За что отвечает канальный уровень модели osi

ИТ База знаний

Полезно

— Онлайн генератор устойчивых паролей

— Онлайн калькулятор подсетей

— Руководство администратора FreePBX на русском языке

— Руководство администратора Cisco UCM/CME на русском языке

— Руководство администратора по Linux/Unix

Навигация

Серверные решения

Телефония

FreePBX и Asterisk

Настройка программных телефонов

Корпоративные сети

Протоколы и стандарты

Модель OSI – это просто!

Модель Open Systems Interconnection (OSI) – это скелет, фундамент и база всех сетевых сущностей. Модель определяет сетевые протоколы, распределяя их на 7 логических уровней. Важно отметить, что в любом процессе, управление сетевой передачей переходит от уровня к уровню, последовательно подключая протоколы на каждом из уровней.

Онлайн курс по Кибербезопасности

Изучи хакерский майндсет и научись защищать свою инфраструктуру! Самые важные и актуальные знания, которые помогут не только войти в ИБ, но и понять реальное положение дел в индустрии

Видео: модель OSI за 7 минут

Нижние уровни отвечают за физические параметры передачи, такие как электрические сигналы. Да – да, сигналы в проводах передаются с помощью представления в токи 🙂 Токи представляются в виде последовательности единиц и нулей (1 и 0), затем, данные декодируются и маршрутизируются по сети. Более высокие уровни охватывают запросы, связанные с представлением данных. Условно говоря, более высокие уровни отвечают за сетевые данные с точки зрения пользователя.

Модель OSI была изначально придумана как стандартный подход, архитектура или паттерн, который бы описывал сетевое взаимодействие любого сетевого приложения. Давайте разберемся поподробнее?

#01: Физический (physical) уровень

На первом уровне модели OSI происходит передача физических сигналов (токов, света, радио) от источника к получателю. На этом уровне мы оперируем кабелями, контактами в разъемах, кодированием единиц и нулей, модуляцией и так далее.

Отметим, что в качестве носителя данных могут выступать не только электрические токи. Радиочастоты, световые или инфракрасные волны используются также повсеместно в современных сетях.

Сетевые устройства, которые относят к первому уровню это концентраторы и репитеры – то есть «глупые» железки, которые могут просто работать с физическим сигналом, не вникая в его логику (не декодируя).

#02: Канальный (data Link) уровень

Представьте, мы получили физический сигнал с первого уровня – физического. Это набор напряжений разной амплитуды, волн или радиочастот. При получении, на втором уровне проверяются и исправляются ошибки передачи. На втором уровне мы оперируем понятием «фрейм», или как еще говорят «кадр». Тут появляются первые идентификаторы – MAC – адреса. Они состоят из 48 бит и выглядят примерно так: 00:16:52:00:1f:03.

Канальный уровень сложный. Поэтому, его условно говоря делят на два подуровня: управление логическим каналом (LLC, Logical Link Control) и управление доступом к среде (MAC, Media Access Control).

На этом уровне обитают такие устройства как коммутаторы и мосты. Кстати! Стандарт Ethernet тоже тут. Он уютно расположился на первом и втором (1 и 2) уровнях модели OSI.

#03: Сетевой (network) уровень

Идем вверх! Сетевой уровень вводит термин «маршрутизация» и, соответственно, IP – адрес. Кстати, для преобразования IP – адресов в MAC – адреса и обратно используется протокол ARP.

Именно на этом уровне происходит маршрутизация трафика, как таковая. Если мы хотим попасть на сайт wiki.merionet.ru, то мы отправляем DNS – запрос, получаем ответ в виде IP – адреса и подставляем его в пакет. Да – да, если на втором уровне мы используем термин фрейм/кадр, как мы говорили ранее, то здесь мы используем пакет.

Из устройств здесь живет его величество маршрутизатор 🙂

Процесс, когда данные передаются с верхних уровней на нижние называется инкапсуляцией данных, а когда наоборот, наверх, с первого, физического к седьмому, то этот процесс называется декапсуляцией данных

#04: Транспортный (transport) уровень

Транспортный уровень, как можно понять из названия, обеспечивает передачу данных по сети. Здесь две основных рок – звезды – TCP и UDP. Разница в том, что различный транспорт применяется для разной категории трафика. Принцип такой:

#05: Сеансовый (session) уровень

Попросите любого сетевого инженера объяснить вам сеансовый уровень. Ему будет трудно это сделать, инфа 100%. Дело в том, что в повседневной работе, сетевой инженер взаимодействует с первыми четырьмя уровнями – физическим, канальным, сетевым и транспортным. Остальные, или так называемые «верхние» уровни относятся больше к работе разработчиков софта 🙂 Но мы попробуем!

Сеансовый уровень занимается тем, что управляет соединениями, или попросту говоря, сессиями. Он их разрывает. Помните мем про «НЕ БЫЛО НИ ЕДИНОГО РАЗРЫВА»? Мы помним. Так вот, это пятый уровень постарался 🙂

#06 Уровень представления (presentation)

На шестом уровне творится преобразование форматов сообщений, такое как кодирование или сжатие. Тут живут JPEG и GIF, например. Так же уровень ответственен за передачу потока на четвертый (транспортный уровень).

#07 Уровень приложения (application)

На седьмом этаже, на самой верхушке айсберга, обитает уровень приложений! Тут находятся сетевые службы, которые позволяют нам, как конечным пользователям, серфить просторы интернета. Гляньте, по какому протоколу у вас открыта наша база знаний? Правильно, HTTPS. Этот парень с седьмого этажа. Еще тут живут простой HTTP, FTP и SMTP.

Онлайн курс по Кибербезопасности

Изучи хакерский майндсет и научись защищать свою инфраструктуру! Самые важные и актуальные знания, которые помогут не только войти в ИБ, но и понять реальное положение дел в индустрии

Источник

Функции канального уровня модели OSI.

В статье “Сетевая модель OSI” мы рассмотрели все уровни данной модели, но не полностью. В этой статье мы рассмотрим функции канального уровня. Вспомним чем занимается канальный уровень.

