стек или только определенный уровень.

Различные уровни модели OSI

Физический слой

Физический уровень является самым нижним и первым уровнем в модели OSI, который описывает физическое и электрическое представление системы.

Он может включать тип кабеля, расположение контактов, радиочастотную связь, напряжения, тип сигнала, тип разъемов для подключения устройств и многое другое. Он отвечает за беспроводное или физическое кабельное соединение между различными сетевыми узлами, облегчает передачу необработанных данных и контролирует скорость передачи данных.

На этом уровне необработанные данные в битах или 0 и 1 преобразуются в сигналы и обмениваются ими. Для обеспечения плавной передачи данных требуется, чтобы стороны отправителя и получателя были синхронизированы. Физический уровень обеспечивает интерфейс между различными устройствами, средами передачи и типами топологии для работы в сети. Требуемый тип режима передачи также определяется на физическом уровне.

Используемая сетевая топология может быть шиной, кольцом или звездой, а режим может быть симплексным, полнодуплексным или полудуплексным. Устройства на физическом уровне могут быть кабельными разъемами Ethernet, ретрансляторами, концентраторами и т. д.

Если обнаружена проблема с сетью, специалисты по сетевым технологиям сначала проверяют, все ли работает нормально на физическом уровне. Они могут начать с проверки кабелей, правильно ли они подключены и подключена ли вилка питания к системе, например, к маршрутизатору, среди прочих шагов.

Основные функции слоя-1:

• Определение физической топологии, способа расположения устройств и систем в данной сети.
• Определение режима передачи — это то, как данные передаются между двумя подключенными устройствами в сети.
• Битовая синхронизация с часами, которые контролируют получателя и отправителя на битовом уровне.
• Управление битрейтом передачи данных

Канальный уровень данных

Канальный уровень находится выше физического уровня. Он используется для установления и завершения соединений между двумя подключенными узлами, присутствующими в сети. Этот уровень делит пакеты данных на разные кадры, которые затем передаются от источника к месту назначения.

Канальный уровень состоит из двух частей:

• Logical Link Control (LLC) обнаруживает сетевые протоколы, синхронизирует кадры и проверяет ошибки.
• Управление доступом к среде (MAC ) использует MAC-адреса для связи устройств и установки разрешений на передачу данных.

MAC-адреса — это уникальные адреса, назначаемые каждой системе в сети, которые помогают идентифицировать систему. Эти 12-значные номера представляют собой системы физической адресации, контролируемые на канальном уровне сети. Он контролирует, как различные сетевые компоненты получают доступ к физическому носителю.

Пример : MAC-адреса могут состоять из 6 октетов, например 00:5e:53:00:00:af, где первые три числа соответствуют уникальным идентификаторам организации (OUI), а последние три — контроллеру сетевого интерфейса (NIC). .

Основные функции уровня-2:

• Обнаружение ошибок: обнаружение ошибок происходит на этом уровне, но не исправление ошибок, которое происходит на транспортном уровне. В некоторых случаях в сигналах данных обнаруживаются нежелательные сигналы, называемые битами ошибок. Чтобы противодействовать этой ошибке, ее необходимо сначала обнаружить с помощью таких методов, как контрольная сумма и проверка циклическим избыточным кодом (CRC).
• Управление потоком: передача данных между получателем и отправителем через носитель должна происходить с одинаковой скоростью. Если данные в виде кадра отправляются быстрее, чем скорость, с которой получатель получает данные, некоторые данные могут быть потеряны. Чтобы решить эту проблему, канальный уровень использует некоторые методы управления потоком, чтобы поддерживать постоянную скорость по всей линии передачи данных. Этими методами могут быть:
  • Метод скользящего окна , при котором обе стороны решают, сколько кадров необходимо передать. Это экономит время и ресурсы во время передачи.
  • Механизм остановки и ожидания требует, чтобы отправитель остановился и начал ждать получателя после передачи данных. Отправитель должен дождаться подтверждения от получателя о получении данных.
• Разрешить множественный доступ: канальный уровень также позволяет вам получить доступ к нескольким устройствам и системам для передачи данных через одну и ту же среду передачи без коллизий. Для этого он использует множественный доступ с контролем несущей или протоколы обнаружения коллизий (CSMA/CD).
• Синхронизация данных: на канальном уровне устройства, совместно использующие данные, должны быть синхронизированы друг с другом на каждом конце, чтобы обеспечить бесперебойную передачу данных.

Канальный уровень также использует такие устройства, как мосты и коммутаторы уровня 2. Мосты — это двухпортовые устройства, подключающиеся к разным сетям LAN. Он работает как повторитель, фильтрует нежелательные данные и отправляет их в конечную точку назначения. Он соединяет сети, используя один и тот же протокол. С другой стороны, уровень 2 переключает пересылку данных на последующий уровень на основе MAC-адреса системы.

