Эталонная семиуровневая модель OSI

Протоколы сетевого уровня реализуются  программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Протоколы сетевого уровня, в общем, отвечают за адресацию и маршрутизацию при межсетевом обмене. Обеспечивается фрагментация и сборка передаваемых транспортным уровнем данных, а также маршрутизация и продвижение их по сети от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю.

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

• IP (Internet Protocol) протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP, который предоставляет адресную и маршрутную информацию. Используется для ненадёжной доставки данных (разделяемых на так называемые пакеты) от одного узла сети к другому. Это означает, что на уровне этого протокола не даётся гарантий надёжной доставки пакета до адресата;
• IPX (Internetwork Packet Exchange) протокол межсетевого обмена пакетами, предназначенный для адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell;
• X.25 - международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов (частично этот протокол реализован на уровне 2);
• CLNP (Connection Less Network Protocol - бесконтактный сетевой протокол) - это дейтаграммный протокол передачи данных, функционально очень похожий на протокол IP в Internet. В протоколе нет средств определения и исправления ошибок (эти функции возлагаются на транспортный уровень).
• ICMP (Internet Control Message Protocol - межсетевой протокол управляющих сообщений) - сетевой протокол, использующийся для передачи сообщений об ошибках и других исключительных ситуациях, возникших при передаче данных. Также на ICMP возлагаются некоторые сервисные функции.
• IPsec (сокращение от IP Security) - набор протоколов для обеспечения защиты данных, передаваемых по межсетевому протоколу IP, позволяет осуществлять подтверждение подлинности и/или шифрование IP-пакетов. IPsec также включает в себя протоколы для защищённого обмена ключами в сети Интернет.

 

 

1.2.6. Канальный уровень (Data Link)

 

Единицей информации канального уровня являются кадры. Задача канального уровня передавать кадры от сетевого уровня к физическому уровню.

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.

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.

Задача канального уровня - брать  пакеты, поступающие с сетевого уровня и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Этот уровень обязан определить, где начинается и где заканчивается блок, а также обнаруживать ошибки передачи.

На этом же уровне определяются правила  использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной передачи данных) ошибки.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.Х делят канальный уровень на два подуровня:

• LLC (Logical Link Control) управление логическим каналом осуществляет логический контроль связи. Подуровень LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня и связан с передачей и приемом пользовательских сообщений.
• MAC (Media Assess Control) контроль доступа к среде. Подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и управляет доступом к каналу связи. Подуровень LLC находится выше подуровня МАC.

Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей  посредством процедуры передачи данных по каналу. При больших размерах передаваемых блоков данных канальный  уровень делит их на кадры и  передает кадры в виде последовательностей. При получении кадров уровень формирует из них переданные блоки данных. Размер блока данных зависит от способа передачи, качества канала, по которому он передается.

В локальных сетях протоколы  канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.[10]

Канальный уровень может выполнять  следующие виды функций:

1. Организация (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификация их портов.
2. Организация и передача кадров.
3. Обнаружение и исправление ошибок.
4. Управление потоками данных.
5. Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

Наиболее часто используемые протоколы на канальном уровне включают:

• HDLC (High Level Data Link Control) - протокол управления каналом передачи данных высокого уровня, для последовательных соединений;
• IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) - обеспечивают MAC для сред 802.x;
• Ethernet - сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов;
• Token ring - сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;
• FDDI (Fiber Distributed Date Interface Station) - сетевая технология по стандарту IEEE 802.6, использующая оптоволоконный носитель;
• X.25 - международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов;
• Frame relay - сеть, организованная из технологий Х25 и ISDN.

Протоколы канального уровня предназначены для: управления каналом передачи данных, управления доступом к среде передачи, передачи данных по каналу, обнаружения ошибок в канале и их коррекция:

• IEEE 802 – семейство стандартов

Технологии плотного спектрального  разделения каналов:

