Как общаются компьютеры? Модель OSI

Как общаются компьютеры? Модель OSI

Современная глобальная сеть разрослась до масштабных размеров, сегодня невозможно представить наш мир без использования инновационных технологий и девайсов, но как же происходит коммуникация между несколькими сетевыми устройствами в сети?

На этот вопрос отвечает модель OSI, описывающая взаимодействие устройств. Данная эталонная концептуальная модель состоит из семи уровней, каждый из которых отвечает за конкретную задачу, и сетевых протоколов — определенных наборов правил и действий, предназначенных для достижения конкретных целей.

1-й уровень модели OSI — физический. Компьютеры и различные сетевые устройства оперируют электрическими сигналами, а если быть точнее — импульсами с разной частотой, если данные передаются по проводам, или же оперируют радиоволнами, если используется беспроводное соединение. Бит — минимальная единица измерения информации. Вся информация на самой нижней ступени данной модели передается через физические каналы связи: оптоволоконные провода, коаксиальный кабель, витая пара, спутники, антенны, приёмники беспроводных каналов. Протоколы проводной связи — Ethernet, Token ring, FDDI, протоколы беспроводной связи — Wi-Fi, Bluetooth. Физический уровень не несет ответственность за качество передачи, сохранность и целостность данных, его задача — передача данных в виде импульсов и радиоволн с частотами (0 и 1) через каналы связи.

2-й уровень модели OSI — канальный. Данный уровень формируют кадры (фреймы). Кадр — битовая цепочка упакованных данных, которая определяет начало и конец передаваемых данных, адрес получателя и адрес отправителя. Также на данном слое модели OSI решаетcя проблема адресации и исправления ошибок при передаче информации. Протоколы: MAC и LLC. Итак, информация должна быть доставлена определенному компьютеру в сети, но как наш компьютер должен идентифицировать другую вычислительную машину в сети? Стал использоваться MAC-адрес — уникальный номер, состоящий из 48 бит, который “вшивается” в сетевую карту каждого устройства при его изготовлении. Для работы с MAC-адресами был разработан протокол MAC – Media Access Control, а также было создано сетевое устройство, которое благодаря протоколу MACмогло осуществлять адресацию — коммутатор (switch). Коммутатор имеет таблицу MAC-адресов, в которую он смотрит при получении кадра. Сетевое устройство сравнивает MAC-адрес получателя, указанный во фрейме, находит в сети устройство с данным MAC-адресом и отправляет ему данные. Второй же протокол, протокол LLC — Logic Link Control, занимается проверкой и исправлением данных. Алгоритмы данного протокола позволяют обнаруживать ошибки при передаче данных, исправлять их, а также восстанавливать кадры при их потере.

3-й уровень модели OSI — сетевой. Что же происходит здесь? На данном этапе происходит передача данных из локальной сети в глобальную и наоборот. Говоря простыми словами — выход в Интернет. Сетевой уровень отвечает за маршрутизацию, для чего были созданы маршрутизаторы, наши все известные роутеры. Задача маршрутизации решается благодаря протоколу ARP. С помощью него MAC-адреса преобразуются в IP-адреса и наоборот. IP-адрес — уникальный номер компьютера в сети. IP делятся на два типа: динамические и статические. Динамические изменяются со временем, при выходе в Интернет IP-адрес такого типа будет не постоянен, а статические постоянно остаются неизменными, при подключении к сети IP-адрес будет одним и тем же. Для обычных пользователей выделяются динамические IP-адреса, а, например, для сайтов компаний, IP-адрес которой в сети должен быть постоянно один и тот же, выделяется статический IP-адрес. Теперь уже IP-адрес получателя, IP-адрес отправителя, дополнительная метаинформация и данные формируют уже не фрейм, как это было на прошлом уровне, а пакет. Пакет — блок данных определенной длины, который состоит из заголовка, данных и концевика. Пакеты хранят в себе информацию сетевого уровня, такую как: IP-адрес отправителя, IP-адрес получателя, преамбула (начало пакета), время жизни, протокол, контрольная сумма. Данный пакет нужно отправить из нашей локальной домашней сети в другую локальную сеть, как это сделать? Для этого и была придумана маршрутизация пакетов. Маршрутизация представляет собой процесс нахождения оптимального маршрута при передаче данных из одной сети в другую сеть. Изначально пакет с данными отправляется на домашний роутер, далее этот пакет отправляется через оптоволоконные провода или через спутники другому роутеру, он ищет ещё роутер, который меньше всего загружен, пакет с нашими данными проходит огромное количество роутеров, двигаясь по всему миру, и ищет наиболее быстрый путь для достижения получателя. Пакет не один, их может передаваться огромное множество, все зависит от величины передаваемых данных. Итак, на данном этапе формируются пакеты и осуществляется маршрутизация.