Канальный уровень — уровень сетевой модели OSI, предназначенный для обмена данными между узлами находящимися в том же сегменте локальной сети, путем передачи специальных блоков данных, которые называются кадрами (frame).

В процессе формирования кадров данные снабжаются служебной информацией (заголовком), необходимой для корректной доставки получателю, и, в соответствии с правилами доступа к среде передачи, отправляются на физический уровень.

В локальных сетях канальный уровень разделяется на два подуровня:

1. Уровень доступа к среде (media access layer, MAC)

MAC-уровень появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети.

2. Уровень управления логическим каналом (logical link control, LLC).

LLC — это протокол управления логическим каналом. Как только станция получит разрешение на соединение на уровне MAC, устанавливается логическое соединение между передающей данные станцией и принимающей эти данные станцией. Протокол LLC управляет данным логическим соединением.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы – каждый протокол MAC-уровня может применяться с любым типом протокола LLC-уровня и наоборот.

Функции канального уровня

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру.

Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Также канальный уровень занимается:

Протоколы канального уровня

1. Технология DSL. Это целый набор протоколов и стандартов, описывающих взаимодействие между устройствами на физическом и канальном уровнях модели OSI. Средой передачи данных технологии DSL является медный кабель.

2. Point-to-Point Protocol (PPP). PPP – это двухточечный протокол канального уровня, который используется для установления соединения между двумя устройствами. Протокол PPP позволяет шифровать данные, реализует аутентификацию и сжатие данных.

3. Point-to-Point Protocol over Ethernet (PPPoE). Протокол PPPoE описывает процесс передачи кадров канального протокола PPP через сети, построенные по технологии Ethernet.

4. IEEE3 (Ethernet). Технология Ethernet включает в себя набор стандартов и протоколов, описывающих взаимодействие между устройствами как на физическом, так и на канальном уровнях модели OSI.

Изначально принцип взаимодействия в сетях Ethrenet был похож на радиотрансляцию, когда одно устройство передавало данные, а все остальные устройства эти данные принимали, с появлением коммутаторов этот принцип изменился.

Источник

Канальный уровень

Из Википедии — свободной энциклопедии

Канальный уровень (англ. Data Link layer ), также уровень передачи данных [1] — второй уровень сетевой модели OSI, предназначенный для передачи данных узлам, находящимся в том же сегменте локальной сети. Также может использоваться для обнаружения и, возможно, исправления ошибок, возникших на физическом уровне. Примерами протоколов, работающих на канальном уровне, являются: Ethernet для локальных сетей (многоузловой), Point-to-Point Protocol (PPP), HDLC и ADCCP для подключений точка-точка (двухузловой).

Функции межсетевой маршрутизации и глобальной адресации осуществляются на более высоких уровнях модели OSI, что позволяет протоколам канального уровня сосредоточиться на локальной доставке и адресации.

Заголовок кадра содержит аппаратные адреса отправителя и получателя, что позволяет определить, какое устройство отправило кадр и какое устройство должно получить и обработать его. В отличие от иерархических и маршрутизируемых адресов, аппаратные адреса одноуровневые. Это означает, что никакая часть адреса не может указывать на принадлежность к какой-либо логической или физической группе.

Когда устройства пытаются использовать среду одновременно, возникают коллизии кадров. Протоколы канального уровня выявляют такие случаи и обеспечивают механизмы для уменьшения их количества или же их предотвращения.

Многие протоколы канального уровня не имеют подтверждения о приёме кадра, некоторые протоколы даже не имеют контрольной суммы для проверки целостности кадра. В таких случаях протоколы более высокого уровня должны обеспечивать управление потоком данных, контроль ошибок, подтверждение доставки и ретрансляции утерянных данных.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

В программировании доступ к этому уровню предоставляет драйвер сетевой платы. [ источник не указан 3325 дней ] 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. [ источник не указан 3325 дней ] [ значимость факта? ]

Длина пакета, формируемого протоколом канального уровня, ограничена сверху посредством MTU. MTU может быть изменено. Минимальная длина кадра прописывается в стандартах и не может быть изменена.

Источник

IT-блог о веб-технологиях, серверах, протоколах, базах данных, СУБД, SQL, компьютерных сетях, языках программирования и создание сайтов.

Канальный уровень модели OSI. Второй уровень эталонной модели сетевого взаимодействия

Привет, посетитель сайта ZametkiNaPolyah.ru! Продолжаем рубрику Сервера и протоколы. Продолжаем разбираться с тем как работают компьютерные сети в целом и сеть Интернет в частности. И в данной публикации мы поговорим о функциях, особенностях и процессах, которые происходят на втором уровне модели OSI или как его еще называют канальный уровень. Мы уже знаем, что на физическом уровне модели сетевого взаимодействия данные представлены в виде битов, то есть последовательности логических нулей и единиц. Отмечу, что ноль и единица логические, так как им соответствует какой-то определенный уровень напряжения, у логического нуля уровень сигнала не нулевой. Эти логические нули и единицы на канальном уровне превращаются в кадры, которые состоят из трех частей: заголовок кадра (определенная последовательность бит, которая сообщает устройству о начале кадра), тело кадра, в котором содержится полезная для человека информация и окончание кадра (опять же это служебная последовательность нулей и единиц, которая делает передаваемое сообщение избыточным, но которое помогает определить конец кадра).

Канальный уровень модели OSI. Второй уровень эталонной модели сетевого взаимодействия

Обо всем этом и других процессах, происходящих на канальном уровне сетевой модели OSI, мы поговорим ниже. Также для понимания функций второго уровня модели OSI мы коротко рассмотрим некоторые протоколы, которые можно отнести к канальному уровню и перечислим некоторые программные и аппаратные средства, которые так или иначе выполняют функции, возлагаемые на второй уровень эталонной модели.

Назначения, процессы и особенности второго уровня модели OSI

Продолжаем разбираться уровнями модели сетевого взаимодействия OSI. Ранее мы разобрались с первым уровнем модели OSI или физический уровень, теперь мы поговорим про назначение, особенности и процессы, которые происходят на канальном уровне эталонной модели сетевого взаимодействия.

