Многоуровневые модели – протокольная модель TCP/IP и справочная модель OSI

Многоуровневые  модели – протокольная модель TCP/IP и  справочная модель OSI

Рубрика: Сети

Доброго времени суток, уважаемые читатели блога okITgo.ru! Тема сегодняшней статьи – использование многоуровеных моделей, которые помогают проектировать сложные многофункциональные сети, включающие множество сетевых устройств самых разных производителей. Отдельные части этих сетей, предоставляющих массу возможностей для коммуникации миллионам людей, могут проектироваться независимо и работать совместно, при этом совершенно незаметно для этих самых людей или конечных пользователей, которые, может быть, и не догадываются о сложности устройства информационных сетей и Интернета, в частности.

В посте  рассказано о преимуществах использования  многоуровневых моделей. Вы узнаете, чем  отличаются протокольные модели(например, модель TCP/IP) и справочные модели, наиболее известным примером которых является эталонная модель OSI. Также в контексте использования многоуровневых моделей описан процесс коммуникации, включающий процесс отправки и процесс получениясообщения, и приведено сравнение модели OSI с моделью TCP/IP.

Преимущества  Использования Многоуровневых Моделей

Чтобы представить взаимодействие между  различными протоколами, принято использовать многоуровневые модели. Многоуровневая модель изображает работу протоколов, происходящую внутри каждого уровня, а также взаимодействие с уровнями выше и ниже.

Есть  ряд преимуществ в использовании  многоуровневой модели для описания сетевых протоколов и операций. Использование многоуровневой модели:

• Содействует в проектировании протоколов, поскольку протоколы, которые работают на специфическом уровне, имеют вполне определенную информацию, с которой им приходится иметь дело, а также определенный интерфейс к слоям выше и ниже.
• Стимулирует конкуренцию, так как продукты от разных производителей могут работать совместно.
• Препятствует изменениям технологии или возможностей одного слоя воздействовать на другие слои выше и ниже его.
• Обеспечивает общий язык для описания сетевых функций и возможностей.

Протокольные  и Справочные Модели

Существует  два основных типа сетевых моделей: протокольные модели и справочные модели.

Протокольная  модель представляет собой модель, которая близко соответствует структуре конкретного набора протоколов. Иерархическое множество связанных протоколов в наборе представляет как правило всю функциональность, требуемую для взаимодействия социальной сети с сетью данных. Модель TCP/IP является протокольной моделью, поскольку она описываеи функции, которые происходят на каждом уровне протоколов внутри набора (стека) TCP/IP.

Справочная  модель предоставляет общую справочную информацию (образец или эталон) для поддержки согласованности внутри всех типов сетевых протоколов и служб. Справочная модель не является спецификацией, готовой для претворения в жизнь, и не обеспечивает удовлетворительный уровень детализации для точного определения сервисов сетевой архитектуры. Основная цель справочной модели – добиться более ясного понимания функций и вовлеченных в работу процессов.

Модель  Взаимосвязи Открытых Систем (англ. Open Systems Interconnection или OSI) является самой  широко известной сетевой справочной моделью. Она используется при проектировании сетей данных, спецификаций работы и методов поиска неисправностей и решения проблем.

Хотя модели TCP/IP и OSI являются основными используемыми моделями, когда мы говорим о сетевой функциональности, проектировщики сетевых протоколов, служб и устройств могут создавать свои собственные модели для представления их продуктов. В конечном счете, проектировщикам приходится считаться с индустриальными стандартами, соотнося свой продукт или сервис либо с моделью OSI, либо с моделью TCP/IP, или же с ими обоими.

Модель TCP/IP

Первая  многоуровневая модель для сетевых коммуникаций была создана в ранних 1970-х и называлась моделью Интернета. Она определяла четыре категории или функции, которые должны происходить, чтобы коммуникации были успешными. Архитектура набора протоколов TCP/IP следует структуре этой модели. По этой причине модель Интернета обычно называют моделью TCP/IP.

