Модель OSI

Модель взаимодействия открытых систем ( модель OSI ) - это концептуальная модель, которая характеризует и стандартизирует коммуникационные функции телекоммуникационной или вычислительной системы безотносительно к ее внутренней структуре и технологии. Его цель - совместимость различных систем связи со стандартными протоколами связи .

Модель разделяет поток данных в системе связи на семь уровней абстракции , от физической реализации передачи битов через среду связи до представления данных на самом высоком уровне распределенного приложения . Каждый промежуточный уровень обслуживает определенный класс функций по отношению к слою над ним и обслуживается уровнем ниже. Классы функциональности реализованы в программном обеспечении с помощью стандартизованных протоколов связи .

Модель OSI была разработана в конце 1970-х годов для поддержки появления разнообразных методов компьютерных сетей, которые конкурировали за применение в крупных национальных сетевых усилиях во Франции, Великобритании и США. В 1980-х годах эта модель стала рабочим продуктом группы взаимодействия открытых систем Международной организации по стандартизации (ISO). Пытаясь дать исчерпывающее описание сети, модель не смогла заручиться поддержкой архитекторов программного обеспечения при проектировании раннего Интернета , что нашло отражение в менее строгом пакете Интернет-протокола , в основном спонсируемом под эгидой Инженерной группы Интернета. (IETF).

История [ править ]

В начале и середине 1970-х создание сетей в основном либо спонсировалось государством ( сеть NPL в Великобритании, ARPANET в США, CYCLADES во Франции), либо разрабатывались поставщиками с использованием собственных стандартов, таких как IBM 's Systems Network Architecture и Digital. Equipment Corporation «S DECnet . Общедоступные сети передачи данных только начинали появляться, и в конце 1970-х они начали использовать стандарт X.25 . ^{[1] [2]}

Экспериментальная Packet Switched системы в Великобритании около 1973-5 выявлено необходимости в определении протоколов более высокого уровня. ^[1] Публикация Национального вычислительного центра Великобритании «Почему распределенные вычисления», основанная на значительном исследовании будущих конфигураций компьютерных систем, ^[3] привела к тому, что Великобритания представила аргументы в пользу того, чтобы комитет по международным стандартам охватил эту область на заседании ISO в Сидней в марте 1977 года. ^[4]

Начиная с 1977 года Международная организация по стандартизации (ISO) провела программу по разработке общих стандартов и методов создания сетей. Аналогичный процесс развился в Международном консультативном комитете по телеграфу и телефону (CCITT, с французского: Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique). Обе организации разработали документы, определяющие аналогичные сетевые модели. Модель OSI была впервые определена в необработанном виде в Вашингтоне, округ Колумбия, в феврале 1978 г. Хубертом Циммерманном из Франции, а усовершенствованный, но все еще проект стандарта был опубликован ISO в 1980 г. ^[5]

Разработчикам эталонной модели пришлось столкнуться с множеством конкурирующих приоритетов и интересов. Скорость технологических изменений вызвала необходимость определения стандартов, к которым могли бы сходиться новые системы, а не стандартизации процедур постфактум; противоположность традиционному подходу к разработке стандартов. ^[6] Хотя сам по себе он и не был стандартом, он представлял собой основу для определения будущих стандартов. ^[7]

В 1983 году документы CCITT и ISO были объединены в основную Эталонная модель взаимодействия открытых систем, как правило , упоминается как Open Systems Interconnection Reference Model , Эталонная модель OSI , или просто модели OSI . Он был опубликован в 1984 году как ISO, как стандарт ISO 7498 , так и переименованным CCITT (теперь называемым Сектором стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи или ITU-T ) как стандарт X.200.

OSI состояла из двух основных компонентов: абстрактной сетевой модели, называемой базовой эталонной моделью или семиуровневой моделью, и набора конкретных протоколов . Эталонная модель OSI стала большим достижением в обучении сетевым концепциям. Он продвигал идею согласованной модели уровней протокола, определяющей взаимодействие между сетевыми устройствами и программным обеспечением.

