Мережева модель OSI для чайників

OSI – це семирівнева концептуальна модель комп’ютерної мережі з вертикальною структурою. Розшифровується з англійської як Open Systems Interconnection Basic Reference Model. Розроблена у 1980-х роках Міжнародною організацією зі стандартизації (ISO) під керівництвом Чарльза Бахмана (лауреат премії Тюрінга). У системі ISO відома під кодовою назвою ISO/IEC 7498.

Кожен рівень OSI-моделі працює як окремий модуль, має свої протоколи та виконує окремі функції. Рівні 1-3 забезпечують фізичний доступ до мережі, а рівні 3-7 призначені для підтримки логічного з’єднання.

Тим не менш, модель абстрактна і використовується лише як еталон для вивчення і розуміння комп’ютерних мереж. У цій статті ми коротко розглянемо кожен із 7 шарів-рівнів OSI.

L1. Фізичний рівень

Фізичний рівень (англ. Physical Layer) – це найнижчий рівень семирівневої OSI-моделі. Він здійснює передачу бітів по фізичних каналах зв’язку: оптоволокно, вита пара, коаксіальний кабель, радіоканал. На цьому рівні працюють концентратори і повторювачі сигналу, інтерфейси V.24 CCITT, RS-232, X.21, ISDN, Ethernet/IEEE802.3, IEEE802.5, FDDI та ін.

L2. Канальний рівень

Канальний рівень (англ. Data Link Layer) – отримані на фізичному рівні біти, канальний рівень перетворює у кадри, виявляє помилки і коректує їх. Містить 2 підрівні управління: MAC (Media Access Control) та LAC (Logical Link Control). Фактично, канальний рівень забезпечує надійну передачу даних з фізичного у наступні рівні (налагоджує канал). Протоколи канального рівня: ATM, PPPoE, HDLC, ADCCP.

L3. Мережевий рівень

Мережевий рівень (англ. Network Layer) – здійснює зв’язок між вузлами (абонентами), тобто надсилає пакети даних до адресата, встановлює мережу. Мережевий рівень відповідає за адресацію і маршрутизацію (управління потоками даних). Ним здійснюється також обробка помилок і мультиплексування. На цьому рівні працюють маршрутизатори і функціонують протоколи IP, ICMP, IGMP, ARP, OSPF.

L4. Транспортний рівень

Транспортний рівень (англ. Transport Layer) – забезпечує передачу даних між програмними компонентами (сервісами, додатками, сеансами, процесами), здійснює управління рухом цих пакетів. Підтримує сегментацію та мультиплексування. Протоколи транспортного рівня: TCP/UDP, SST, FCP, SPX, SCTP, RUDP, NBF, IL, DCCP, CUDP, ATP.

L5. Сеансовий рівень

Сеансовий рівень (англ. Session Layer) – координує та підтримує сеанс з’єднання, дозволяючи програмним засобам взаємодіяти між собою тривалий час. Визначає порти для прийому або передачі даних. Протоколи сеансового рівня: SCP, RDP, L2TP, L2F, SAP, ASP, SIP, NetBIOS, PPTP, RTP, RPC, ADSP, H.245, SOCKS, API.

L6. Рівень представлення даних

Рівень представлення даних (англ. Presentative Layer) – здійснює інтерпретацію даних, відповідає за кодування і декодування, тобто перетворює у формат, зрозумілий програмним засобам. Відбувається перетворення з кадру в екранний формат. Також на цьому рівні відбувається стиснення, шифрування даних. Протоколи шостого рівня OSI: ASCII, XML, TLS/SSL, HTML, DOC, MP3, AVI, MPEG, JPEG, GIF та ін.

L7. Прикладний рівень

Прикладний рівень (англ. Application Layer) – самий верхній, сьомий рівень OSI-моделі. Забезпечує взаємодію мережі і користувача. Рівень дозволяє програмам отримувати доступ до мережевих служб, здійснювати запити до баз даних, мати доступ до файлів, пересилати електронну пошту. На цьому рівні працюють веб-сайти, програми, застосунки, різні додатки. Протоколи рівня: HTTP, SSH, FTP, Telnet, DNS, IMAP/POP/SMTP та ін.

👉 Корисні матеріали за темою:

Рівні моделі OSI: Вступний посібник

Модель Open System Interconnect (OSI) працює як керівництво для розробників і постачальників щодо створення сумісних і безпечних програмних рішень.

Ця модель описує тонкощі потоків даних у мережі, протоколи зв’язку, такі як TCP, і відмінності між інструментами та технологіями.