Сетевой уровень

Сетевой уровень находится поверх уровня канала передачи данных и является третьим снизу в модели OSI. Он использует сетевые адреса, такие как IP-адреса, для маршрутизации пакетов данных к принимающему узлу, работающему в разных или тех же протоколах и сетях.

Он выполняет две основные задачи:

• Разделяет сегменты сети на разные сетевые пакеты при повторной сборке сетевых упаковщиков на целевом узле.
• Обнаруживает оптимальный путь в физической сети и соответствующим образом направляет пакеты.

Под оптимальным путем я подразумеваю, что этот уровень находит кратчайший, самый быстрый и самый простой маршрут между отправителем и получателем для передачи данных с использованием коммутаторов, маршрутизаторов и различных методов обнаружения и обработки ошибок.

Для этого на сетевом уровне используется логический сетевой адрес и структура сетевых подсетей. Независимо от того, находятся ли устройства в одной сети или нет, используют один и тот же протокол или нет, работают в одной и той же топологии или нет, этот уровень будет направлять данные с использованием логического IP-адреса и маршрутизатора от источника к месту назначения. Итак, его основными компонентами являются IP-адреса, подсети и маршрутизаторы.

• IP-адрес: это глобально уникальное 32-битное число, назначаемое каждому устройству и работающее как логический сетевой адрес. Он состоит из двух частей: адреса хоста и сетевого адреса. IP-адрес обычно представлен четырьмя числами, разделенными точкой, например, 192.0.16.1.
• Маршрутизаторы. На сетевом уровне маршрутизаторы используются для передачи данных между устройствами, работающими в разных глобальных сетях (WAN). Поскольку маршрутизаторы, используемые для передачи данных, не знают точного адреса назначения, пакеты данных маршрутизируются.

У них есть только информация о местоположении их сети и данные, собранные в таблице маршрутизации. Это помогает маршрутизаторам найти путь для доставки данных. Когда он, наконец, доставит данные в сеть назначения, данные будут отправлены на хост назначения в сети.

• Маски подсети. Маска подсети состоит из 32 бит логического адреса, который маршрутизатор может использовать помимо IP-адреса для обнаружения местоположения узла назначения для доставки данных. Это важно, поскольку адреса хоста и сети недостаточно, чтобы найти местоположение, находится ли оно в удаленной сети или подсети. Примером маски подсети может быть 255.255.255.0.

По маске подсети можно узнать сетевой адрес и адрес хоста. Таким образом, когда от источника приходит пакет данных с рассчитанным адресом назначения, система получает данные и передает их на следующий уровень. Этот уровень не требует, чтобы отправитель ждал подтверждения получателя, в отличие от уровня 2.

Транспортный уровень

Транспортный уровень является четвертым снизу в модели OSI. Он берет данные с сетевого уровня и доставляет их на прикладной уровень. На этом уровне данные называются «сегментами», и основной функцией уровня является доставка полного сообщения. Он также подтверждает успешную передачу данных. Если есть какая-либо ошибка, он возвращает данные.

Помимо этого, транспортный уровень выполняет управление потоком данных, передает данные с той же скоростью, что и принимающее устройство, чтобы обеспечить плавную передачу, управляет ошибками и повторно запрашивает данные после обнаружения ошибок.

Давайте разберемся, что происходит на каждом конце:

• На стороне отправителя после получения форматированных данных от более высоких уровней модели OSI транспортный уровень выполняет сегментацию. Затем он реализует методы управления потоком и ошибками, чтобы обеспечить плавную передачу данных. Затем он добавит номера портов источника и получателя в заголовок и завершит сегменты на сетевом уровне.
• На стороне получателя транспортный уровень идентифицирует номер порта, просматривая заголовок, а затем отправляет полученные данные целевому приложению. Он также будет упорядочивать и повторно собирать сегментированные данные.

Транспортный уровень обеспечивает безошибочное сквозное соединение между устройствами или хостами в сети. Он поставляет сегменты данных внутри и между подсетями.

Чтобы обеспечить сквозную связь в сети, каждое устройство должно иметь точку доступа к транспортной службе (TSAP) или номер порта. Это поможет хосту распознавать одноранговые хосты по номеру порта в удаленной сети. Обычно он находится вручную или по умолчанию, поскольку большинство приложений используют номер порта по умолчанию 80.

Транспортный уровень использует два протокола:

• Протокол управления передачей (TCP): Этот надежный протокол сначала устанавливает соединение между хостами перед началом передачи данных. Он требует, чтобы получатель отправил подтверждение того, получил он данные или нет. Получив подтверждение, он отправляет второй пакет данных. Он также контролирует скорость передачи и управление потоком и исправляет ошибки.
• Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP): он считается ненадежным и не ориентирован на соединение. После передачи данных между хостами получателю не требуется отправлять подтверждение, и данные продолжают отправляться. Вот почему он подвержен кибератакам, таким как UDP-флуд. Он используется в онлайн-играх, потоковом видео и т. д.

