Открытая система
Уровни модели и их функции
Идеи и построение модели
Вопрос 19. Модель OSI
5. Модель и четыре уровня стека протоколов TCP/IP
В начале 1980-х гг. ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU-T и некоторые другие - разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель представляет собой универсальный стандарт на взаимодействие двух систем (компьютеров) через вычислительную сеть.
Главная идея данной модели состоит в том, что вся сложная процедура сетевого взаимодействия может быть разбита на некоторое количество стандартных шагов , последовательно выполняющихся программным и аппаратным обеспечением компьютера для передачи пользовательских данных в сеть или при приеме данных из сети. Для описания действий, выполняемых на каждом таком шаге, вводится понятие уровня.
Модель OSI описывает функции семи иерархических уровней и интерфейсы взаимодействия между ними. Каждый уровень определяется сервисом, который он предоставляет вышестоящему уровню, и протоколом - набором правил и форматов данных для взаимодействия объектов одного уровня, работающих на разных компьютерах. Объекты, выполняющие функции уровней, могут быть реализованы в:
ü программном;
ü программно-аппаратном;
ü аппаратном виде.
Как правило, чем ниже (ближе к физической среде передачи) уровень, тем больше доля аппаратной части в его реализации.
Модель построена так, что объекты одного уровня двух взаимодействующих компьютеров сообщаются непосредственно друг с другом с помощью соответствующих протоколов, не зная, какие уровни лежат под ними и какие функции они выполняют. Задача объектов - предоставить через стандартизованный интерфейс определенный сервис вышестоящему уровню, воспользовавшись, если нужно, сервисом, который предоставляет данному объекту нижележащий уровень.
2. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уров ней (перечислены в направлении сверху вниз): 1
ü прикладной уровень (application layer) обеспечивает работу сетевых приложений, с которыми имеют дело пользователи, например электронную почту, передачу файлов, регистрацию и т. п.;
ü представительный уровень (presentation layer) содержит общие структуры данных (на этом уровне происходит согласование представления данных прикладных процессов);
ü сеансовый уровень (session layer) осуществляет аутентификацию, и проверку полномочий, а также обеспечивает постоянное соединение между сетевыми приложениями;
ü транспортный уровень (transport layer) обеспечивает получение данных точно в том виде, в каком они были посланы;
ü сетевой уровень (network layer) обеспечивает фрагментацию (сборку) данных, маршрутизацию и продвижение их в сети; на нем определяются адреса машин;
ü канальный уровень (data link layer) обеспечивает корректный прием и передачу пакетов в пределах однородной физической сети;
ü физический уровень (physical layer) задает физические параметры сети, например уровни напряжения, типы кабелей, контакты интерфейсов.
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам.
3. Открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.
Спецификация (в вычислительной технике) - формализованное описание аппаратных (или программных компонентов); способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами; условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Не всякая спецификация является стандартом. Под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.
4. При продвижении пакета с данными прикладного процесса по уровням сверху вниз каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и, возможно, окончания (трейлера) - информации, помещаемой в конец сообщения. Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакет нижнего уровня. Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере, ее формат и интерпретация определяются протоколом данного уровня. Данные, приходящие с верхнего уровня, могут представлять собой пакеты с уже инкапсулированными данными еще более верхнего уровня.
При получении пакета от нижнего уровня он разделяется на заголовок, трейлер и данные. Служебная информация из заголовка и трейлера анализируется, и в соответствии с ней принимается решение, что делать с данными, содержащимися в полученном пакете. Одним из вариантов является направление данных одному из объектов верхнего уровня (какому именно - должно быть указано в проанализированной служебной информации). Тот, в свою очередь, рассматривает эти данные как пакет со своей служебной информацией и данными для еще более верхнего уровня, и процедура повторяется, пока пользовательские данные, очищенные от всей служебной информации, не достигнут прикладного процесса.
Но есть возможность, что пакет не будет проведен до самого верхнего уровня (например, если данный компьютер представляет собой промежуточную станцию на пути между отправителеми получателем). В этом случае объект соответствующего уровня при анализе служебной информации заметит, что пакет на этом уровне адресован не ему. Тогда объект выполнит необходимые действия для перенаправления пакета к месту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке, но в любом случае не будет продвигать данные на верхний уровень.
Протоколы, основанные на модели OSI. используются редко:
В силу своей не всегда оправданной сложности;
Поэтому модель OSI - опорная база для классификации и сопоставления протокольных стеков.