Концепция семислойной модели была предложена Чарльзом Бахманом из Honeywell Information Systems . ^[8] Различные аспекты дизайна OSI возникли из опыта работы с сетью NPL, ARPANET, CYCLADES, EIN и Международной сетевой рабочей группой ( IFIP WG6.1). В этой модели сетевая система была разделена на уровни. Внутри каждого уровня одна или несколько сущностей реализуют его функциональные возможности. Каждая сущность взаимодействовала напрямую только со слоем, находящимся непосредственно под ней, и предоставляла средства для использования слою над ней.

Документы стандартов OSI доступны в ITU-T в виде рекомендаций серии X.200. ^[9] Некоторые спецификации протокола также были доступны как часть серии ITU-T X. Эквивалентные стандарты ISO и ISO / IEC для модели OSI можно получить в ISO. Не все бесплатны. ^[10]

OSI был отраслевым усилием, направленным на то, чтобы участники отрасли согласовали общие сетевые стандарты для обеспечения совместимости с различными производителями. ^[11] Для больших сетей было обычным делом поддерживать несколько наборов сетевых протоколов, когда многие устройства не могли взаимодействовать с другими устройствами из-за отсутствия общих протоколов. В течение периода в конце 1980-х - начале 1990-х инженеры, организации и нации были поляризованы по вопросу о том, какой стандарт , модель OSI или набор Интернет-протоколов приведет к созданию лучших и наиболее надежных компьютерных сетей. ^{[4] [12] [13]} Однако, хотя OSI разработала свои сетевые стандарты в конце 1980-х годов, ^{[14] [15]} TCP / IPполучил широкое распространение в сетях от различных производителей для межсетевого взаимодействия .

Модель OSI по-прежнему используется в качестве справочника для обучения и документации; ^[16] однако протоколы OSI, изначально задуманные для этой модели, не приобрели популярности. Некоторые инженеры утверждают, что эталонная модель OSI все еще актуальна для облачных вычислений . ^[17] Другие говорят, что исходная модель OSI не соответствует сегодняшним сетевым протоколам, и предлагают вместо этого упрощенный подход. ^[18]

Определения [ править ]

Протоколы связи позволяют объекту на одном хосте взаимодействовать с соответствующим объектом на том же уровне на другом хосте. Определения услуг, такие как модель OSI, абстрактно описывают функциональные возможности, предоставляемые (N) -уровню уровнем (N-1), где N - один из семи уровней протоколов, работающих на локальном хосте.

На каждом уровне N , две сущности в сообщающихся устройств (слой N сверстников ) обмен блоков данных протокола (PDU) с помощью слоя N протокола . Каждый PDU содержит полезную нагрузку, называемую блоком служебных данных (SDU), а также связанные с протоколом заголовки или нижние колонтитулы.

Обработка данных двумя взаимодействующими OSI-совместимыми устройствами происходит следующим образом:

1. Данные, подлежащие передаче, объединяются на самом верхнем уровне передающего устройства (уровень N ) в блок данных протокола ( PDU ).
2. PDU передается к слою N-1 , где он известен как блок служебных данных ( SDU ).
3. На слое N-1 СД является сцепляется с заголовком, в сноске, или оба, образуя слой N-1 PDU . Затем он передается на слой N-2 .
4. Процесс продолжается до достижения самого нижнего уровня, с которого данные передаются на принимающее устройство.
5. На принимающем устройстве данные передаются от самого низкого уровня к самому высокому в виде последовательности SDU , последовательно удаляясь из верхнего или нижнего колонтитула каждого уровня до достижения самого верхнего уровня, где потребляются последние данные.

Документы по стандартам [ править ]

Модель OSI была определена в ISO / IEC 7498, который состоит из следующих частей:

• ISO / IEC 7498-1 Базовая модель
• ISO / IEC 7498-2 Архитектура безопасности
• ИСО / МЭК 7498-3 Именование и адресация
• ISO / IEC 7498-4 Структура управления

ISO / IEC 7498-1 также опубликован как Рекомендация ITU-T X.200.

Слой архитектуры [ править ]

Рекомендация X.200 описывает семь уровней, обозначенных от 1 до 7. Уровень 1 - самый нижний уровень в этой модели.