Большинство протокольных моделей описывают  специфический для конкретного  производителя стек протоколов. Однако, поскольку модель TCP/IP является открытым стандартом, одна компания не может контролировать определение модели. Определения стандарта и протоколов TCP/IP обсуждаются на общественном форуме и определены в ряде общедоступных документов. Эти документы называются RFC. Они содержат как формальную спецификацию протоколов информационных коммуникаций, так и ресурсы, описывающие использование этих протоколов.

Документы RFC также содержат технические и  организационные документы, связанные  с Интернетом, включая технические спецификации и нормообразующие документы, выпускаемые Целевой Группой Инженерной Поддержки Интернета (англ. Internet Engineering Task Force или IETF).

Процесс Коммуникации

Модель TCP/IP описывает функциональность протоколов, составляющих набор протоколов TCP/IP. Эти протоколы, которые выполняются как на отправляющем, так и на принимающим хостах, взаимодействуют для обеспечения доставки сообщений от одного конца к другому по сети.

Полный процесс коммуникации включает следующие шаги:

1. Создание  данных на уровне Приложений  конечного устройства, порождающего  сообщение, или источника

2. Сегментация  и инкапсуляция данных в процессе их спуска вниз по стеку протоколов на конечном устройстве – источнике

3. Генерация  (передача) данных по соединению  на уровне Сетевого Доступа  стека

4. Транспортировка  данных по объединенной сети, состоящей из соединений и  различных промежуточных устройств

5. Прием  данных на уровне Сетевого  Доступа конечного устройства  назначения

6. Декапсуляция  и пересборка данных в процессе  их подъема по стеку на устройстве  назначения

7. Передача  этих данных приложению назначения  на уровне Приложений конечного  устройства назначения

Единицы Данных Протокола и Инкапсуляция

В то время, как к данные приложения спускаются вниз по стеку протоколов, на этом пути различные протоколы добавляют  информацию на каждом уровне стека, делая  возможной передачу данных по сети. Этот процесс принято называтьинкапсуляцией.

Форма, которую принимает фрагмент данных на каждом уровне, называетсяЕдиницей Данных Протокола. Во время инкапсуляции каждый последующий уровень инкапсулирует PDU, который он получает от уровня выше, в соответствии с используемым протоколом. На каждом этапе процесса PDU имеет различные названия, отражающие его новую форму. Хотя и не существует универсального соглашения об именовании единиц PDU, можно их называть, например, в соответствии с протоколами набора TCP/IP.

• Данные – Общий термин для PDU, используемый на Уровне Приложений
• Сегмент – PDU Транспортного Уровня
• Пакет – PDU Сетевого Уровня
• Фрейм – PDU Уровня Сетевого Доступа
• Биты – Единицы PDU, используемые при физической передаче данных через средство соединения (кабель, оптоволокно, радиоволны и т.п.)

Процесс Отправки и Получения

При отправке сообщений по сети, стек протоколов хоста работает с верху вниз. В примере веб сервера мы можем использовать модель TCP/IP для иллюстрации процесса отправки HTML страницы клиенту.

Протокол  уровня Приложений, HTTP, начинает процесс  доставки, форматируя данные HTML страницы для Транспортного уровня. Здесь  данные приложения разбиваются на TCP сегменты. Каждому TCP сегменту присваивается  подпись, называемая заголовком, которая содержит информацию о том, какой процесс на компьютере назначения должен получить сообщение. Также он содержит информацию, позволяющую процессу назначения заново собрать данные обратно к их исходному формату.

Транспортный  уровень инкапсулирует HTML данные веб  страницы в сегмент и отправляет его на Интернет уровень, где используется протокол IP. Здесь TCP сегмент целиком  инкапсулируется внутри IP пакета, который  добавляет другую подпись, называемую IP заголовком. IP заголовок содержит IP адреса хостов источника и назначения, а также информацию, необходимую  для доставки пакета к своему соответствующему процессу назначения.

Далее IP пакет посылается к протоколу Ethernet уровня Сетевого Доступа, где он инкапсулируется  между заголовком фрейма и трейлером. Каждый заголовок фрейма содержит физический адрес источника и назначения. Физический адрес уникальным образом идентифицирует устройства в локальной сети. Трейлер содержит информацию проверки ошибок. Наконец биты кодируются NIC адаптером сервера для передачи через Ethernet соединение.

