Модель OSI: структура, функции и основные принципы

В этой статье мы познакомимся с хронологией появления и популяризации модели, рассмотрим особенности ее функционирования и узнаем, на какие уровни она делит передачу данных в сетях.

История модели OSI

Моментом основания модели принято считать 1984 год, а достижение по ее созданию относится к многочисленным представителям ISO – Международной организацией по стандартизации. При этом стоит отметить, что разработка структуры началась задолго до официального утверждения, а именно в 1970-х годах. Уже тогда для многих стало очевидным то, что быстрорастущий мир вычислительных сетей нуждается в стандартизированном «языке» сетевого взаимодействия.

Именно в тот период рынок предлагал довольно широкий ряд технологий, причем уникальных. С одной стороны это может и хорошо, но с другой становилось причиной конфликта протоколов, ведь у каждого крупного на тот момент бренда были собственные фирменные технологии, и они не удосужились позаботиться о хоть какой-то совместимости между различными устройствами.

Например, IBM продвигала одни стандарты, а такие участники рынка, как Xerox и DEC, напротив, придерживались альтернативных подходов, далеко не во всем похожих на то, что было у IBM и других. Конечно, рассчитывать на совместимость и отсутствие конфликтов на сетевом уровне при таком разнообразии технологий, протоколов и брендов попросту не приходилось. Именно из-за этого специалисты из отрасли всерьез задумались о том, что пора прийти к какому-то стандарту.

Международная организация по стандартизации совместно с Международным союзом электросвязи начала разработку модели, которая смогла бы решить эту проблему. На этапе проектирования учитывались как академические исследования, так и практический опыт.

Разработка сетевой модели взаимодействия OSI началась с двух основных инициатив:

• ISO начала работу над проектом стандартизации, который разделял функции сетевого взаимодействия на логические уровни;
• Международный союз электросвязи (ранее CCITT) также предлагал идеи, которые позже были объединены с разработками ISO.

В конечном итоге, в 1980 году обе группы объединили усилия и создали положения модели OSI. Еще спустя 4 года ее официально утвердили в качестве стандарта ISO 7498. С этого момента она применяется в качестве эталона для разработки сетевых протоколов и оборудования.

Несмотря на то, что сама модель OSI не всегда используется напрямую в современных сетях, ее принципы легли в основу многих стандартов, включая широко используемую модель TCP/IP.

Зачем вообще это нужно?

Значение описываемой технологии выходит за рамки теории – это практический инструмент, с помощью которого появилась возможность удобно и понятно стандартизировать протоколы и обеспечивать совместимость устройств и ПО. Вот что делает эта модель на практике:

• предоставляет универсальные стандарты для организации передачи данных между устройствами и сетями;
• дает устройствам и протоколам разных производителей возможность безошибочно взаимодействовать друг с другом в одной сети;
• берет на себя задачу по определению оптимальных маршрутов для передачи пакетов информации;
• обнаруживает ошибки передачи данных и принимается за их корректировку;
• отвечает за установку, поддержание и завершение сеансов связи между устройствами;
• занимается преобразованием данных, шифрованием и сжатием информации;
• поддерживает внедрение новых протоколов и технологий без необходимости переработки всей системы;
• позволяет независимо разрабатывать и улучшать каждый компонент сети.

Благодаря строгой структуре и распределению задач модель OSI также помогает сетевым администраторам и разработчикам создавать более устойчивые и безопасные сети.

Как работает модель OSI?

Модель OSI состоит из набора уровней или ступеней, через которые проходят данные прежде, чем попасть с одного устройства на другое в пределах интернета. Их количество равно семи, и такое число выбрано неслучайно – именно столько нужно для того, чтобы можно было разбить сетевые задачи на независимые друг от друга, но при этом вполне управляемые этапы.

Модель опирается на несколько базовых принципов:

• Принцип работы снизу вверх. Когда устройство отправляет данные, процесс начинается с прикладного уровня и последовательно проходит через все этапы последовательно вниз, пока данные не преобразуются в электрические или оптические сигналы.
• Принцип работы сверху вниз. При приеме данных описанный выше процесс идет в обратном направлении, то есть сигналы с физического уровня проходят через все уровни вверх, пока не достигают прикладного, где пользователь может их воспринять.
• Взаимодействие уровней. Каждая ступень модели выполняет свои функции и взаимодействует только с соседними. Например, транспортный уровень передает данные сетевому, не зная, что происходит на физическом, и так далее.
• Инкапсуляция данных. На стороне отправителя данные последовательно оборачиваются в дополнительные метаданные на каждом уровне. При получении информации этот процесс разворачивается, удаляя заголовки, пока данные не достигнут исходного вида.