Канальный уровень модели OSI – второй по счету уровень модели сетевого взаимодействия, который отвечает за взаимодействия между устройствами в одном сегменте локальной компьютерной сети. Второй уровень модели сетевого взаимодействия отвечает за локальную связь между устройствами, а также на втором уровне происходит проверка целостности и правильности передачи данных физического уровня.

Единицей измерения на канальном уровне является кадр, который представляет собой несколько бит полезной информации и несколько бит служебной информации, кадр имеет свою строго определенную структуру, причем структура кадра второго уровня модели OSI определяется технологией и протоколом, который используется для передачи данных. Общую или базовую структуру кадра канального уровня и ее описание вы можете найти в начале данной публикации. Благодаря тому, что данные на втором уровне модели OSI представлены в виде кадров, может быть осуществлена проверка правильности и полноты переданных данных. Ведь нельзя исключать всевозможные помехи.

Если на физическом уровне модели сетевого взаимодействия в качестве среды передачи может выступать медная линия, оптическое волокно, радиоэфир (то есть какая-то физическая среда, которую можно «потрогать»), то на втором уровне модели OSI в качестве среды передачи рассматривается виртуальный канал, который уже в принципе не зависит от физической среды, по которой распространяется сигнал, но для простоты понимания виртуальный канал связи можно сравнить с медным проводом, хотя сравнение не совсем правильное.

Но главное, нужно учитывать, что на втором уровне модели OSI биты принимаются в том же самом порядке, что и отправляются с передатчика. Канальный уровень не работает непосредственно со средой передачи данных, но учитывает то, что во время передачи данных могут происходить всевозможные ошибки данных, сигнал из точки А в точку Б поступает не мгновенно, а проходит какое-то время (пусть и не совсем ощутимое для человека), а скорость передачи данных ограничивается многими факторами (в том числе и перечисленными ранее).

Спецификация IEEE 802 делит канальный уровень на два подуровня: подуровень, который взаимодействует с физической средой или MAC (второй уровень может взаимодействовать с несколькими физическими уровнями одновременно) и подуровень, который обеспечивает взаимодействие с сетевым уровнем, этот подуровень получил название LLC.

Также нам стоит сказать, что на втором уровне модели OSI происходит физическая адресация сетевых устройств. Как вы знаете, у каждого сетевого устройства есть mac-адрес, который по задумке должен быть уникальным во всем мире и однозначно идентифицировать устройство в любой сети.

Но канальный уровень выполняет еще одну важную роль, помимо того, о чем мы сказали ранее, на втором уровне модели OSI происходит управление потоком передачи данных. В сети встречаются различные физические устройства: одни новее, другие старее, одни более производительные, другие менее производительные, и зачастую происходит ситуация, когда передающая сторона посылает биты намного быстрее, чем можете их обработать принимающая сторона, приемник как бы захлебывается в этом потоке. Канальный уровень управляет потоками передачи данных в целях избегания подобных ситуаций.

Для исправления ошибок на канальном уровне используются различные коды передачи, например:

На самом деле кодов проверки ошибок несколько больше, в данной публикации разбираться с принципами работы кодов мы не будем. Отметим, что еще есть коды с обнаружением ошибок.

Стоит сказать, что канальный уровень позволяет абстрагироваться от физической среды передачи данных. Условно, коммутатору провайдера без разницы какая физическая среда используется: он передает и принимает данные по витой паре от абонентов, а с коммутаторами в соседних домах обычно происходит соединение по оптическому кабелю.

Протоколы и стандарты канального уровня модели OSI

Мы коротко поговорили о функциях и особенностях канального уровня модели OSI. На самом деле – это большая тема, о которой можно писать много и упорно, что, например, и сделали Таненбаум Э. и Уэзеролл Д. в своей книге «Компьютерные сети», которую мы можем порекомендовать для изучения процессов и протоколов передачи данных и основ взаимодействия в компьютерных сетях.

Давайте перечислим некоторые протоколы и стандарты, про которые можно сказать, что они работают на канальном уровне модели OSI. Отметим, что протоколы канального уровня эталонной модели сетевого взаимодействия разрабатывались с тем, чтобы решать задачи, которые мы описали ранее, конечно, решает эти задачи каждый протокол по-своему, но в основе каждого протокола лежит модель взаимодействия клиент-сервер. Условно мы можем рассматривать передающий компьютер или устройство как сервер, который предоставляет услугу, а принимающее устройство как клиент, который запрашивает услугу.

Это не совсем так, потому что в процессе предоставления услуг и клиентский компьютер, и серверный компьютер могут как передавать данные, так и принимать их. Давайте посмотрим на некоторые протоколы канального уровня модели сетевого взаимодействия:

Здесь мы не ставим задачу перечислить все протоколы, работающие на канальном уровне модели OSI, эта задача скорее для справочника или статиста. Подробное описание протоколов и технологий вы сможете найти в специализированной литературе или в официальных документах того или иного стандарта или той или иной технологии.

Также важно понимать, что в одной физической среде (в одной физической линии) может быть создано несколько виртуальных каналов и у каждого канала своя определенная роль. Одним каналом устройства пользуется для обмена служебной информацией, второй канал используется для установления связи, третий канал используется для мониторинга устройств, а по четвертому каналу могут передаваться данные.

Оборудование канального уровня модели OSI

Мы уже упоминали, что второй уровень модели OSI позволяет абстрагироваться от физической среды распространения сигнала, поэтому мы можем сказать, что оборудование второго уровня модели OSI не зависит от среды передачи данных, хотя это условно, поскольку если у коммутатора не будет разъемов и модулей для приема оптического сигнала, то собственно, мы не сможем передавать и принимать данные с использованием световой волны.

Давайте приведем несколько примеров оборудования канального уровня модели OSI, чтобы окончательно разобраться с функциями и назначением второго уровня эталонной модели сетевого взаимодействия:

Полный список оборудования, которое можно отнести к канальному уровню или которое частично выполняет эти функции, а уж тем более номенклатура данного оборудования, не представляют сейчас для нас особого интереса. Из всего вышесказанного нам нужно лишь вынести суть, функции и процессы, которые происходят на канальном уровне модели сетевого взаимодействия OSI.