Хоча багато хто стверджує про актуальність рівнів моделі OSI, вона справді актуальна, особливо в епоху кібербезпеки.

Знання рівнів моделі OSI допоможе вам оцінити технічні вразливості та ризики, пов’язані з програмами та системами. Це також може допомогти командам визначити та розрізнити розташування даних і фізичний доступ, а також визначити свою політику безпеки.

У цій статті ми глибше розглянемо рівні моделі OSI та дослідимо їх важливість для користувачів і бізнесу.

Що таке модель взаємодії відкритих систем (OSI)?

Модель Open System Interconnect (OSI) — це еталонна модель, що складається з семи рівнів, які використовуються комп’ютерними системами та програмами для зв’язку з іншими системами через мережу.

Модель розбиває процеси передачі даних, стандарти та протоколи на сім рівнів, де кожен із них виконує певні завдання, пов’язані з надсиланням і отриманням даних.

Модель OSI була розроблена Міжнародною організацією зі стандартизації (ISO) у 1984 році і є першим стандартним довідником, який визначає, як системи повинні спілкуватися в мережі. Цю модель взяли на озброєння всі провідні телекомунікаційні та комп’ютерні компанії.

Модель являє собою візуальний дизайн, де сім шарів розміщені один на одному. В архітектурі моделі OSI нижній рівень обслуговує верхній рівень. Таким чином, коли користувачі взаємодіють, дані проходять через ці рівні в мережі, починаючи з вихідного пристрою, а потім прямують вгору через рівні до пристрою-одержувача.

Модель OSI включає різні додатки, мережеве обладнання, протоколи, операційні системи тощо, щоб дозволити системам передавати сигнали через фізичні середовища, такі як волоконна оптика, мідна вита пара, Wi-Fi тощо, у мережі.

Ця концептуальна основа може допомогти вам зрозуміти взаємозв’язки між системами та спрямована на те, щоб скерувати розробників і постачальників у створенні сумісних програмних програм і продуктів. Крім того, він сприяє структурі, що описує функціонування телекомунікаційних і мережевих систем, що використовуються.

Чому вам потрібно знати модель OSI?

Розуміння моделі OSI є важливим у розробці програмного забезпечення, оскільки кожна програма та система працюють на основі одного з цих рівнів.

Фахівці з ІТ-мереж використовують модель OSI для концептуалізації потоків даних у мережі. Ці знання є цінними не лише для постачальників програмного забезпечення та розробників, але й для студентів, які хочуть скласти іспити, наприклад сертифікацію Cisco Certified Network Associate (CCNA).

Деякі з переваг вивчення рівнів моделі OSI:

• Розуміння потоку даних: модель OSI дозволяє операторам мережі легко зрозуміти, як дані проходять у мережі. Це допомагає їм зрозуміти, як апаратне та програмне забезпечення працюють разом. Використовуючи цю інформацію, ви можете створити кращу систему з підвищеною безпекою та стійкістю за допомогою відповідного програмного та апаратного забезпечення.
• Просте усунення несправностей: усунення несправностей стає легшим, оскільки мережа розділена на сім рівнів із власними функціями та компонентами. Крім того, фахівцям потрібно менше часу на діагностику проблеми. Ви можете фактично визначити мережевий рівень, відповідальний за виникнення проблем, щоб перенести увагу на цей конкретний рівень.
• Сприяє сумісності: розробники можуть створювати системи програмного забезпечення та пристрої, сумісні, щоб вони могли легко взаємодіяти з продуктами інших постачальників. Це підвищує функціональність цих систем і дозволяє користувачам працювати ефективніше.

Ви можете визначити, з якими компонентами та деталями повинні працювати їхні продукти. Це також дає змогу повідомляти кінцевим користувачам мережевий рівень, на якому працюють ваші продукти та системи, чи то на технологічному стеку, чи лише на певному рівні.

Різні рівні моделі OSI

Фізичний рівень

Фізичний рівень — це самий нижній і перший рівень у моделі OSI, який описує фізичне та електричне представлення системи.

Він може включати тип кабелю, розташування контактів, радіочастотну лінію, напругу, тип сигналу, тип роз’ємів для підключення пристроїв тощо. Він відповідає за бездротове або фізичне кабельне з’єднання між різними вузлами мережі, сприяє передачі необроблених даних і контролює швидкість передачі даних.

На цьому рівні необроблені дані в бітах або 0 та 1 перетворюються на сигнали та обмінюються ними. Це вимагає синхронізації відправника та одержувача, щоб забезпечити плавну передачу даних. Фізичний рівень забезпечує інтерфейс між різними пристроями, середовищами передачі та типами топології для мереж. Необхідний тип режиму передачі також визначається на фізичному рівні.