Для большего понимания давайте рассмотрим конкретный пример. Представьте, что вы отправляете электронное письмо своему коллеге. Вот как это выглядит с точки зрения модели OSI:

1. На прикладном уровне «собирается» текст письма, для чего применяются понятные для человека символы по типу букв, цифр, знаков препинания и прочих.
2. На уровне представления контент (в данном случае письмо) преобразуется в тот формат, который может быть воспринят устройством, куда он будет отправляться.
3. На сеансовом уровне устанавливается надежное соединение между устройством, с которого отправляется письмо, и сервером для связи с остальной частью интернета.
4. На транспортном уровне набор битов информации, составляющих письмо из примера, для удобной и надежной отправки подразделяется на маленькие пакеты данных.
5. На сетевом уровне к подготовленным ранее пакетам данных добавляются адреса как отправителя, так и получателя письма, чтобы информация не потерялась в интернете.
6. На канальном уровне пакеты данных подготавливаются к последующей отправке их через физическую сеть, будь то оптоволоконный кабель или беспроводное соединение.
7. На физическом уровне пакеты данных преобразуются в наборы сигналов, совместимых с сетью, по которой они будут отправляться.

На стороне получателя этот процесс происходит в обратном порядке, пока письмо не будет восстановлено в исходный вид. Конечно, все это занимает буквально доли секунды, при этом пользователи даже не подозревают, какую большую работу проделывает модель за это время.

Физический (Physical layer, L1)

Самая нижняя ступень, на которой происходит отправка информации в виде электрических сигналов, световых импульсов или радиоволн по проводам, кабелям или через беспроводные каналы связи в зависимости от того, какой способ отправки выбрал пользователь.

Уровень описывает аппаратные параметры сети, такие как тип кабеля, диапазоны частот (если это, например, Wi-FI), совместимые разъемы, величина электрического напряжения для аналоговых сигналов. Он определяет, как устройства физически подключаются друг к другу и как данные передаются в сыром виде. При этом он не занимается интерпретацией содержимого сигналов.

Канальный уровень (Data link layer, L2)

С появлением этого уровня стала возможной надежная и стабильная отправка данных через физические каналы. Все дело в том, что именно на этой ступени проводится своего рода точное сканирование подлежащих отправке сигналов на предмет наличия ошибок. К тому же на этом уровне происходит адресация устройств получателя и отправителя посредством MAC-адресов.

Сетевой уровень (Network layer, L3)

На этом уровне устройства, расположенные в двух или более различных независимых сетях, связываются друг с другом по наиболее короткому и оптимальному маршруту. Именно на этой ступени в действие вступают IP-адреса, которые служат инструментом для идентификации того или иного устройства в интернете. На этом же уровне функционируют маршрутизаторы.

Транспортный уровень (Transport layer, L4)

В пределах этого уровня предварительно сформированные данные распределяются на сегменты, после чего тестируются на предмет целостности перед отправкой. Кроме того, именно транспортный уровень управляет повторной передачей информации в случае обнаружения ошибок. Он гарантирует, что данные будут доставлены в правильном порядке и без потерь. Благодаря ему пользователи могут быть уверены, что информация достигнет своего адресата рано или поздно, даже если в конкретный период времени сеть работает не совсем стабильно.

Сеансовый уровень (Session layer, L5)

На этом уровне осуществляется создание сеанса связи между двумя или более устройствами при передаче информации с одного на другое. Именно он берет на себя непростую задачу по синхронизации приложений. Без этой ступени невозможно предотвратить возможные конфликты и обеспечить правильный обмен информацией. Например, он используется в видеоконференциях для согласования сеанса связи.

Уровень представления (Presentation layer, L6)

На этом этапе передачи данных последние трансформируются в тот формат, который может быть воспринят устройством-получателем, и при этом остается понятным устройству-отправителю. Как можно догадаться, именно здесь происходит шифрование и сжатие информации, а также все возможные виды преобразования данных между многочисленными форматами (кодировка).