Источник

Модель OSI

Александр Горячев, Алексей Нисковский

Для того чтобы серверы и клиенты сети могли общаться, они должны работать с использованием одного протокола обмена информацией, то есть должны «говорить» на одном языке. Протокол определяет набор правил для организации обмена информацией на всех уровнях взаимодействия сетевых объектов.

Существует эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection Reference Model), часто называемая моделью OSI. Эта модель разработана Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO). Модель OSI описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных. Она включает в себя семь уровней: физический (Physical — 1), канальный (Data-Link — 2), сетевой (Network — 3), транспортный (Transport — 4), сеансовый (Session — 5), представления данных (Presentation — 6) и прикладной (Application — 7). Считается, что два компьютера могут взаимодействовать друг с другом на конкретном уровне модели OSI, если их программное обеспечение, реализующее сетевые функции этого уровня, одинаково интерпретирует одни и те же данные. В этом случае устанавливается прямое взаимодействие между двумя компьютерами, называемое «точка-точка».

Реализации модели OSI протоколами называются стеками (наборами) протоколов. В рамках одного конкретного протокола невозможно реализовать все функции модели OSI. Обычно задачи конкретного уровня реализуются одним или несколькими протоколами. На одном компьютере должны работать протоколы из одного стека. При этом компьютер одновременно может использовать несколько стеков протоколов.

Рассмотрим задачи, решаемые на каждом из уровней модели OSI.

Физический уровень

На этом уровне модели OSI определяются следующие характеристики сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические топологии сети, способы передачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов), виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи с использованием частотного и временного мультиплексирования.

Реализации протоколов физического уровня модели OSI координируют правила передачи битов.

Этот уровень модели определяет физические топологии в корпоративной сети, которые строятся с использованием базового набора стандартных топологий.

Первой в базовом наборе является шинная (bus) топология. В этом случае все сетевые устройства и компьютеры подключаются к общей шине передачи данных, которая чаще всего формируется с использованием коаксиального кабеля. Кабель, формирующий общую шину, называется магистральным (backbone). От каждого из устройств, подключенных к шине, сигнал передается в обе стороны. Для удаления сигнала из кабеля на концах шины должны использоваться специальные прерыватели (terminator). Механическое повреждение магистрали сказывается на работе всех устройств, подключенных к ней.

Кольцевая топология предусматривает соединение всех сетевых устройств и компьютеров в физическое кольцо (ring). В этой топологии информация всегда передается по кольцу в одну сторону — от станции к станции. Каждое сетевое устройство должно иметь приемник информации на входном кабеле и передатчик на выходном. Механическое повреждение среды передачи информации в одинарном кольце повлияет на работу всех устройств, однако сети, построенные с использованием двойного кольца, как правило, имеют запас по отказоустойчивости и функции самовосстановления. В сетях, построенных на двойном кольце, одна и та же информация передается по кольцу в обе стороны. В случае повреждения кабеля кольцо будет продолжать работать в режиме одинарного кольца на двойной длине (функции самовосстановления определяются используемыми аппаратными средствами).

Следующей топологией является звездообразная топология, или звезда (star). Она предусматривает наличие центрального устройства, к которому лучами (отдельными кабелями) подключаются другие сетевые устройства и компьютеры. Сети, построенные на звездообразной топологии, имеют одиночную точку отказа. Этой точкой является центральное устройство. В случае выхода из строя центрального устройства все остальные участники сети не смогут обмениваться информацией между собой, поскольку весь обмен осуществлялся только через центральное устройство. В зависимости от типа центрального устройства принимаемый с одного входа сигнал может транслироваться (с усилением или без) на все выходы либо на конкретный выход, к которому подключено устройство — получатель информации.

Полносвязанная (mesh) топология обладает высокой отказоустойчивостью. При построении сетей с подобной топологией каждое из сетевых устройств или компьютеров соединяется с каждым другим компонентом сети. Эта топология обладает избыточностью, за счет чего кажется непрактичной. Действительно, в малых сетях эта топология применяется редко, однако в больших корпоративных сетях полносвязанная топология может использоваться для соединения наиболее важных узлов.

Рассмотренные топологии чаще всего строятся с применением кабельных соединений.

Существует еще одна топология, использующая беспроводные соединения, — сотовая (cellular). В ней сетевые устройства и компьютеры объединяются в зоны — ячейки (cell), взаимодействуя только с приемо-передающим устройством ячейки. Передача информации между ячейками осуществляется приемо-передающими устройствами.

Канальный уровень

Этот уровень определяет логическую топологию сети, правила получения доступа к среде передачи данных, решает вопросы, связанные с адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением передачей информации (синхронизация передачи и сервис соединений) между сетевыми устройствами.

Подобно большинству других уровней канальный уровень добавляет собственную управляющую информацию в начало пакета данных. Эта информация может включать адрес источника и адрес назначения (физический или аппаратный), информацию о длине фрейма и индикацию активных протоколов верхнего уровня.

Подуровень MAC определяет такие элементы канального уровня, как логическая топология сети, метод доступа к среде передачи информации и правила физической адресации между сетевыми объектами.

Аббревиатура MAC также используется при определении физического адреса сетевого устройства: физический адрес устройства (который определяется внутри сетевого устройства или сетевой карты на этапе производства) часто называют MAC-адресом этого устройства. Для большого количества сетевых устройств, особенно сетевых карт, существует возможность программно изменить MAC-адрес. При этом необходимо помнить, что канальный уровень модели OSI накладывает ограничения на использование MAC-адресов: в одной физической сети (сегменте большей по размеру сети) не может быть двух или более устройств, использующих одинаковые MAC-адреса. Для определения физического адреса сетевого объекта может быть использовано понятие «адрес узла» (node address). Адрес узла чаще всего совпадает с MAC-адресом или определяется логически при программном переназначении адреса.