Этот  процесс происходит в обратном порядке  на получающем хосте. В процессе получения данные декапсулируются при перемещении вверх по стеку, направляясь к своей финальной цели – приложению конечного устройства.

Модель OSI

• Уровень Приложений (Прикладной уровень) предоставляет средства для сквозной связности (возможности к соединению) между отдельными людьми в социальной сети посредством информационных сетей
• Уровень Представления обеспечивает общее представление данных, передаваемых между службами Прикладного уровня
• Уровень Сеанса (Сессионный уровень) предоставляет службы для уровня Представления, чтобы организовать их диалог и управлять обменом данных
• Транспортный уровень определяет службы для сегментации, передачи и повторной сборки данных для отдельных коммуникаций между конечными устройствами
• Сетевой уровень обеспечивает службы для обмена отдельными кусками данных по сети между определенными конечными устройствами
• Протоколы Канального уровня (слоя Канала Данных) описывают методы для обмена фреймами данных между устройствами в пределах одного общего средства связи
• Протоколы Физического уровня описывают механические, электрические, функциональные и процедурные средства для активации, обслуживания и деактивации физических соединений для передачи битов к и от сетевого устройства

Изначально модель OSI была спроектирована Интернациональной Организацией по Стандартизации (англ. International Organization for Standardization или сокр. ISO), чтобы обеспечить структуру, на основе которой можно было бы строить набор протоколов открытых систем. Видение было таким, что это множество протоколов будет использоваться для разработки интернациональной сети, которая не будет зависеть от частных систем.

Но, к  сожалению, скорость, с которой адаптировался Интернет, основанный на TCP/IP, и темп его распространения, привели к тому, что разработка Набора Протоколов OSI и его принятие к практическому использованию просто отстали. Хотя несколько протоколов, разработанных с использованием спецификаций OSI, на настоящий момент широко используются, так что семиуровневая модель OSI сделала значительный вклад в разработку других протоколов и продуктов для всех типов новых сетей.

Как справочная модель, модель OSI предоставляет  исчерпывающий список функций и  служб, которые могут происходить  на каждом уровне. Также она описываетвзаимодействие каждого уровня с уровнями, сразу следующими за ним (уровень стека ниже) и перед ним (уровень стека выше).

Заметьте, что на уровни модели TCP/IP ссылаются  только по имени, тогда как на семь уровней модели OSI чаще ссылаются  по номеру, а не по имени.

Сравнение Модели OSI с Моделью TCP/IP

Протоколы, составляющие набор TCP/IP, можно описать  в терминах справочной модели OSI. В модели OSI уровень Сетевого Доступа и уровень Приложений модели TCP/IP разделяются еще на несколько уровней, чтобы описать отдельные функции, которые происходят на этих уровнях.

На  Уровне Сетевого Доступа набор протоколов TCP/IP не указывает, какие протоколы  использовать при передаче через физическое соединение; он только описывает переход от Сетевого Уровня к физическим сетевым протоколам. Уровни OSI 1 и 2 обсуждают необходимые процедуры для доступа к соединению и физические средства для отправки данных по сети.

Основные  параллели между двумя сетевыми моделями проходят на Уровнях 3 и 4 модели OSI. Уровень 3 Модели OSI, Сетевой уровень, едва ли не повсюду используется для  обсуждения и документирования ряда процессов, которые происходят во всех сетях данных для адресации и  маршрутизации сообщений по сети. Интенет Протоколявляется протоколом набора TCP/IP, который включает функциональность, описанную на Уровне 3.

Уровень 4, Транспортный уровень модели OSI, часто  используется для описания главных  служб или функций, которые управляют  отдельными диалогами между хостами  источника и назначения. Эти функции  включают подтверждение (уведомление  о получении), восстановление после ошибок и упорядочение. На этом уровне протоколы TCP/IP и UDP обеспечивают необходимую функциональность.

Уровень Приложений TCP/IP включает ряд протоколов, которые обеспечивают специфическую  функциональность множеству приложений конечного пользователя. Уровни 5, 6 и 7 модели OSI используются как справочные разработчиками ПО приложений и производителями, чтобы выпускать продукты, требующие  доступа к сетям для осуществления коммуникаций.