Прикладной уровень (Application layer, L7)

Взаимодействует с пользователем через программы, которые используют сетевые ресурсы. Это уровень, где происходит доступ к почте, веб-страницам, файлам и другим сервисам. Он предоставляет интерфейсы и протоколы, позволяя приложениям общаться через сеть. Пользователи работают именно на этом уровне, используя браузеры, мессенджеры, FTP-клиенты и другие программы. Примеры: HTTP, SMTP, FTP.

Сравнение с другими моделями

в реальной работе технологию OSI довольно часто сравнивают с другими моделями, такими как TCP/IP и IPX/SPX. У каждой из них есть собственные сценарии применения и особенности, которые определяются их историей, применением и целями разработки. Их важно учитывать прежде, чем отдать предпочтению использованию одной из них. Рассмотрим, чем OSI отличается от своих конкурентов.

Сравнение с TCP/IP

Это практическая модель, на принципах которой основывается взаимодействие сетей и устройств, к ним относящихся. В отличие от OSI, модель TCP/IP состоит из четырех уровней: прикладного, транспортного, сетевого и уровня доступа к среде (иногда называемого канальным).

Одним из ключевых отличий является то, что TCP/IP создавалась для реального использования, а OSI разрабатывалась больше, как теория. TCP/IP фокусируется на конкретных протоколах, таких как HTTP, FTP, TCP и UDP, IP, что делает ее более удобной для внедрения.

Модель OSI, напротив, более детализирована, ее семь уровней обеспечивают четкое разделение функций, но реже используются в реальной практике. Еще одно отличие заключается в том, что TCP/IP более гибкая, так как ее разработчики делали акцент на практическом взаимодействии и масштабируемости сети, тогда как OSI стремится к строгой стандартизации. Несмотря на это, OSI остается важной как образовательная модель и как инструмент для проектирования сетей.

Сравнение с IPX/SPX

IPX/SPX – довольно устаревшая модель, которая использовалась в сетях Novell NetWare в 1980-1990-х годах. Она также состоит из нескольких уровней, схожих с OSI, но ее структура проще и менее универсальна. IPX выполняет функции сетевого уровня (здесь он принимает на себя роль проводника при маршрутизации данных), а SPX работает на транспортном (управляет соединением и проверяет, были ли доставлены данные от отправителя к получателю).

Основное отличие от OSI заключается в узкой специализации IPX/SPX. Эта модель была разработана для работы в рамках локальных сетей и не предназначалась для масштабируемых глобальных сетей, таких как интернет. Кроме того, IPX/SPX плохо адаптировалась к развитию технологий, из-за чего она была практически полностью вытеснена моделью TCP/IP.

IPX/SPX не требует сложной конфигурации, так как автоматически назначает адреса и маршрутизирует данные. Это делало протокол популярным решением для применения в настройке и работе сравнительно небольших сетей. Однако если предпринять попытки внедрить эту технологию в крупные сетевые структуры или заняться масштабированием, будут проблемы.

В отличие от IPX/SPX, модель OSI более универсальна, поскольку она описывает работу сетей в целом и не зависит от конкретных протоколов. Тем не менее, IPX/SPX была проще в реализации и использовалась в узкоспециализированных сетях, где ее ограниченность не была минусом.

В конце 1990-х годов IPX/SPX начал постепенно вытесняться из-за глобальной унификации протоколов и роста масштабов интернета, где использовалась преимущественно технология TCP/IP.

Заключение

Модель OSI – это ключевая концепция, которая значительно упростила понимание и стандартизацию технологий, предназначенных для построения сетей. Благодаря ее семи уровням мы можем детально рассмотреть процесс передачи данных и разделить сложные задачи на отдельные этапы. Исторически модель OSI внесла огромный вклад в развитие сетей, став основой для обучения, проектирования и диагностики.

Сравнение OSI с другими моделями, такими как TCP/IP и IPX/SPX, подчеркивает ее универсальность и образовательную ценность, несмотря на ограниченное использование в реальной практике. Тем не менее, исследование модели OSI остается важным шагом для всех, кто хочет понять, как устроены сети и как сделать их более эффективными и надежными. В эпоху быстро развивающихся технологий принципы OSI по-прежнему служат ориентиром, напоминая о важности четкого подхода к проектированию и взаимодействию сложных систем.