Подуровень LLC определяет правила синхронизации передачи и сервиса соединений. Этот подуровень канального уровня тесно взаимодействует с сетевым уровнем модели OSI и отвечает за надежность физических (с использованием MAC-адресов) соединений. Логическая топология (logical topology) сети определяет способ и правила (последовательность) передачи данных между компьютерами в сети. Сетевые объекты передают данные в зависимости от логической топологии сети. Физическая топология определяет физический путь данных; при этом в некоторых случаях физическая топология не отражает способ функционирования сети. Фактический путь данных определяется логической топологией. Для передачи данных по логическому пути, который может отличаться от пути в физической среде, используются сетевые устройства подключения и схемы доступа к среде передачи. Хороший пример различий между физической и логической топологиями — сеть Token Ring фирмы IBM. В локальных сетях Token Ring часто используется медный кабель, который прокладывается в звездообразную схему с центральным разветвителем (хабом). В отличие от нормальной звездообразной топологии хаб не пересылает входящие сигналы всем другим подключенным устройствам. Внутренняя схема хаба последовательно отправляет каждый входящий сигнал следующему устройству в заранее предопределенном логическом кольце, то есть по круговой схеме. Физической топологией этой сети является звезда, а логической — кольцо.

Еще одним примером различий между физической и логической топологиями может служить сеть Ethernet. Физическая сеть может быть построена с использованием медных кабелей и центрального хаба. Образуется физическая сеть, выполненная по топологии звезды. Однако технология Ethernet предусматривает передачу информации от одного компьютера ко всем остальным, находящимся в сети. Хаб должен ретранслировать принятый с одного своего порта сигнал на все остальные порты. Образована логическая сеть с шинной топологией.

Также важно знать, каким образом сетевые устройства получают доступ к среде передачи информации.

Доступ к среде передачи

Логические топологии используют специальные правила, управляющие разрешением на передачу информации другим сетевым объектам. Процесс управления контролирует доступ к среде передачи данных. Рассмотрим сеть, в которой всем устройствам позволено функционировать безо всяких правил получения доступа к среде передачи. Все устройства в такой сети передают информацию по мере готовности данных; эти передачи могут иногда накладываться во времени. В результате наложения сигналы искажаются, происходит потеря передаваемых данных. Такая ситуация называется коллизией (collision). Коллизии не позволяют организовать надежную и эффективную передачу информации между сетевыми объектами.

Коллизии в сети распространяются на физические сегменты сети, к которым подключаются сетевые объекты. Такие соединения образуют единое пространство коллизий (collision space), в котором влияние коллизий распространяется на всех. Для уменьшения размеров пространств коллизий путем сегментации физической сети можно использовать мосты и другие сетевые устройства, обладающие функциями фильтрации трафика на канальном уровне.

Сеть не может нормально работать до тех пор, пока все сетевые объекты не смогут контролировать коллизии, управлять ими или устранять их влияние. В сетях необходим некоторый метод снижения числа коллизий, интерференции (наложения) одновременных сигналов.

Существуют стандартные методы доступа к среде передачи, описывающие правила, по которым осуществляется управление разрешением на передачу информации для сетевых устройств: состязание, передача маркера и опрос.

Каждый из этих факторов в комбинации с преимуществами и недостатками поможет определить, какой из методов доступа к среде передачи является наиболее подходящим.

Состязание. Системы на основе состязания (конкуренции) предполагают, что доступ к среде передачи реализуется на основе принципа «первый пришел — первым обслужен». Другими словами, каждое сетевое устройство борется за контроль над средой передачи. Системы, использующие метод состязания, разработаны таким образом, чтобы все устройства в сети могли передавать данные лишь по мере необходимости. Эта практика в конечном счете приводит к частичной или полной потере данных, потому что в действительности происходят коллизии. По мере добавления к сети каждого нового устройства количество коллизий может возрастать в геометрической прогрессии. Увеличение количества коллизий снижает производительность сети, а в случае полного насыщения среды передачи информации — снижает работоспособность сети до нуля.

Для снижения количества коллизий разработаны специальные протоколы, в которых реализована функция прослушивания среды передачи информации до начала передачи данных станцией. Если прослушивающая станция обнаруживает передачу сигнала (от другой станции), то она воздерживается от передачи информации и будет пытаться повторить ее позже. Эти протоколы называются протоколами множественного доступа с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA). Протоколы CSMA значительно снижают число коллизий, но не устраняют их полностью. Коллизии тем не менее происходят, когда две станции опрашивают кабель: не обнаруживают никаких сигналов, решают, что среда передачи данных свободна, а затем одновременно начинают передачу данных.

Протоколы CSMA/CD. Протоколы CSMA/CD не только прослушивают кабель перед передачей, но также обнаруживают коллизии и инициализируют повторные передачи. При обнаружении коллизии станции, передававшие данные, инициализируют специальные внутренние таймеры случайными значениями. Таймеры начинают обратный отсчет, и при достижении нуля станции должны попытаться повторить передачу данных. Поскольку таймеры были инициализированы случайными значениями, то одна из станций будет пытаться повторить передачу данных раньше другой. Соответственно, вторая станция определит, что среда передачи данных уже занята, и дождется ее освобождения.

Примерами протоколов CSMA/CD являются Ethernet version 2 (Ethernet II, разработанный в корпорации DEC) и IEEE802.3.

Протоколы CSMA/CA. CSMA/CA использует такие схемы, как доступ с квантованием времени (time slicing) или посылка запроса на получение доступа к среде. При использовании квантования времени каждая станция может передавать информацию только в строго определенные для этой станции моменты времени. При этом в сети должен реализовываться механизм управления квантами времени. Каждая новая станция, подключаемая к сети, оповещает о своем появлении, тем самым инициируя процесс перераспределения квантов времени для передачи информации. В случае использования централизованного управления доступом к среде передачи каждая станция формирует специальный запрос на передачу, который адресуется к управляющей станции. Центральная станция регулирует доступ к среде передачи для всех сетевых объектов.

Примером CSMA/CA является протокол LocalTalk фирмы Apple Computer.

Системы на основе метода состязания больше всего подходят для использования при импульсном трафике (при передаче больших файлов) в сетях с относительно небольшим количеством пользователей.

Системы с передачей маркера. В системах с передачей маркера (token passing) небольшой фрейм (маркер) передается в определенном порядке от одного устройства к другому. Маркер — это специальное сообщение, которое передает временное управление средой передачи устройству, владеющему маркером. Передача маркера распределяет управление доступом между устройствами сети.