Використовувана топологія мережі може бути шиною, кільцем або зіркою, а режим може бути симплексним, повнодуплексним або напівдуплексним. Пристроями на фізичному рівні можуть бути роз’єми кабелю Ethernet, повторювачі, концентратори тощо.

Якщо виявлено проблему з мережею, спеціалісти з мережевих мереж спочатку перевіряють, чи все на фізичному рівні працює нормально. Вони можуть почати з перевірки кабелів, чи вони під’єднані належним чином, і чи штепсель живлення підключено до системи, наприклад, маршрутизатора, серед інших кроків.

• Визначення фізичної топології, способу розташування пристроїв і систем у даній мережі
• Визначення режиму передачі – це спосіб передачі даних між двома підключеними пристроями в мережі.
• Бітова синхронізація з годинником, який керує одержувачем і відправником на рівні бітів.
• Контроль швидкості передачі даних

Канальний рівень даних

Канальний рівень вище фізичного рівня. Він використовується для встановлення та припинення з’єднань між двома з’єднаними вузлами, присутніми в мережі. Цей рівень розділяє пакети даних на різні кадри, які потім йдуть від джерела до місця призначення.

Канальний рівень складається з двох частин:

• Logical Link Control (LLC) виявляє мережеві протоколи, синхронізує кадри та перевіряє помилки.
• Контроль доступу до медіа (MAC) використовує MAC-адреси для зв’язування пристроїв і встановлення дозволів на передачу даних.

MAC-адреси — це унікальні адреси, призначені кожній системі в мережі, які допомагають ідентифікувати систему. Ці 12-значні номери є системами фізичної адресації, які контролюються на канальному рівні мережі. Він контролює, як різноманітні мережеві компоненти отримують доступ до фізичного середовища.

Приклад: MAC-адреси можуть містити 6 октетів, наприклад 00:5e:53:00:00:af, де перші три числа відповідають організаційно-унікальним ідентифікаторам (OUI), а останні три відповідають контролеру мережевого інтерфейсу (NIC). .

• Виявлення помилок: виявлення помилок відбувається на цьому рівні, але не виправлення помилок, яке відбувається на транспортному рівні. У деяких випадках у сигналах даних виявляються небажані сигнали, які називаються бітами помилок. Щоб усунути цю помилку, помилку потрібно спочатку виявити за допомогою таких методів, як контрольна сума та перевірка циклічної надлишковості (CRC).
• Контроль потоку: передача даних між одержувачем і відправником через носій має відбуватися з однаковою швидкістю. Якщо дані у вигляді кадру надсилаються швидше, ніж швидкість, з якою отримувач отримує дані, деякі дані можуть бути втрачені. Щоб вирішити цю проблему, канальний рівень використовує деякі методи керування потоком, щоб підтримувати постійну швидкість по лінії передачі даних. Ці методи можуть бути:
  • Метод ковзного вікна, де обидва кінці вирішуватимуть, скільки кадрів потрібно передати. Це економить час і ресурси під час передачі.
  • Механізм зупинки та очікування вимагає, щоб відправник зупинився та почав чекати одержувача після того, як дані будуть передані. Відправник повинен дочекатися, доки він не отримає підтвердження від одержувача, що він отримав дані.

  Канальний рівень також використовує такі пристрої, як мости та комутатори рівня 2. Мости — це 2-портові пристрої, що підключаються до різних мереж локальної мережі. Він працює як повторювач, фільтрує небажані дані та надсилає їх до кінцевої точки призначення. Він з’єднує мережі за допомогою одного протоколу. З іншого боку, Layer-2 перемикає дані на наступний рівень на основі MAC-адреси системи.

  Мережевий рівень

  Мережевий рівень розташований поверх канального рівня і є третім знизу в моделі OSI. Він використовує мережеві адреси, такі як IP-адреси, для маршрутизації пакетів даних до приймального вузла, що працює на різних або однакових протоколах і мережах.

  Він виконує два основних завдання:

  • Розділяє сегменти мережі на різні мережеві пакети під час повторного збирання мережевих пакувальників на вузлі призначення.
  • Виявляє оптимальний шлях у фізичній мережі та відповідно маршрутизує пакети.

  Під оптимальним шляхом я маю на увазі, що цей рівень знаходить найкоротший, найефективніший за часом і найпростіший маршрут між відправником і одержувачем для передачі даних за допомогою комутаторів, маршрутизаторів і різних методів виявлення та обробки помилок.