5. TCP/IP - собирательное название для стека сетевых протоке разных уровней, используемых в Internet. Особенности TCP/IP:
ü открытые стандарты протоколов, разрабатываемые независимо от программного и аппаратного обеспечения;
ü независимость от физической среды передачи;
ü система уникальной адресации;
ü стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных пользовательских сервисов.
Стек протоколов TCP/IP делится на четыре уровня:
ü прикладной (application). Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции уровней представления и частично сеансового модели OSI. Распространенными примерами приложений являются программы telnet, ftp, WWW-серверы и клиенты (Интернет-браузеры), программы работы с электронной почтой. Для пересылки данных через сеть другому приложению оно обращается к тому или иному модулю транспортного уровня;
ü транспортный (transport ). Протоколы данного уровня обеспечивают прозрачную (сквозную) доставку данных между двумя прикладными процессами. Для передачи и получения данных, отправляемых друг другу, они используют межсетевой уровень. На транспортном уровне работают два основных протокола:
· TCP (Transmission Control Protocol ) - надежный протокол с установлением соединения: он управляет логическим сеансом связи (устанавливает, поддерживает и закрывает соединение) между процессами и обеспечивает надежную (безошибочную и гарантированную) доставку прикладных данных от процесса к процессу;
· UDP (User Datagram Protocol ) - протокол дейтаграмм пользователя - является ненадежным протоколом без установления соединения: это значит, что ни логический сеанс связи, ни надежная доставка прикладных данных этим протоколом не обеспечиваются. Фактически UDP не предоставляет никаких услуг, кроме мультиплексирования пакетов с прикладными данными - то есть направления данных тому или иному приложению в зависимости от номера порта. Услугами UDP пользуются, например, доменная система имен (DNS), сетевая файловая система NFS;
ü сетевой (межсетевой, или Internet ). Основным протоколом этого уровня является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол является центром, вокруг которого строится весь стек TCP/IP.
Протокол IP доставляет блоки данных, называемые дейтаграммами, от одного IP-адреса к другому через компьютерную сеть IP-адрес является уникальным 32-битным идентификатором компьютера (точнее, его сетевого интерфейса). Данными для дейтаграммы является блок данных, передаваемых IP-модулю транспортным уровнем. IP-модуль предваряет эти данные заголовком, содержащим IP-адреса отправителя и получателя и другую служебную информацию, и сформированная таким образом дейтаграмма передается на уровень доступа к сети для отправки по каналу передачи данных;
ü уровень доступа к сети (network access), который выполняет следующие функции:
ü отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol);
ü инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров. При этом не требуется какого-либо контроля безошибочности передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение;
ü определение метода доступа к среде передачи, то есть cпoсоба, с помощью которого компьютер устанавливает своё право на произведение передачи данных;
ü определение представления (кодирования) данных в физической среде;
ü пересылка и прием кадра.
Часто в качестве уровня доступа к сети выступают целые протокольные стеки; тогда говорят об IP поверх ATM, IP поверх IPX и т. д.
Инкапсуляция IP
При работе в локальной сети на базе технологии CSMA/CD возможны два варианта инкапсуляции датаграмм IP в кадры уровней LLC и MAC.
Первый заключается в использовании кадров Ethernet 2.0. В этом случае поле данных (1500 октетов) полностью принадлежит IP-датаграмме, a SAP адресуется полем "тип пакета", которое содержит значение параметра Ethertype - индекса протокола верхнего уровня. В случае IP это значение равно 0x0800. Значения Ethertype для других протоколов приведены в табл. 6.11.
Таблица 6.11 . Значение Ethertype для некоторых протоколов
Второй вариант предполагает использование формата IEEE 802.3. В этом случае IP-датаграмма инкапсулируется в кадр LLC, а адресация SAP осуществляется в заголовке SNAP с помощью идентификатора Ethertype. При этом поля DSAP и SSAP не используются, и их значения устанавливаются равными 0xAA. Заметим, что в этом случае максимальный размер IP-датаграммы составляет 1492 октета.
При передаче данных TCP/IP в сетях Token Ring используется формат кадра IEEE 802.5, инкапсулирующий кадр LLC с заголовком SNAP, как описано выше.