Некоторые функции транспортного уровня:

• Обращается к точкам обслуживания: транспортный уровень имеет адрес, называемый адресом порта или адресом точки обслуживания, который помогает доставить сообщение нужному получателю.
• Обнаружение ошибок и контроль: этот уровень предлагает обнаружение ошибок и контроль. Ошибка может возникнуть, когда сегмент или данные хранятся в памяти маршрутизатора, даже если при перемещении данных по каналу ошибок не обнаружено. И если произойдет ошибка, канальный уровень не сможет ее обнаружить. Кроме того, все ссылки могут быть небезопасными; следовательно, требуется обнаружение ошибок на транспортном уровне. Это делается двумя способами:
  • Циклическая проверка избыточности
  • Генератор контрольных сумм и проверка

Сеансовый уровень

Пятый снизу уровень модели OSI — это сеансовый уровень. Он используется для создания каналов связи, также известных как сеансы, между различными устройствами. Он выполняет такие задачи, как:

• Открытие сессий
• Заключительные сессии
• Держите их открытыми и полностью функциональными, когда происходит передача данных
• Предлагая синхронизацию диалогов между различными приложениями для обеспечения бесперебойной передачи данных без потерь на принимающей стороне.

Сеансовый уровень может создавать контрольные точки для обеспечения безопасной передачи данных. В случае прерывания сеанса все устройства возобновят передачу с последней контрольной точки. Этот уровень позволяет пользователям, использующим разные платформы, создавать между собой активные сеансы связи.

Уровень представления

Шестой слой снизу — это уровень представления или уровень перевода. Он используется для подготовки данных для отправки на уровень приложений, расположенный выше. Он представляет конечным пользователям данные, которые пользователи могут легко понять.

Уровень представления описывает, как два устройства в сети должны сжимать, шифровать и кодировать данные, чтобы приемник правильно их принял. Этот уровень использует данные, которые прикладной уровень передает, а затем отправляет на сеансовый уровень.

Уровень представления обрабатывает синтаксис, поскольку отправитель и получатель могут использовать разные режимы связи, что может привести к несоответствиям. Этот уровень позволяет системам легко общаться и понимать друг друга в одной сети.

Слой-6 выполняет такие задачи, как:

• Шифрование данных на стороне отправителя
• Расшифровка данных на стороне получателя
• Перевод, например, из формата ASCII в EBCDIC
• Сжатие данных для мультимедиа перед передачей

Слой разбивает данные, содержащие символы и числа, на биты, а затем передает их. Он также переводит данные для сети в требуемый формат и для различных устройств, таких как смартфоны, планшеты, ПК и т. д., в принятый формат.

Прикладной уровень

Приложение — это седьмой и самый верхний уровень в модели OSI. Программное обеспечение и приложения конечного пользователя, такие как почтовые клиенты и веб-браузеры, используют этот уровень.

Прикладной уровень предоставляет протоколы, позволяющие программным системам передавать данные и предоставлять значимую информацию конечным пользователям.

Пример . Протоколами прикладного уровня могут быть знаменитый протокол передачи гипертекста (HTTP), простой протокол передачи почты (SMTP), система доменных имен (DNS), протокол передачи файлов (FTP) и другие.

TCP/IP и модель OSI: различия

Ключевые различия между TCP/IP и моделью OSI:

• TCP/IP, созданный Министерством обороны США (DoD), является более старой концепцией, чем модель OSI.
• Функциональная модель TCP/IP была построена для решения конкретных коммуникационных задач и основана на стандартных протоколах. Модель OSI, с другой стороны, является общей моделью, которая не зависит от протокола и используется для определения сетевых коммуникаций.
• Модель TCP/IP более проста и имеет меньше уровней, чем модель OSI. Обычно он состоит из четырех слоев:
  • Уровень доступа к сети, который объединяет уровни 1 и 2 OSI.
  • Интернет-уровень, который в модели OSI называется сетевым уровнем.
  • Транспортный уровень
  • Прикладной уровень, который объединяет уровни 5, 6 и 7 OSI.
• Модель OSI имеет семь уровней: физический уровень, уровень канала передачи данных, сетевой уровень, транспортный уровень, сеансовый уровень, уровень представления и прикладной уровень.
• Приложения, использующие TCP/IP, используют все уровни, но в модели OSI большинство приложений не используют все семь уровней. На самом деле уровни 1-3 обязательны только для передачи данных.

Вывод

Знание модели OSI может помочь разработчикам и поставщикам создавать совместимые и безопасные программные приложения и продукты. Это также поможет вам различать различные инструменты и протоколы связи и то, как они работают друг с другом. И если вы студент, стремящийся сдать сетевой экзамен, такой как сертификация CCNA, знание модели OSI будет полезно.