Сетевая инфраструктура технологий Интернет

По проводу можно переслать биты только из одного его конца в другой. Internet же переедет данные в различные точки, расположенные по всему миру благодаря сетевому (межсетевому) уровню в эталонной модели ISO OSI.

В модели OSI, называемой также моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI) и разработанной Международной Организацией по Стандартам (International Organization for Standardization - ISO), средства сетевого взаимодействия делятся на семь уровней, для которых определены стандартные названия и функции.

В основе модели OSI – два ключевых принципа:

1. Концепция открытых систем. Каждый уровень модели имеет строго определенные сетевые функции. Это означает, что две различные сетевые системы, поддерживающие функции соответствующего уровня, могут обмениваться данными на этом уровне.

2. Концепция однорангового соединения типа «точка-точка». Данные, сформированные на конкретном уровне модели, предназначены только соответсвующему уровню другого устройства. Иначе говоря, для выполнения закрепленных за ними сетевых функций уровни-посредники не изменяют «чужие» данные, а просто добавляют свою информацию к обнаруженным в пакете данным.

Пытаясь упорядочить подход к рассмотрению сетевых протоколов, Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) создала семиуровневую модель, определяющую основные функции сети, которая называется эталонной моделью взаимодействия открытых систем – OSI Reference Model.

Таблица 1

Сетевые уровни и протоколы TCP/IP

Уровень модели OSI	Функции (вопросы)	Передаваемая информация	Протоколы TCP/IP
Прикладной	Какие данные я должен передать адресату?	Сообщения приложений	FTP, HTTP, SNMP, DNS
Представления данных	Как должны выглядеть данные?	Зашифрованные или сжатые
Сеансовый	Кто мой адресат?	Сообщения сеанса
Транспортный	Где находится адресат?	Серии пакетов	TCP, UDP
Сетевой	Каким маршрутом нужно следовать, чтобы добраться до адресата?	Пакеты	IP, ARP
Канальный	Какие шаги я должен сделать, чтобы пройти по этому маршруту?	Фреймы	Ethernet, PPP
Физический	Как для этого использовать среду передачи данных (кабели и т.д.)	Биты	Оборудование сети

В большинстве случаев существующие сети построены не в строгом соответствии с эталонной моделью OSI; она служит лишь руководством для понимания коммуникационных процессов. Рассмотрим коротко основные функции уровней модели OSI.

Физический уровень выполняет передачу битов по физическим каналам, таким, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. На этом уровне определяются характеристики физических сред передачи данных и параметров электрических сигналов.

Канальный уровень обеспечивает передачу кадра данных между любыми узлами в сетях с типовой топологией либо между двумя соседними узлами в сетях с произвольной топологией. В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Адреса, используемые на канальном уровне в локальных сетях, часто называют МАС-адресами.

Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных.

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между любыми узлами сети с требуемым уровнем надежности. Для этого на транспортном уровне имеются средства установления соединения, нумерации, буферизации и упорядочивания пакетов.

Сеансовый уровень предоставляет средства управления диалогом, позволяющие фиксировать, какая из взаимодействующих сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации в рамках процедуры обмена сообщениями.

Уровень представления. В отличии от нижележащих уровней, которые имеют дело с надежной и эффективной передачей битов от отправителя к получателю, уровень представления имеет дело с внешним представлением данных. На этом уровне могут выполняться различные виды преобразования данных, такие как компрессия и декомпрессия, шифровка и дешифровка данных.

Прикладной уровень - это в сущности набор разнообразных сетевых сервисов, предоставляемых конечным пользователям и приложениям. Примерами таких сервисов являются, например, электронная почта, передача файлов, подключение удаленных терминалов к компьютеру по сети.

При построении транспортной подсистемы наибольший интерес представляют функции физического, канального и сетевого уровней, тесно связанные с используемым в данной сети оборудованием: сетевыми адаптерами, концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. Функции прикладного и сеансового уровней, а также уровня представления реализуются операционными системами и системными приложениями конечных узлов. Транспортный уровень выступает посредником между этими двумя группами протоколов.

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Стек TCP/IP

Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

I. Прикладной уровень – обеспечивает приложениям доступ к сервисам других уровней и определяют протоколы, по которым приложения могут обмениваться данными За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие

II. Транспортный уровень Предоставляет прикладному уровню сеансовые коммуникационные службы.

- TCP (Transmission Control Protocol) – обеспечивает надежную, требующую логического соединения связь только между двумя компьютерами. Отвечает за установление соединения, упорядочивание посылаемых пакетов и восстановление пакетов, потерянных в процессе передачи.

- UDP (User Datagram Protocol) – обеспечивает ненадежную, не требующую логического соединения связь. Используется, когда объем данных невелик (например, данные могут уместиться в одном пакете), когда издержки установления TCP соединения нежелательны либо когда протоколы верхнего уровня или приложения гарантируют надежную доставку. UDP используется для передачи данных на несколько компьютеров с использованием многоадресной рассылки, например, многоадресная рассылка потокового мультимедиа при проведении видеоконференций в реальном времени.

III. Межсетевой уровень определяет официальный формат пакета и протокол, называемый IP (Internet Protocol). Задачей межсетевого протокола является доставка IP-пакетов к пунктам назначения. Основными аспектами здесь являются выбор маршрута пакета. Поэтому можно утверждать, что межсетевой уровень модели TCP/IP функцио­нально близок сетевому уровню модели OSI

- IP (Internet Protocol – межсетевой протокол) – маршрутизируемый протокол, отвечающий за IP-адресацию, маршрутизацию, фрагментацию и восстановление пакетов. В его задачу входит продвижение пакета между сетями – от одного маршрутизатора до другого до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней протокол IP разворачивается не только на хостах, но и на всех шлюзах (маршрутизаторах). Этот протокол работает без установления соединения, без гарантированной доставки.

- ARP (Address Resolution Protocol) – обеспечивает преобразование адресов межсетевого уровня (IP-адресов) в адреса уровня сетевого интерфейса (МАС-адреса)

- ICMP (Internet Control Message Protocol) – поддерживает диагностические функции и сообщает об ошибках в случае неудачной доставки IP-пакетов

- IGMP (Internet Group Management Protocol) – управляет членством компьютера (хоста) в группах. Хосты входящие в группу слушают трафик, направляемый на определенный адрес (адрес групповой рассылки) и принимают все пакеты, присылаемые на этот адрес.

IV. Уровень сетевых интерфейсов. Уровень сетевых интерфейсов в стеке TCP/IP отвечает за организацию взаимодействия с технологиями сетей, входящими в составную сеть. Этот уровень в стеке TCP/IP не регламентируется. Он поддерживает все популярные технологии (Ethernet, TokenRing и т.д.). Обычно при появлении новой сетевой технологии она быстро включается в стек TCP/IP путем разработки соответствующей документации

Сходства моделей OSI и TCP/II:

- Обе модели содержат уровни

- Обе модели имеют уровни приложений, хотя в них входят разные службы

- Обе модели имеют практически одинаковые транспортный и сетевой уровни

- В обоих случаях подразумевается использования коммутации пакетов, а не коммутации каналов

Различия моделей OSI и TCP/II

- В модели TCP/IP уровень представлений и сеансовый уровни объединены в один – уровень приложений TCP/IP

- В модели TCP/IP уровень канального доступа и физический уровень модели OSI объединены в один уровень сетевых интерфейсов

- Модель TCP/IP выглядит проще, поскольку содержит меньше уровней

- Транспортный уровень модели TCP/IP, использующий протокол UDP в отличие от транспортного уровня модели OSI, не гарантирует доставку пакетов.