Что такое модель OSI?

Модель взаимосвязи открытых систем (сокращенно: модель OSI) была разработана Международной организацией по стандартизации (IOS) в качестве эталонной модели для открытой связи через различные технические системы. Это имеет смысл, если вспомнить первые дни Интернета: в конце 1970-х годов все ведущие производители сетевых технологий решали проблемы, связанные с собственными сетевыми инфраструктурами. В результате устройства от «производителя А» можно было использовать только в собственной сети этой компании, поскольку эти продукты были несовместимы с сетями конкурентов. В то время просто не существовало стимулов, побуждающих инженеров разрабатывать свои продукты и системы с учетом требований конкурирующих компаний. Появление Интернета полностью изменило эту парадигму, поскольку для облегчения совместного общения и доступа к сети потребовались общие стандарты.

Модель OSI является результатом таких попыток стандартизации и, как концептуальная основа, предлагает базу для создания стандартов связи независимо от производителей. Для достижения этой цели модель ISO OSI подразделяет сложный процесс сетевого взаимодействия на семь уровней, также называемых уровнями. Именно отсюда происходит термин «модель уровней OSI». При обмене данными между двумя системами на каждом уровне должны выполняться определенные задачи. К таким задачам относятся управление коммуникацией, адресация целевых систем или преобразование пакетов данных в физические сигналы. Однако это работает только тогда, когда все системы, участвующие в коммуникации, придерживаются определенных правил, которые определяются протоколами.

Эталонная модель ISO, с другой стороны, не является конкретным сетевым стандартом. Вместо этого она описывает в абстрактной форме, какие процессы должны быть регламентированы, чтобы сетевая связь могла осуществляться.

Для многих пользователей общение между двумя компьютерами может показаться тривиальным, но то, что происходит за кулисами, не так уж и просто. При передаче данных по сети необходимо решить множество задач и выполнить требования по таким важным критериям, как надежность, безопасность и целостность. Один из проверенных подходов к этому методу сетевого взаимодействия заключается в разделении этих задач на различные уровни. Каждому уровню отводится своя определенная область задач. Один стандарт обычно охватывает только одну часть модели слоев. Эта система организована иерархически: каждый слой получает доступ к расположенным ниже него слоям через интерфейс и делает доступными услуги вышележащего слоя. Эта концепция имеет два основных преимущества:

• Задачи и требования, которые должны управляться/выполняться в рамках данного слоя, четко определены. Стандарты для каждого слоя могут разрабатываться независимо друг от друга.
• Поскольку отдельные слои четко отделены друг от друга, изменения, внесенные в один стандарт на одном слое, не оказывают никакого влияния на процессы, выполняемые на других слоях. Это облегчает внедрение новых стандартов.

Что касается их задач, то 7 уровней модели OSI можно разделить на две группы: прикладные и транспортно-ориентированные уровни. Эти процессы, протекающие на отдельных уровнях, лучше понять на следующем примере, который демонстрирует передачу электронной почты с устройства пользователя на почтовый сервер:

Верхние уровни эталонной модели OSI называются уровнями, ориентированными на приложения. Более конкретно, различают прикладной уровень, уровень представления и сеансовый уровень.

• Уровень 7 — прикладной уровень: этот уровень модели OSI имеет прямой контакт с приложениями, такими как программы электронной почты или веб-браузеры. Именно здесь происходит ввод и вывод данных. Прикладной уровень создает связь с верхними уровнями модели OSI и поддерживает функции приложений в режиме ожидания. Пример передачи электронной почты делает этот последний пункт более понятным: пользователь набирает сообщение в своей почтовой программе, расположенной на используемом устройстве. Это сообщение принимается на прикладном уровне в виде пакета данных. Здесь к данным электронной почты добавляется дополнительная информация в виде заголовка приложения; этот процесс известен как капсулирование. Помимо прочего, заголовок содержит информацию, указывающую на то, что прилагаемые данные исходят от программы электронной почты. Кроме того, определяется протокол, который отвечает за передачу электронной почты на прикладном уровне (обычно SMTP для электронной почты).

• Уровень 6 — презентационный уровень: центральной задачей сетевого взаимодействия является обеспечение передачи данных в стандартных форматах. Именно поэтому локальные презентации передаются в стандартизированных форматах на презентационном уровне. В случае передачи электронной почты это момент, когда определяется, как должно выглядеть сообщение. Для этого в пакет данных добавляется заголовок презентации. Он содержит информацию о том, как закодирована электронная почта, в каком формате должны быть потенциальные вложения (например, JPEG или MPEGG4) и как данные сжимаются или шифруются (например, SSL/TLS). Это позволяет понять формат электронного письма и отобразить сообщение так, как оно должно быть.