Из книги Сущность технологии СОМ. Библиотека программиста автора Бокс ДональдИнкапсуляция и С++ Предположим, что вам удалось преодолеть проблемы с транслятором и компоновщиком, описанные в предыдущем разделе. Очередное препятствие при построении двоичных компонентов на C++ появится, когда вы будете проводить инкапсуляцию (encapsulation), то есть
Из книги Как функции, не являющиеся методами, улучшают инкапсуляцию автора Мейерс СкоттИнкапсуляция Инкапсуляция не определяет вершину мира. Нет ничего такого, что могло бы возвысить инкапсуляцию. Она полезна только потому, что влияет на другие аспекты нашей программы, о которых мы заботимся. В частности, она обеспечивает гибкость программы и ее
Из книги Информатика и информационные технологии: конспект лекций автора Цветкова А ВИнкапсуляция и функции – не члены Мы теперь видим, что приемлемый способом оценки инкапсуляции является количество функций, которые могли бы быть разрушены, если изменяется реализация класса. В этом случае становится ясно, что класс с n методами более инкапсулирован, чем
Из книги Информатика и информационные технологии автора Цветкова А ВМинимальность и инкапсуляция В "Эффективном использовании C++" (Effective C++), я приводил доводы в пользу интерфейсов класса, которые являются полными и минимальный . Такие интерфейсы позволяют клиентам класса делать что-либо, что они могли бы предположительно хотеть делать,
Из книги Язык программирования С# 2005 и платформа.NET 2.0. автора Троелсен Эндрю автора Реймонд Эрик Стивен Из книги Искусство программирования для Unix автора Реймонд Эрик СтивенИнкапсуляция Первым принципом ООП является инкапсуляция. По сути, она означает возможность скрыть средствами языка несущественные детали реализации от пользователя объекта. Предположим, например, что мы используем класс DatabaseReader, который имеет два метода Open() и Close().//
Из книги Основы объектно-ориентированного программирования автора Мейер БертранИнкапсуляция на основе методов чтения и модификации Давайте снова вернемся к рассмотрению нашего класса Employee. Чтобы "внешний мир" мог взаимодействовать с частным полем данных fullName, традиции велят определить средства чтения (метод get) и модификации (метод set). Например://
Из книги TCP/IP Архитектура, протоколы, реализация (включая IP версии 6 и IP Security) автора Фейт Сидни МИнкапсуляция на основе свойств класса В отличие от традиционных методов чтения и модификации, языки.NET тяготеют к реализации принципа инкапсуляции на основе использования свойств, которые представляют доступные для внешнего пользователя элементы данных. Вместо того,
Из книги Сетевые средства Linux автора Смит Родерик В. Из книги автора4.1. Инкапсуляция и оптимальный размер модуля Первым и наиболее важным качеством модульного кода является инкапсуляция. Правильно инкапсулированные модули не открывают свое внутренне устройство друг другу. Они не обращаются к центральной части реализации друг друга,
Из книги автораИнкапсуляция действий со ссылками Теперь накоплено достаточно подтверждений того, что любая система моделирования и разработки ПО должна поддерживать понятие ссылки, а, следовательно, и динамические псевдонимы. Как теперь справиться с неприятными последствиями?
Из книги автора24.5.4 Инкапсуляция защищенной полезной нагрузки Заголовок инкапсуляции защищенной полезной нагрузки протокола IP (IP Encapsulating Security Payload) применяется как для режима транспорта, так и для режима туннеля.Формат этого заголовка показан на рис. 24.8. Получатель использует индекс SPI
Из книги автораИнкапсуляция и извлечение данных Стек протоколов хорошо иллюстрирует перемещение данных между программными компонентами, поддерживающими сетевое взаимодействие, однако он не дает ответа на вопрос, какие же изменения претерпевает информация на этом пути. На различных
Сетевая модель - теоретическое описание принципов работы набора сетевых протоколов, взаимодействующих друг с другом. Модель обычно делится на уровни, так, чтобы протоколы вышестоящего уровня использовали бы протоколы нижестоящего уровня (точнее, данные протокола вышестоящего уровня бы передавались с помощью нижележащих протоколов - этот процесс называют инкапсуляцией, процесс извлечения данных вышестоящего уровня из данных нижестоящего - деинкапсуляцией). Модели бывают как практические (использующиеся в сетях, иногда запутанные и/или не полные, но решающие поставленные задачи), так и теоретические (показывающие принципы реализации сетевых моделей, приносящие в жертву наглядности производительность/возможности).
Инкапсуляция в компьютерных сетях - это метод построения модульных сетевых протоколов, при котором логически независимые функции сети абстрагируются от нижележащих механизмов путём включения или инкапсулирования этих механизмов в более высокоуровневые объекты.