4-й уровень модели OSI — транспортный. Данный уровень отвечает за передачу данных, он формирует сегменты. Сегмент — блок данных с заголовком и информацией транспортного уровня, предназначенный для передачи по сети. Какая информация добавляется в сегмент? Как пример — тип протокола транспортного уровня и порт. На данном уровне OSI существует два протокола: TCP и UDP. Рассмотрим каждый из них. TCP (Transmission Control Protocol) отвечает за надежную передачу пакетов, он следит за целостностью данных, следит за порядком пакетов, способен восстанавливать данные, если они были утеряны, искажены или вовсе не дошли до адресата. В целом TCP надежен, но при всех своих преимуществах данный протокол медленнее, чем UDP. Протокол TCP используется там, где важна надежность, целостность и сохранность данных, это касается картинок, текстов, файлов. UDP (User Datagram Protocol) отвечает за передачу тех данных, где больше важна скорость передачи пакетов, нежели сама целостность. Данный протокол не следит за сохранностью данных, за порядком пакетов, он лишь быстро передает их по сети. В целом данный протокол быстрее, чем TCP, но менее надежный. Протокол UDP используется там, где важна скорость передачи данных, это касается видео, аудио или игр.

5-й уровень модели OSI — сеансовый. Данный уровень отвечает за поддержку сеанса связи. Он обеспечивает параллельный обмен данными между субъектами коммуникации по сети, позволяет взаимодействовать между собой долгое время. В этой области происходит обмен информацией, синхронизация задач, определяется право или запрет на передачу данных, осуществляется поддержание сеанса в периоды неактивности приложений. Очень простой пример: во время общения по видеозвонку сеансовый уровень позволяет выводить видео и аудио синхронизировано и параллельно у двух участников разговора без искажений, поблагодарите сеансовый уровень за это!

6-й уровень модели OSI — представительский. Как мы определили, предыдущие пять уровней информация передавалась в виде битов, теперь же предпоследний «слой» структуры OSI отвечает за трансформацию 0 и 1 в понятный для человека формат. Здесь 0 и 1 преобразовываются в картинки, видео, аудио и текст благодаря различным кодировкам и программам для сжатия. Кодировки ASCII и UTF для текста, MP3 и WAV для аудио, AVI, MP4 и MOV для видео, JPG, JPEG и PNG для картинок.

7-й уровень модели OSI — прикладной. Данный уровень отвечает за то, чтобы представлять данные для пользователя, здесь находятся все службы и сервисы, которые дают возможность пользователю получать ресурсы в интернете. Прикладной уровень — это некий «графический интерфейс» для всех предыдущих уровней модели OSI. В этой области пользователи могут взаимодействовать с информацией и с различными ресурсами посредством протоколов. На «крыше» модели OSI расположились такие протоколы как: HTTPS, DNS, FTP, SMTP. Например HTTPS (Hyper Text Transfer Protocol Secure) позволяет нам безопасно взаимодействовать с гипертекстовыми документами, DNS (Domain Name System) позволяет переименовывать IP адреса в понятный для человека в вид, что позволяет делать запросы не напрямую к чистым IP адресам, а к доменным именам, например «yandex.ru», FTP (File Transfer Protocol) позволяет передавать файлы по сети, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) используется для передачи сообщений электронной почты и прикрепленных файлов. Как вы уже поняли, 7-й уровень модели облегчает взаимодействие в сети интернет.

В данной статье мной была разобрана концептуальная структура взаимодействия между несколькими сетевыми устройствами в глобальной сети Интернет, данные основы необходимо знать для хорошего понимания того, как устроены современные технологические коммуникации. Надеюсь, вам понравилось!