• Уровень 5 — сеансовый уровень: организация соединения между обеими конечными системами является основной задачей, которая выполняется на сеансовом уровне. Он также известен как коммуникационный уровень. Именно здесь вступают в действие специальные механизмы управления, которые отвечают за установление и поддержание соединения, а также регулируют настройку соединения. Для контроля связи требуется дополнительная информация, которая добавляется к передаваемому сообщению (это делается с помощью заголовка сессии). Наиболее типичные прикладные протоколы, такие как SMTP или FTP, сами заботятся о сеансах или, как HTTP, являются stateless. Именно поэтому модель TCP/IP, конкурент модели OSI, объединяет OSI 5, 6 и 7 в один прикладной уровень. Другими стандартами, использующими функции уровня 5, являются NetBIOS, Socks и RPC.

Существует четыре транспортно-ориентированных уровня, которые следуют за тремя прикладными уровнями. Здесь различают транспортный уровень, сетевой уровень, канальный уровень и физический уровень.

• Уровень 4 — транспортный уровень: транспортный уровень является связующим звеном между прикладными и транспортно-ориентированными уровнями. На этом уровне реализуется логическое сквозное соединение и канал передачи между взаимодействующими системами. На этом этапе к данным электронной почты также добавляется информация. Пакет данных, к которому на этом этапе уже добавлены заголовки с прикладных уровней, получает транспортный заголовок. Используются стандартные сетевые протоколы, такие как TCP или UDP. Здесь же определяются порты, через которые осуществляется управление приложениями на целевой системе. На четвертом уровне также происходит назначение пакетов данных определенным приложениям.

• Уровень 3 — сетевой уровень: на третьем уровне передача данных, наконец, достигает Интернета. Именно здесь происходит логическая адресация оконечных устройств. Затем им присваивается уникальный IP-адрес на уровне 3. К пакету данных добавляется сетевой заголовок, содержащий информацию о маршрутизации и управлении потоком данных, как в примере с электронной почтой. Здесь компьютерные системы опираются на стандарты Интернета, такие как IP, ICMP, X.25, RIP или OSPF. Обычно для трафика электронной почты используется TCP поверх IP.

• Уровень 2 — канальный уровень: на канальном уровне функции, предназначенные для обнаружения ошибок и управления потоками данных, помогают избежать ошибок при передаче. Для этого пакеты данных, включая заголовки приложений, представления, сеансов, транспорта и сети, добавляются в кадр, состоящий из заголовков канала данных и трасс канала данных. На уровне 2 также происходит аппаратная адресация. Для этого используются так называемые MAC-адреса. Доступ к среде передачи данных регулируется протоколами, такими как net или PPP.

• Уровень 1 — физический уровень: на физическом уровне происходит преобразование битов пакета данных в физический сигнал, соответствующий предполагаемой среде передачи. Такие сигналы могут быть переданы только с помощью какой-либо среды, например, медных проводов, оптоволоконных кабелей или воздуха. Интерфейс среды передачи определяется с помощью протоколов и стандартов, таких как DSL, ISDN, Bluetooth, USB (физический уровень) или эфирная сеть (физический уровень).

Пакеты данных проходят через все этапы модели OSI как на системах отправителей, так и на системах получателей. Все остальные устройства, через которые проходят пакеты данных на пути к месту назначения, полагаются исключительно на уровни 1-3. Электронное письмо из примера выше сначала проходит через маршрутизатор как физический сигнал, прежде чем продолжить свой путь через Интернет. Интернет находится только на третьем уровне модели OSI и по этой причине распространяет информацию только с первых трех уровней; уровни с 4 по 7 не рассматриваются. Для того чтобы получить доступ к необходимой информации, маршрутизатор сначала должен распаковать капсулированную информацию. Этот шаг часто логически называют «декапсуляцией». Для этого процесса уровни OSI работают в обратном порядке.  

Сначала сигнал кодируется на физическом уровне. Затем на втором уровне подготавливаются MAC-адреса, а на третьем — IP-адреса и протоколы маршрутизации. На основе этой информации маршрутизатор принимает решение о перенаправлении. Это позволяет пакету данных снова инкапсулироваться и, основываясь на полученной новой информации, пересылаться на следующую станцию на пути к целевой системе.

Для передачи данных обычно задействовано несколько маршрутизаторов, на которых происходят описанные выше процессы (капсулирование и декапсулирование); эти процессы продолжаются до тех пор, пока пакет данных не прибудет в пункт назначения; в случае нашего текста это сервер электронной почты в виде или физического сигнала. Здесь пакет данных также декапсулируется (процесс, который осуществляется путем прохождения пакета через модель OSI с первого по седьмой уровни). После этого сообщение, отправленное через почтовый клиент, должно попасть на почтовый сервер, где оно готово к доступу через другой почтовый клиент.