Сетевая модель OSI (англ. Open Systems Interconnection Reference Model - модель взаимодействия открытых систем) - абстрактная модель для сетевых коммуникаций и разработки сетевых протоколов.
Представляет уровневый подход к сети. Каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и понятнее.
7 Прикладной
6 Представительский
5 Сеансовый
4 Транспортный
3 Сетевой
2 Канальный
1 Физический
19 Стек протоколов TCP/IP. Соответствие уровням модели OSI.
Стек протоколов TCP/IP (англ. Transmission Control Protocol/Internet Protocol) - набор сетевых протоколов разных уровней модели сетевого, используемых в сетях. Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack, стопка) - это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.
Стек протоколов TCP/IP включает в себя протоколы четырёх уровней: прикладного (application),транспортного (transport),сетевого (internet),уровня доступа к среде (network access).
Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.
Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают.К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень - «Internetworking» - между транспортным и сетевым уровнями.
Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной, представительский и сеансовый) модели OSI объединяют в один - прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению.
Протокол IP.
Internet Protocol или IP (англ. internet protocol - межсетевой протокол) - маршрутизируемый сетевой протокол, протокол сетевого уровня семейства TCP/IP.
Протокол IP используется для негарантированной доставки данных, разделяемых на так называемые пакеты от одного узла сети к другому. Это означает, что на уровне этого протокола (третий уровень сетевой модели OSI) не даётся гарантий надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, продублироваться (когда приходят две копии одного пакета; в реальности это бывает крайне редко), оказаться повреждёнными (обычно повреждённые пакеты уничтожаются) или не прибыть вовсе. Гарантию безошибочной доставки пакетов дают протоколы более высокого (транспортного уровня) сетевой модели OSI - например, TCP - которые используют IP в качестве транспорта.
В современной сети Интернет используется IP четвёртой версии, также известный как IPv4. В протоколе IP этой версии каждому узлу сети ставится в соответствие IP-адрес длиной 4 октета (4 байта). При этом компьютеры в подсетях объединяются общими начальными битами адреса. Количество этих бит, общее для данной подсети, называется маской подсети (ранее использовалось деление пространства адресов по классам - A, B, C; класс сети определялся диапазоном значений старшего октета и определял число адресуемых узлов в данной сети, сейчас используется бесклассовая адресация).
От нижележащих механизмов путём включения или инкапсулирования этих механизмов в более высокоуровневые объекты. Например, когда процесс хочет послать сообщение с помощью UDP , то производится последовательность действий:
Wikimedia Foundation . 2010 .
У этого термина существуют и другие значения, см. Туннелирование. Туннелирование (от англ. tunnelling проложение туннеля) в компьютерных сетях процесс, в ходе которого создается защищенное логическое соединение между двумя конечными… … Википедия
- (лат. in в, capsula коробочка; итал. incapsulare закупоривать) 1. Изоляция, закрытие чего либо мешающего, ненужного, вредного с целью исключения отрицательного влияния на окружающее. (Поместить радиоактивные отходы в капсулу, закрыть… … Википедия
Инкапсуляция в компьютерных сетях это метод построения модульных cетевых протоколов, при котором логически независимые функции сети абстрагируются от нижележащих механизмов путём включения или инкапсулирования в более высокоуровневые объекты.… … Википедия
Инкапсуляция (биология) Инкапсуляция (базы данных) Инкапсуляция (программирование) Инкапсуляция (компьютерные сети) Инкапсуляция (химия) … Википедия
В компьютерных сетях и телекоммуникациях, Псевдопроводная технология (pseudo wire) обеспечивает эмуляцию традиционных сервисов по сетям с коммутацией пакетов. Псевдопроводная технология позволяет прозрачно передавать ATM, Frame relay, Ethernet,… … Википедия
Сеть хранения данных, СХД (англ. Storage Area Network, SAN) представляет собой архитектурное решение для подключения внешних устройств хранения данных, таких как дисковые массивы, ленточные библиотеки, оптические приводы к серверам… … Википедия
Технология VPN (англ. Virtual Private Network … Википедия
VPN (англ. Virtual Private Network виртуальная частная сеть) логическая сеть, создаваемая поверх другой сети, например Интернет. Несмотря на то, что коммуникации осуществляются по публичным сетям с использованием небезопасных протоколов, за счёт… … Википедия
Под межсетевым взаимодействием понимается взаимодействие вычислительных машин в неоднородной (гетерогенной) сети. Использование разных аппаратных и программных компонентов в гетерогенной сети ведет к проблеме обеспечения межсетевого… … Википедия
Стек протоколов TCP/IP располагает средствами поддержки целого ряда физических сетей и транспортных систем, включая технологии IZERNET, DSL, Wi-Fi и т. д.