Уровень 1: физический уровень [ править ]

Физический уровень отвечает за передачу и прием неструктурированных исходных данных между устройством и физической средой передачи . Он преобразует цифровые биты в электрические, радио или оптические сигналы. Спецификации уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжения, время изменения напряжения, физические скорости передачи данных, максимальные расстояния передачи, схему модуляции, метод доступа к каналу и физические разъемы. Это включает расположение контактов , напряжения , полное сопротивление линии , характеристики кабеля, синхронизацию сигнала и частоту для беспроводных устройств. Управление скоростью передачи данных осуществляется на физическом уровне и может определять режим передачи как симплексный , полудуплексный., и полный дуплекс . Компоненты физического уровня могут быть описаны в терминах топологии сети . Спецификации физического уровня включены в спецификации повсеместно распространенных стандартов Bluetooth , Ethernet и USB . Примером менее известной спецификации физического уровня может служить стандарт CAN .

Уровень 2: Уровень канала передачи данных [ править ]

Уровень канала данных обеспечивает передачу данных от узла к узлу - связь между двумя напрямую подключенными узлами. Он обнаруживает и, возможно, исправляет ошибки, которые могут возникнуть на физическом уровне. Он определяет протокол для установления и завершения соединения между двумя физически подключенными устройствами. Он также определяет протокол для управления потоком между ними.

IEEE 802 делит уровень канала данных на два подуровня: ^[20]

• Уровень управления доступом к среде (MAC) - отвечает за контроль того, как устройства в сети получают доступ к среде и разрешение на передачу данных.
• Уровень управления логическим каналом (LLC) - отвечает за идентификацию и инкапсуляцию протоколов сетевого уровня, а также контролирует проверку ошибок и синхронизацию кадров.

Уровни MAC и LLC сетей IEEE 802, таких как 802.3 Ethernet , 802.11 Wi-Fi и 802.15.4 ZigBee, работают на уровне канала передачи данных.

Протокол точка-точка (PPP) - это протокол уровня канала данных, который может работать на нескольких различных физических уровнях, таких как синхронные и асинхронные последовательные линии.

Стандарт ITU-T G.hn , который обеспечивает высокоскоростную локальную сеть по существующим проводам (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели), включает в себя полный уровень канала передачи данных, который обеспечивает как исправление ошибок, так и управление потоком посредством выборочного -повторять протокол скользящего окна .

Безопасность, в частности (аутентифицированное) шифрование, на этом уровне может быть применено с помощью MACSec .

Уровень 3: сетевой уровень [ править ]

Сетевой уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства передачи пакетов от одного узла к другому соединены в «разных сетях». Сеть - это среда, к которой могут быть подключены многие узлы, на которой каждый узел имеет адрес и который позволяет узлам, подключенным к ней, передавать сообщения другим узлам, подключенным к ней, просто предоставляя содержимое сообщения и адрес места назначения. узел и позволяя сети найти способ доставки сообщения на узел назначения, возможно, маршрутизацияэто через промежуточные узлы. Если сообщение слишком велико для передачи от одного узла к другому на уровне канала передачи данных между этими узлами, сеть может реализовать доставку сообщения путем разделения сообщения на несколько фрагментов в одном узле, отправки фрагментов независимо и повторной сборки фрагментов на другой узел. Он может, но не должен сообщать об ошибках доставки.

Доставка сообщений на сетевом уровне не обязательно гарантирует надежность; протокол сетевого уровня может обеспечивать надежную доставку сообщений, но это не обязательно.

Ряд протоколов управления уровнями, функция, определенная в приложении по управлению , ISO 7498/4, относится к сетевому уровню. К ним относятся протоколы маршрутизации, управление группами многоадресной рассылки, информация и ошибки сетевого уровня, а также назначение адресов сетевого уровня. Именно функция полезной нагрузки делает их принадлежащими сетевому уровню, а не протоколу, который их переносит. ^[21]

Уровень 4: Транспортный уровень [ править ]

Транспортный уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства передачи последовательностей данных переменной длиной от источника к узлу назначения, при сохранении качества сервисных функций.