• ITU G.694.1 - DWDM
• ITU G.694.2 - CWDM
• ITU G.703/G.704 - Семейство технологий цифровой абонентской линии DSL:
• ITU-T G.991.1 - HDSL (High Data Rate Digital Subscriber Line) - Высокоскоростная цифровая абонентская линия. Это первая технология высокоскоростной передачи данных по скрученным медным парам телефонных кабелей, использующая высокие частоты
• ITU-T G.991.2 - HDSL2
• ITU-T G.992.1 - ADSL - Приёмопередатчики асимметричной цифровой абонентской линии "Интернационализированная" версия стандарта T1.413.i2
• ITU-T G.992.1 - ADSL - Приёмопередатчики бессплиттерной цифровой абонентской линии
• ITU-T G.993 - VDSL
• ITU-T G.994.1 - Процедуры подтверждения установления соединения приёмопередатчиков цифровой абонентской линии DSL (Облегчает совместную работу модемов G.992.1 и G.992.2)
• ITU-T G.995.1 - Обзор рекомендаций цифровой абонентской линии DSL
• ITU-T G.996.1 - Процедуры тестирования оборудования цифровой абонентской линии DSL
• ITU-T G.997.1 - Управление физическим уровнем приёмопередатчиков цифровой абонентской линии DSL (Включает вопросы обеспечения нормальной работы, административные функции и эксплуатационное обслуживание модемов xDSL)

 

1.2.7. Физический уровень (Physical Layer)

 

Физический уровень предназначен для сопряжения с физическими  средствами соединения¹⁷. Физическая среда является основой, на которой строятся физические средства соединения. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц.

Физический уровень состоит  из подуровня стыковки со средой и подуровня преобразования передачи.

Первый из них обеспечивает сопряжение потока данных с используемым физическим каналом связи. Второй осуществляет преобразования, связанные с применяемыми протоколами. Физический уровень обеспечивает физический интерфейс с каналом  передачи данных, а также описывает процедуры передачи сигналов в канал и получения их из канала. На этом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические /оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:

• тип кабелей и разъемов;
• разводку контактов в разъемах;
• схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.

Физический уровень выполняет  следующие функции:

1. Установление и разъединение физических соединений.
2. Передача сигналов в последовательном коде и прием.
3. Прослушивание, в нужных случаях, каналов.
4. Идентификация каналов.
5. Оповещение о появлении неисправностей и отказов.

Оповещение о появлении неисправностей и отказов связано с тем, что  на физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий, мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря механического контакта и т. д.). Виды сервиса, предоставляемого канальному уровню, определяются протоколами физического уровня. Прослушивание канала необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем, но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи. В ряде случаев для более четкого определения структуры физический уровень разбивается на несколько подуровней. Например, физический уровень беспроводной сети делится на три подуровня (рисунок. 4).

Рисунок 4. Физический уровень беспроводной локальной сети.

 

Функции физического уровня реализуются  во всех устройствах, подключенных к  сети. Со стороны компьютера функции  физического уровня выполняются  сетевым адаптером. Повторители  являются единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне.

Выполняется преобразование данных, поступающих от более высокого уровня, в сигналы передающие по кабелю. В глобальных сетях на этом уровне могут использоваться модемы и интерфейс RS-232C. В локальных сетях для преобразования данных применяют сетевые адаптеры, обеспечивающие скоростную передачу данных в цифровой форме. Пример протокола физического уровня - это широко известный интерфейс RS-232C / CCITT V.2, который является наиболее широко распространенной стандартной последовательной связью между компьютерами и периферийными устройствами.[11]

Можно считать этот уровень, отвечающим за аппаратное обеспечение.

Физический уровень может обеспечивать как асинхронную (последовательную) так и синхронную (параллельную) передачу, которая применяется для некоторых мэйнфреймов и миникомпьютеров. На физическом уровне должна быть определена схема кодирования для представления двоичных значений с целью их передачи по каналу связи. Во многих локальных сетях используется манчестерское кодирование.

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:

• EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса;
• EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса;
• Ethernet – сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов;
• Token ring – сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;

 

2. ЧЕТЫРЕХУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ TCP/IP

 

Набор многоуровневых протоколов, или  как называют стек TCP/IP, предназначен для использования в различных вариантах сетевого окружения. Стек TCP/IP, с точки зрения системной архитектуры, соответствует эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection - взаимодействие открытых систем) и позволяет обмениваться данными по сети приложениям и службам, работающим практически на любой платформе, включая Unix, Windows, Macintosh и другие.

 

Рисунок 5. Соответствие семиуровневой модели OSI и четырехуровневой модели TCP/IP.