Управление хостами, а именно аппаратной частью хостов осуществляется на канальном уровне архитектуры TCP/IP. Протоколам более высоких уровней неизвестно как именно используются аппаратные средства. Данные передаются по сети в виде пакетов, пакеты имеют максимальный размер определяемый ограничениями канального уровня. Каждый пакет состоит из заголовка и полезного содержимого. Заголовок содержит информацию о том откуда прибыл пакет и куда он направляется, также в заголовке может быть контрольная сумма, информация характерная для конкретного протокола и другие инструкции касающиеся обработки содержимого пакета. Полезное содержимое пакета – это данные подлежащие пересылке. Название базового блока передаваемых данных зависит от уровня протокола архитектуры стека TCP/IP. На канальном уровне используется термин кадр или фрейм, на уровне IP используется термин пакет, а на транспортном уровне используется термин сегмент. Готовый к отправке пакет передается по стеку протоколов и каждый протокол добавляет собственный заголовок. Таким образом сформированный пакет одного протокола становится полезным содержимым пакета генерируемого следующим протоколом. Эта операция называется инкапсуляция (запечатывание). На принимаемой стороне инкапсулированные пакеты восстанавливаются в обратном порядке при прохождении вверх по стеку.
ARP – протокол преобразования адресов.
Протоколы ARP аппаратно-независимы. Для фактической передачи данных на канальном уровне должны применяться аппаратные адреса (MAC-адреса). Протокол ARP определяет какой именно аппаратный адрес связан с тем или иным IP-адресом. ARP можно применять в любых сетях, которые поддерживают широковещательный режим на канальном уровне. Когда ПК А хочет послать пакет ПК Б он использует протокол ARP для нахождения аппаратного адреса ПК Б. Исход. запрос протокола ARP включает IP-адрес и MAC-адрес запрашивающей стороны, благодаря чему разыскивающее устройство может ответить не посылая собственный ARP-запрос, это позволяет обоим компьютерам узнать адреса друг друга за один сеанс обмена пакетами. Другие компьютеры, слышавшие исходный широковещательный запрос могут записать IP-адрес запрашивающего к себе в свою таблицу. Каждый компьютер, подключенный к сети создает в памяти специальную таблицу, которая называется КЭШем ARP. В этой таблице хранятся результаты последних ARP-запросов.
Имеется прямая связь между количеством полей заголовка пакета и функциональной сложностью протокола. Чем проще заголовок, тем проще протокол. Большая часть действий протокола перенесена в поле заголовка пакета, изучая название каждого поля заголовка IP-пакета мы получаем не только функциональные знания, но и знакомимся с основными функциями протокола. IP-пакет состоит из заголовка и данных.
Термин маршрутизация используется в 2 случаях:
Процедура поиска сетевого адреса в специальных таблицах для передачи пакета в узел назначения.
Процесс построения такой таблицы.
Таблица маршрутизации
Хосты посылают пакеты только тем шлюзам, которые физически подключены к той же сети. Локальные хосты могут перемещать пакеты только на 1 шаг в направлении узла назначения. Поэтому в них не включается информация о шлюзах не являющихся смежными в таблице локальной маршрутизации. Каждый шлюз через который проходит пакет принимает решение о его перемещении, анализируя собственную таблицу маршрутизации.
Таблицы маршрутизации ведутся (бывают) статическими, динамическими или комбинированным способом.
Статический способ – в шлюзе формируется таблица маршрутизации, которая остается неизменной в течении всего времени системы. Статическая маршрутизация является эффективным решением для относительно стабильной локальной сети. Она проста в управлении, надежна в эксплуатации, но требует знания топологии сети на момент формирования этой таблицы. Большинство компьютеров такой локальной вычислительной сети имеют единственный выход к другим сетям, поэтому маршрутизация осуществляется по стандартному маршруту. В сетях с более сложной топологией требуется динамическая маршрутизация, которая осуществляется специальным процессом ведущим и маршрутизирующим таблицы маршрутизации. Процесс маршрутизации фиксируется на различных хостах взаимодействующих друг с другом с целью определения топологии сети и решения вопроса о доставке пакета в удаленный узел.