Каждое устройство знает, от какого устройства оно получает маркер и какому устройству должно его передать. Обычно такими устройствами являются ближайшие соседи владельца маркера. Каждое устройство периодически получает контроль над маркером, выполняет свои действия (передает информацию), а затем передает маркер для использования следующему устройству. Протоколы ограничивают время контроля маркера каждым устройством.

Имеется несколько протоколов передачи маркера. Двумя стандартами сетей, использующими передачу маркера, являются IEEE 802.4 Token Bus и IEEE 802.5 Token Ring. В сети Token Bus используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая шинная топология, в то время как в сети Token Ring используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая кольцевая топология.

Сети с передачей маркера следует использовать при наличии зависящего от времени приоритетного трафика, типа цифровых аудио- или видеоданных, или же при наличии очень большого количества пользователей.

Опрос. Опрос (polling) — это метод доступа, при котором выделяется одно устройство (называемое контроллером, первичным, или «мастер»-устройством) в качестве арбитра доступа к среде. Это устройство опрашивает все остальные устройства (вторичные) в некотором предопределенном порядке, чтобы узнать, имеют ли они информацию для передачи. Чтобы получить данные от вторичного устройства, первичное устройство направляет ему соответствующий запрос, а затем получает данные от вторичного устройства и направляет их устройству-получателю. Затем первичное устройство опрашивает другое вторичное устройство, принимает данные от него, и так далее. Протокол ограничивает количество данных, которое может передать после опроса каждое вторичное устройство. Опросные системы идеальны для сетевых устройств, чувствительных ко времени, например, при автоматизации оборудования.

Подуровень LLC канального уровня обеспечивает возможность одновременного использования нескольких сетевых протоколов (из разных стеков протоколов) при работе через один сетевой интерфейс. Другими словами, если в компьютере установлена только одна сетевая карта, но есть необходимость работать с различными сетевыми сервисами от разных производителей, то клиентское сетевое программное обеспечение именно на подуровне LLC обеспечивает возможность такой работы.

Сетевой уровень

Сетевой уровень определяет правила доставки данных между логическими сетями, формирование логических адресов сетевых устройств, определение, выбор и поддержание маршрутной информации, функционирование шлюзов (gateways).

Главной целью сетевого уровня является решение задачи перемещения (доставки) данных в заданные точки сети. Доставка данных на сетевом уровне в общем-то похожа на доставку данных на канальном уровне модели OSI, где для передачи данных используется физическая адресация устройств. Однако адресация на канальном уровне относится только к одной логической сети, действует только внутри этой сети. Сетевой уровень описывает методы и средства передачи информации между многими независимыми (и часто разнородными) логическими сетями, которые, соединенные вместе, формируют одну большую сеть. Такая сеть называется объединенной сетью (internetwork), а процессы передачи информации между сетями — межсетевым взаимодействием (internetworking).

С помощью физической адресации на канальном уровне данные доставляются всем устройствам, входящим в одну логическую сеть. Каждое сетевое устройство, каждый компьютер определяют назначение принятых данных. Если данные предназначены компьютеру, то он их обрабатывает, если же нет — игнорирует.

В отличие от канального сетевой уровень может выбирать конкретный маршрут в объединенной сети и избегать посылки данных в те логические сети, в которые данные не адресованы. Сетевой уровень осуществляет это путем коммутаций, адресации на сетевом уровне и с использованием алгоритмов маршрутизации. Сетевой уровень также отвечает за обеспечение правильных маршрутов для данных через объединенную сеть, состоящую из разнородных сетей.

На этом уровне модели OSI работают маршрутизаторы и некоторые из коммутаторов.

Сетевой уровень определяет правила формирования логических адресов (logical network address) сетевых объектов. В рамках большой объединенной сети каждый сетевой объект должен обладать уникальным логическим адресом. В формировании логического адреса участвуют два компонента: логический адрес сети, который является общим для всех объектов сети, и логический адрес сетевого объекта, который является уникальным для этого объекта. При формировании логического адреса сетевого объекта может либо использоваться физический адрес объекта, либо определяться произвольный логический адрес. Использование логической адресации позволяет организовать передачу данных между разными логическими сетями.

Каждый сетевой объект, каждый компьютер может выполнять много сетевых функций одновременно, обеспечивая работу различных сервисов. Для обращения к сервисам используется специальный идентификатор сервиса, который называется порт (port), или сокет (socket). При обращении к сервису идентификатор сервиса следует сразу за логическим адресом компьютера, обеспечивающего работу сервиса.

Во многих сетях резервируются группы логических адресов и идентификаторов сервисов с целью выполнения конкретных заранее определенных и общеизвестных действий. Например, в случае необходимости отправить данные всем сетевым объектам отправка будет произведена на специальный broadcast-адрес.

Сетевой уровень определяет правила передачи данных между двумя сетевыми объектами. Эта передача может осуществляться с использованием коммутации или маршрутизации.

Различают три метода коммутации при передаче данных: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов.

При использовании коммутации каналов устанавливается канал передачи данных между отправителем и получателем. Этот канал будет задействован в течение всего сеанса связи. При использовании этого метода возможны длительные задержки при выделении канала, связанные с отсутствием достаточной полосы пропускания, загруженностью коммутационного оборудования или занятостью получателя.

Коммутация сообщений позволяет передавать целое (неразбитое на части) сообщение по принципу «сохранить и передать дальше» (store-and-forward). Каждое промежуточное устройство принимает сообщение, локально его сохраняет и при освобождении канала связи, по которому это сообщение должно быть отправлено, отправляет его. Этот метод хорошо подходит для передачи сообщений электронной почты и организации электронного документооборота.

При использовании коммутации пакетов соединяются вместе преимущества двух предыдущих методов. Каждое большое сообщение разбивается на небольшие пакеты, каждый из которых последовательно отправляется получателю. При прохождении через объединенную сеть для каждого из пакетов определяется наилучший в этот момент времени путь. Получается, что части одного сообщения могут прийти к получателю в разное время и только после того, как все части будут собраны вместе, получатель сможет работать с полученными данными.