Транспортный уровень контролирует надежность данного канала посредством управления потоком, сегментации / десегментации и контроля ошибок. Некоторые протоколы ориентированы на состояние и соединение. Это означает, что транспортный уровень может отслеживать сегменты и повторно передавать те, доставка которых не выполняется. Транспортный уровень также обеспечивает подтверждение успешной передачи данных и отправляет следующие данные, если ошибок не произошло. Транспортный уровень создает сегменты из сообщения, полученного от прикладного уровня. Сегментация - это процесс разделения длинного сообщения на более мелкие.

OSI определяет пять классов транспортных протоколов в режиме соединения: от класса 0 (который также известен как TP0 и обеспечивает наименьшее количество функций) до класса 4 (TP4, разработанный для менее надежных сетей, подобных Интернету). Класс 0 не содержит средства восстановления после ошибок и был разработан для использования на сетевых уровнях, которые обеспечивают безошибочные соединения. Класс 4 наиболее близок к TCP, хотя TCP содержит такие функции, как плавное закрытие, которое OSI назначает сеансовому уровню. Кроме того, все классы протокола режима соединения OSI TP обеспечивают ускорение передачи данных и сохранение границ записей. Подробные характеристики классов TP0-4 приведены в следующей таблице: ^[22]

Легкий способ визуализировать транспортный уровень - сравнить его с почтовым отделением, которое занимается отправкой и классификацией отправляемых писем и посылок. Почтовое отделение проверяет только внешний конверт почты, чтобы определить его доставку. Более высокие уровни могут иметь эквивалент двойных конвертов, таких как службы криптографического представления, которые могут быть прочитаны только адресатом. Грубо говоря, протоколы туннелирования работают на транспортном уровне, например, проведение не-IP протоколы , такие как IBM «с СНС или Novell » ы IPX по сети IP, или от конца до конца шифрования с помощью IPsec . В то время как общая инкапсуляция маршрутизации(GRE) может показаться протоколом сетевого уровня, если инкапсуляция полезной нагрузки происходит только в конечной точке, GRE становится ближе к транспортному протоколу, который использует заголовки IP, но содержит полные кадры уровня 2 или пакеты уровня 3 для доставки в конечная точка. L2TP передает кадры PPP внутри транспортных сегментов.

Хотя протокол управления передачей (TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) пакета Internet Protocol Suite не был разработан в соответствии с эталонной моделью OSI и не полностью соответствует определению транспортного уровня OSI , он обычно классифицируется как протоколы уровня 4 в рамках OSI.

Безопасность транспортного уровня (TLS) обеспечивает безопасность на этом уровне.

Уровень 5: Сеансовый уровень [ править ]

Слой сеанса контролирует диалоги (соединения) между компьютерами. Он устанавливает, управляет и завершает соединения между локальным и удаленным приложением. Он обеспечивает работу в полнодуплексном , полудуплексном или симплексном режимах и устанавливает процедуры для установки контрольных точек, приостановки, перезапуска и завершения сеанса. В модели OSI этот уровень отвечает за корректное закрытие сеанса, которое обрабатывается в протоколе управления передачей.на транспортном уровне в Internet Protocol Suite. Этот уровень также отвечает за контрольные точки сеанса и восстановление, что обычно не используется в Internet Protocol Suite. Сеансовый уровень обычно явно реализуется в прикладных средах, использующих удаленные вызовы процедур .

Уровень 6: Уровень презентации [ править ]

Уровень представления устанавливает контекст между объектами прикладного уровня, в котором объекты прикладного уровня могут использовать различный синтаксис и семантику, если служба представления обеспечивает отображение между ними. Если отображение доступно, блоки данных протокола представления инкапсулируются в блоки данных протокола сеанса и передаются вниз по стеку протоколов .

Этот уровень обеспечивает независимость от представления данных за счет преобразования между форматами приложения и сети. Уровень представления преобразует данные в форму, которую принимает приложение. Этот слой форматирует данные для отправки по сети. Иногда его называют синтаксическим слоем. ^[23] Уровень представления может включать в себя функции сжатия. ^[24] Уровень представления согласовывает синтаксис передачи.

Оригинальная структура презентации использованы основные правила кодирования из абстрактного синтаксиса Notation One (ASN.1), с такими возможностями, как преобразование в EBCDIC -coded текстового файла с ASCII -coded файла или сериализацией из объектов и других структур данных из и в XML . ASN.1 фактически делает протокол приложения инвариантным относительно синтаксиса.