Каждый раз при определении дальнейшего пути для данных необходимо выбрать наилучший маршрут. Задача определения наилучшего пути называется маршрутизацией (routing). Эту задачу выполняют маршрутизаторы (router). Задача маршрутизаторов — определение возможных путей передачи данных, поддержание маршрутной информации, выбор наилучших маршрутов. Маршрутизация может осуществляться статическим либо динамическим способом. При задании статической маршрутизации должны быть заданы все взаимосвязи между логическими сетями, которые остаются неизменными. Динамическая маршрутизация предполагает, что маршрутизатор может сам определять новые пути либо модифицировать информацию о старых. Динамическая маршрутизация использует специальные алгоритмы маршрутизации, наиболее распространенными из которых являются вектор дистанции (distance vector) и состояние канала (link state). В первом случае маршрутизатор использует информацию о структуре сети от соседних маршрутизаторов, из вторых рук. Во втором случае маршрутизатор оперирует информацией о собственных каналах связи и взаимодействует со специальным представительским маршрутизатором для построения полной карты сети.

На выбор наилучшего маршрута чаще всего влияют такие факторы, как количество переходов через маршрутизаторы (hop count) и количество тиков (единиц времени), необходимых для достижения сети назначения (tick count).

Сервис соединений сетевого уровня работает тогда, когда сервис соединений LLC-подуровня канального уровня модели OSI не используется.

При построении объединенной сети приходится соединять логические сети, построенные с использованием различных технологий и предоставляющие разнообразные сервисы. Для того чтобы сеть могла работать, логические сети должны уметь правильно интерпретировать данные и управляющую информацию. Эта задача решается с помощью шлюза, который представляет собой устройство, или прикладную программу, переводящую и интерпретирующую правила одной логической сети в правила другой. Вообще, шлюзы могут быть реализованы на любом уровне модели OSI, однако чаще всего они реализуются на верхних уровнях модели.

Транспортный уровень

Транспортный уровень позволяет спрятать физическую и логическую структуры сети от приложений верхних уровней модели OSI. Приложения работают только с сервисными функциями, которые достаточно универсальны и не зависят от физической и логической топологий сети. Особенности логической и физической сетей реализуются на предыдущих уровнях, куда транспортный уровень передает данные.

Транспортный уровень часто компенсирует отсутствие надежного или ориентированного на соединение сервиса соединений на нижних уровнях. Термин «надежный» (reliable) не означает, что все данные будут доставлены во всех случаях. Тем не менее надежные реализации протоколов транспортного уровня обычно могут подтверждать или отрицать доставку данных. Если данные не доставлены принимающему устройству правильно, транспортный уровень может осуществить повторную передачу или информировать верхние уровни о невозможности доставки. Верхние уровни могут затем предпринять необходимые корректирующие действия или обеспечить пользователя возможностью выбора.

В первом случае пользователь сети обращается к какому-либо сервису по его логическому имени, не зная точное расположение сервиса. Пользователь не знает, доступен ли этот сервис в данный момент. При обращении логическое имя ставится в соответствие физическому имени, и рабочая станция пользователя инициирует обращение непосредственно к сервису. Во втором случае каждый сервис извещает о себе всех клиентов сети на периодической основе. Каждый из клиентов в любой момент времени знает, доступен ли сервис, и умеет обратиться непосредственно к сервису.

Методы адресации

Адреса сервиса идентифицируют конкретные программные процессы, выполняемые на сетевых устройствах. В дополнение к этим адресам поставщики сервиса отслеживают различные диалоги, которые они ведут с устройствами, запрашивающими услуги. Два различных метода диалога используют следующие адреса:

Идентификатор соединения (connection identifier), также называемый ID соединения (connection ID), портом (port), или сокетом (socket), идентифицирует каждый диалог. С помощью идентификатора соединения поставщик соединения может связываться более чем с одним клиентом. Поставщик сервиса обращается к каждому объекту коммутации по его номеру, а для координации других адресов нижнего уровня полагается на транспортный уровень. Идентификатор соединения связан с конкретным диалогом.

Идентификаторы транзакций подобны идентификаторам соединений, но оперируют единицами, меньшими, чем диалог. Транзакция составляется из запроса и ответа. Поставщики и потребители сервиса отслеживают отправление и прибытие каждой транзакции, а не диалога в целом.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень способствует взаимодействию между устройствами, запрашивающими и поставляющими услуги. Сеансы связи контролируются посредством механизмов, которые устанавливают, поддерживают, синхронизируют и управляют диалогом между поддерживающими связь объектами. Этот уровень также помогает верхним уровням идентифицировать доступный сетевой сервис и соединиться с ним.

Сеансовый уровень использует информацию о логических адресах, поставляемую нижними уровнями, для идентификации имен и адресов серверов, необходимых верхним уровням.

Сеансовый уровень также инициирует диалоги между устройствами-поставщиками сервиса и устройствами-потребителями. Выполняя эту функцию, сеансовый уровень часто осуществляет представление, или идентификацию, каждого объекта и координирует права доступа к нему.

Сеансовый уровень реализует управление диалогом с использованием одного из трех способов общения — симплекс (simplex), полудуплекс (half duplex) и полный дуплекс (full duplex).

Симплексное общение предполагает только однонаправленную передачу от источника к приемнику информации. Никакой обратной связи (от приемника к источнику) этот способ общения не обеспечивает. Полудуплекс позволяет использовать одну среду передачи данных для двунаправленных передач информации, однако в каждый момент времени информация может передаваться только в одну сторону. Полный дуплекс обеспечивает одновременную передачу информации в обе стороны по среде передачи данных.

Администрирование сеанса связи между двумя сетевыми объектами, состоящее из установления соединения, передачи данных, завершения соединения, также выполняется на этом уровне модели OSI. После установления сеанса программное обеспечение, реализующее функции данного уровня, может проверять работоспособность (поддерживать) соединения вплоть до его завершения.

Уровень представления данных

Основная задача уровня представления данных — преобразование данных во взаимно согласованные форматы (синтаксис обмена), понятные всем сетевым приложениям и компьютерам, на которых работают приложения. На этом уровне также решаются задачи компрессии и декомпрессии данных и их шифрование.

Под преобразованием понимается изменение порядка битов в байтах, порядка байтов в слове, кодов символов и синтаксиса имен файлов.

Необходимость изменения порядков битов и байтов обусловлена наличием большого количества разнообразных процессоров, вычислительных машин, комплексов и систем. Процессоры разных производителей могут по-разному трактовать нулевой и седьмой биты в байте (либо нулевой бит является старшим, либо — седьмой). Аналогично по-разному трактуются байты, из которых состоят большие единицы информации — слова.

Для того чтобы пользователи различных операционных систем могли получать информацию в виде файлов с корректными именами и содержимым, этот уровень обеспечивает корректное преобразование синтаксиса файлов. Различные операционные системы по-разному работают со своими файловыми системами, реализуют разные способы формирования имен файлов. Информация в файлах также хранится в определенной кодировке символов. При взаимодействии двух сетевых объектов важно, чтобы каждый из них мог интерпретировать файловую информацию по-своему, но смысл информации изменяться не должен.

Уровень представления данных преобразует данные во взаимно согласованный формат (синтаксис обмена), понятный всем сетевым приложениям и компьютерам, на которых работают приложения. Может, кроме того, сжимать и разворачивать, а также шифровать и расшифровывать данные.

Компьютеры используют различные правила представления данных с помощью двоичных нулей и единиц. Несмотря на то что все эти правила пытаются достичь общей цели — представить данные, понятные человеку, производители компьютеров и стандартизирующие организации создали правила, противоречащие друг другу. Когда два компьютера, использующие различные наборы правил, пытаются связаться друг с другом, им часто бывает необходимо выполнить некоторые преобразования.

Локальные и сетевые операционные системы часто шифруют данные для защиты их от несанкционированного использования. Шифрование — это общий термин, который описывает некоторые методы защиты данных. Защита зачастую выполняется с помощью перемешивания данных (data scrambling), при котором используется один или несколько методов из трех: перестановка, подстановка, алгебраический метод.

Методы шифрования с секретным ключом используют единственный ключ. Сетевые объекты, владеющие ключом, могут шифровать и расшифровывать каждое сообщение. Следовательно, ключ должен сохраняться в секрете. Ключ может быть встроен в микросхемы оборудования или установлен администратором сети. При каждом изменении ключа все устройства должны быть модифицированы (желательно не использовать сеть для передачи значения нового ключа).

Сетевые объекты, использующие методы шифрования с открытым ключом, обеспечиваются секретным ключом и некоторым известным значением. Объект создает открытый ключ, манипулируя известным значением посредством секретного ключа. Объект, инициирующий коммуникацию, посылает свой открытый ключ приемнику. Другой объект затем математически комбинирует собственный секретный ключ с переданным ему открытым ключом для установки взаимоприемлемого значения шифрования.

Владение только открытым ключом мало полезно несанкционированным пользователям. Сложность результирующего ключа шифрования достаточно велика, чтобы его можно было вычислить за приемлемое время. Даже знание собственного секретного ключа и чьего-то открытого ключа не слишком поможет определить другой секретный ключ — из-за сложности логарифмических вычислений для больших чисел.

Прикладной уровень

Прикладной уровень содержит все элементы и функции, специфичные для каждого вида сетевого сервиса. Шесть нижних уровней объединяют задачи и технологии, обеспечивающие общую поддержку сетевого сервиса, в то время как прикладной уровень обеспечивает протоколы, необходимые для выполнения конкретных функций сетевого сервиса.

Серверы представляют клиентам сети информацию о том, какие виды сервиса они обеспечивают. Основные механизмы идентификации предлагаемых услуг обеспечивают такие элементы, как адреса сервиса. Кроме того, серверы используют такие методы представления своего сервиса, как активное и пассивное представление сервиса.

При осуществлении активного представления сервиса (Active service advertisement) каждый сервер периодически посылает сообщения (включающие адреса сервиса), объявляя о своей доступности. Клиенты также могут опрашивать сетевые устройства в поисках определенного типа сервиса. Клиенты сети собирают представления, сделанные серверами, и формируют таблицы доступных в настоящее время видов сервиса. Большинство сетей, использующих метод активного представления, определяют также конкретный период действия представлений сервиса. Например, если сетевой протокол определяет, что представления сервиса должны посылаться каждые пять минут, то клиенты будут удалять по тайм-ауту те виды сервиса, которые не были представлены в течение последних пяти минут. По истечении тайм-аута клиент удаляет сервис из своих таблиц.

Серверы осуществляют пассивное представление сервиса (Passive service advertisement) путем регистрации своего сервиса и адреса в каталоге. Когда клиенты хотят определить доступные виды сервиса, они просто запрашивают каталог о местоположении нужного сервиса и об его адресе.

При использовании перехвата вызовов ОС (OC Call Interception) локальная операционная система совершенно не подозревает о существовании сетевого сервиса. Например, когда приложение DOS пытается читать файл с сетевого файл-сервера, оно считает, что данный файл находится на локальном накопителе. В действительности специальный фрагмент программного обеспечения перехватывает запрос на чтение файла прежде, чем он достигнет локальной операционной системы (DOS), и направляет запрос сетевому файловому сервису.

В другом крайнем случае, при удаленном режиме (Remote Operation) работы локальная операционная система знает о сети и ответственна за передачу запросов к сетевому сервису. Однако сервер ничего не знает о клиенте. Для операционной системы сервера все запросы к сервису выглядят одинаково, независимо от того, являются ли они внутренними или переданы по сети.

Наконец, существуют операционные системы, которые знают о существовании сети. И потребитель сервиса, и поставщик сервиса распознают существование друг друга и работают вместе, координируя использование сервиса. Этот тип использования сервиса обычно требуется для одноранговой совместной обработки данных. Совместная обработка данных подразумевает разделение возможностей обработки данных для выполнения единой задачи. Это означает, что операционная система должна знать о существовании и возможностях других и быть способной кооперироваться с ними для выполнения нужной задачи.

Источник