Уровень 7: Уровень приложения [ править ]

Уровень приложения- это уровень OSI, ближайший к конечному пользователю, что означает, что и уровень приложения OSI, и пользователь напрямую взаимодействуют с программным приложением. Этот уровень взаимодействует с программными приложениями, реализующими коммуникационный компонент. Такие прикладные программы выходят за рамки модели OSI. Функции прикладного уровня обычно включают в себя идентификацию партнеров по связи, определение доступности ресурсов и синхронизацию связи. При идентификации партнеров по связи прикладной уровень определяет идентичность и доступность партнеров по связи для приложения с данными для передачи. Наиболее важным различием на уровне приложения является различие между сущностью приложения и приложением. Например, на веб-сайте бронирования может быть два объекта-приложения: один используетHTTP для связи со своими пользователями и один для протокола удаленной базы данных для записи резервирований. Ни один из этих протоколов не имеет ничего общего с оговорками. Эта логика заложена в самом приложении. На прикладном уровне нет средств для определения доступности ресурсов в сети.

Межуровневые функции [ править ]

Межуровневые функции - это сервисы, которые не привязаны к данному уровню, но могут влиять на более чем один уровень. ^[25] Некоторые ортогональные аспекты, такие как управление и безопасность , затрагивают все уровни (см. Рекомендацию ITU-T X.800 ^[26] ). Эти услуги направлены на улучшение триады ЦРУ - конфиденциальности , целостности и доступности - передаваемых данных. На практике межуровневые функции являются нормой, поскольку доступность услуги связи определяется взаимодействием между сетевым дизайном и протоколами управления сетью .

Конкретные примеры межуровневых функций включают следующее:

• Служба безопасности (электросвязь) ^[26], как определено в рекомендации ITU-T X.800.
• Функции управления, т. Е. Функции, которые позволяют настраивать, создавать экземпляры, отслеживать, прекращать обмен данными между двумя или более объектами: существует определенный протокол уровня приложений, общий протокол информации управления (CMIP) и соответствующая ему служба, служба общей информации управления (CMIS ) им необходимо взаимодействовать с каждым слоем, чтобы иметь дело со своими экземплярами.
• Многопротокольная коммутация по меткам (MPLS), ATM и X.25 - это протоколы 3a. OSI подразделяет сетевой уровень на три подуровня: 3a) доступ к подсети, 3b) зависимая от подсети конвергенция и 3c) независимая от подсети конвергенция. ^[27] Он был разработан для обеспечения единой службы передачи данных как для клиентов с коммутацией каналов, так и для клиентов с коммутацией пакетов, которые обеспечивают модель обслуживания на основе дейтаграмм . Его можно использовать для передачи множества различных видов трафика, включая IP-пакеты, а также собственные кадры ATM, SONET и Ethernet. Иногда можно увидеть ссылку на уровень 2.5.
• Перекрестное планирование MAC и PHY важно в беспроводных сетях из-за изменяющегося во времени характера беспроводных каналов. Путем планирования передачи пакетов только в благоприятных условиях канала, что требует, чтобы MAC-уровень получал информацию о состоянии канала с PHY-уровня, можно значительно повысить пропускную способность сети и избежать потерь энергии. ^[28]

Интерфейсы программирования [ править ]

Ни в эталонной модели OSI, ни в каких-либо спецификациях протокола OSI не описываются какие-либо программные интерфейсы, кроме намеренно абстрактных описаний служб. Спецификации протокола определяют методологию связи между одноранговыми узлами, но программные интерфейсы зависят от реализации.

Например, спецификация интерфейса сетевого драйвера (NDIS) и интерфейс открытого канала передачи данных (ODI) - это интерфейсы между носителем (уровень 2) и сетевым протоколом (уровень 3).

Сравнение с другими сетевыми пакетами [ править ]

Сравнение с моделью TCP / IP [ править ]

Дизайн протоколов в модели TCP / IP Интернета не касается строгой иерархической инкапсуляции и многоуровневой структуры. ^[34] RFC 3439 содержит раздел, озаглавленный «Распределение уровней считается опасным ». ^[35] TCP / IP действительно распознает четыре широких уровня функциональности, которые вытекают из рабочего объема содержащихся в них протоколов: объем программного приложения; транспортный путь от хоста к хосту; межсетевой диапазон; и объем прямых ссылок на другие узлы в локальной сети. ^[36]

Несмотря на то, что в модели OSI используется другая концепция слоев, эти уровни часто сравнивают со схемой слоев OSI следующим образом:

• Уровень приложений Интернета отображается на уровень приложений OSI, уровень представления и большую часть сеансового уровня.
• TCP / IP , транспортный уровень отображает к изящным тесной зависимости от уровня сеанса OSI, а также транспортного уровня OSI.
• Интернет - слой выполняет функцию , как те , в подмножестве сетевого уровня OSI.
• В канальном уровне соответствует канальному OSI и могут включать в себя то же функцию , как на физическом уровень, а также некоторые протоколы сетевого уровня в ЕМ.

Эти сравнения основаны на исходной семиуровневой модели протокола, определенной в ISO 7498, а не на уточнениях внутренней организации сетевого уровня.

Набор протоколов OSI, который был указан как часть проекта OSI, многими считался слишком сложным, неэффективным и в значительной степени нереализуемым. ^[37] Применяя к сети подход «апгрейда вилочного погрузчика», он предусматривал устранение всех существующих сетевых протоколов и их замену на всех уровнях стека. Это затрудняло внедрение и встречало сопротивление со стороны многих поставщиков и пользователей, вкладывающих значительные средства в другие сетевые технологии. Кроме того, протоколы включали так много дополнительных функций, что реализации многих поставщиков не могли взаимодействовать. ^[37]

Хотя модель OSI все еще часто упоминается, набор протоколов Интернета стал стандартом для сетей. Прагматический подход TCP / IP к компьютерным сетям и независимым реализациям упрощенных протоколов сделал его практической методологией. ^[37] Некоторые протоколы и спецификации в стеке OSI остаются в использовании, одним из примеров является IS-IS , который был определен для OSI как ISO / IEC 10589: 2002 и адаптирован для использования в Интернете с TCP / IP как RFC  1142 .

См. Также [ править ]

• Слой 8
• Иерархическая модель межсетевого взаимодействия
• Плоскость управления
• Уровень обслуживания
• Служба общей управленческой информации (CMIS)
• GOSIP , Профиль взаимодействия открытых систем правительства (США)
• Рекурсивная межсетевая архитектура
• Список инициализмов информационных технологий

Дальнейшее чтение [ править ]

• Джон Дэй , «Шаблоны сетевой архитектуры: возвращение к основам» (Prentice Hall 2007, ISBN 978-0-13-225242-3 ) 
• Маршалл Роуз , "Открытая книга" (Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1990)
• Дэвид М. Писцителло, А. Лайман Чапин, Открытые системы сетей (Addison-Wesley, Reading, 1993)
• Эндрю С. Таненбаум , Компьютерные сети, 4-е издание, (Прентис-Холл, 2002) ISBN 0-13-066102-3 
• Гэри Диксон; Алан Ллойд (июль 1992 г.). Взаимодействие открытых систем / Стандарты компьютерной связи и объяснения слухов . Прентис-Холл. ISBN 978-0136401117.

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с моделью OSI .

• База знаний Microsoft: определение семи уровней модели OSI и объяснение функций
• Стандарт ISO / IEC 7498-1: 1994 ( документ PDF в архиве ZIP ) ( для принятия лицензионного соглашения требуются файлы cookie HTTP )
• ITU-T X.200 (то же содержание, что и ISO)
• «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ Архитектур и блок-схем на базе Google App Engine» . infchg.appspot.com . Эталонная модель ISO OSI, граф Beluga единиц данных и групп слоев. Архивировано из оригинального 26 мая 2012 года .CS1 maint: другие ( ссылка )
• Циммерманн, Хуберт (апрель 1980 г.). «Эталонная модель OSI - Модель архитектуры ISO для взаимодействия открытых систем». IEEE Transactions on Communications . 28 (4): 425–432. CiteSeerX  10.1.1.136.9497 . DOI : 10.1109 / TCOM.1980.1094702 . S2CID  16013989 .
• Справочник по технологиям межсетевого взаимодействия Cisco Systems