  Для цього мережевий рівень використовує логічну мережеву адресу та структуру підмережі мережі. Незалежно від того, чи знаходяться пристрої в одній мережі чи ні, чи використовують той самий протокол чи ні, чи працюють в одній топології чи ні, цей рівень направлятиме дані за допомогою логічної IP-адреси та маршрутизатора від джерела до пункту призначення. Отже, його основними компонентами є IP-адреси, підмережі та маршрутизатори.

  • IP-адреса: це глобально унікальний 32-розрядний номер, призначений кожному пристрою та працює як логічна мережева адреса. Він складається з двох частин: адреса хоста та мережева адреса. IP-адреса зазвичай представлена ​​чотирма числами, розділеними крапкою, наприклад, 192.0.16.1.
  • Маршрутизатори: на мережевому рівні маршрутизатори використовуються для передачі даних між пристроями, що працюють у різних глобальних мережах (WAN). Оскільки маршрутизатори, які використовуються для передачі даних, не знають точної адреси призначення, пакети даних маршрутизуються.

  Вони мають лише інформацію про розташування своєї мережі та використовують дані, зібрані в таблиці маршрутизації. Це допомагає маршрутизаторам знайти шлях для доставки даних. Коли він нарешті доставить дані в цільову мережу, дані потім будуть надіслані на цільовий хост у мережі.

  • Маски підмережі: Маска підмережі складається з 32 бітів логічної адреси, яку маршрутизатор може використовувати, окрім IP-адреси, для виявлення розташування хоста призначення для доставки даних. Це важливо, оскільки адреси хоста та мережі недостатньо для визначення розташування, незалежно від того, чи знаходиться воно у віддаленій мережі чи підмережі. Прикладом маски підмережі може бути 255.255.255.0.

  Подивившись на маску підмережі, ви можете дізнатися адресу мережі та адресу хоста. Таким чином, коли пакет даних надходить від джерела з обчисленою адресою призначення, система отримає дані та передасть їх на наступний рівень. Цей рівень не вимагає від відправника очікування підтвердження одержувача, на відміну від рівня 2.

  Транспортний рівень

  Транспортний рівень є четвертим знизу в моделі OSI. Він бере дані з мережевого рівня та доставляє їх на прикладний рівень. У цьому шарі дані називаються «сегментами», і основна функція шару — передавати повне повідомлення. Він також підтверджує, коли передача даних відбувається успішно. Якщо є якась помилка, він повертає дані.

  Окрім цього, транспортний рівень виконує керування потоком даних, передає дані з тією ж швидкістю, що й приймаючий пристрій, щоб забезпечити безперебійну передачу, керує помилками та знову запитує дані після виявлення помилок.

  Давайте розберемося, що відбувається на кожному кінці:

  • З боку відправника, отримавши відформатовані дані з вищих рівнів моделі OSI, транспортний рівень виконує сегментацію. Потім він реалізує методи контролю потоку та помилок, щоб забезпечити плавну передачу даних. Далі він додасть номери портів джерела та призначення в заголовок і завершить сегменти на мережевому рівні.
  • На стороні одержувача транспортний рівень ідентифікує номер порту, дивлячись на заголовок, а потім надсилає отримані дані до цільової програми. Він також виконає послідовність і повторне з’єднання сегментованих даних.

  Транспортний рівень забезпечує безпомилкове наскрізне з’єднання між пристроями або хостами в мережі. Він забезпечує сегменти даних внутрішніх і міжмережевих підмереж.

  Щоб забезпечити наскрізний зв’язок у мережі, кожен пристрій має мати точку доступу до транспортної служби (TSAP) або номер порту. Це допоможе хосту розпізнати однорангові хости за номером порту у віддаленій мережі. Зазвичай його знаходять вручну або за замовчуванням, оскільки більшість програм використовують стандартний номер порту 80.

  Транспортний рівень використовує два протоколи:

  • Протокол керування передачею (TCP): цей надійний протокол спочатку встановлює з’єднання між хостами перед початком передачі даних. Він вимагає від одержувача надіслати підтвердження того, отримав він дані чи ні. На це отримує підтвердження, він відправляє другий пакет даних. Він також контролює швидкість передачі та керування потоком і виправляє помилки.
  • Протокол дейтаграм користувача (UDP): вважається ненадійним і не орієнтований на підключення. Після передачі даних між хостами одержувач не потребує надсилання підтвердження й продовжує надсилати дані. Ось чому він схильний до кібератак, таких як UDP-флуд. Він використовується в онлайн-іграх, потоковому відео тощо.

  Деякі функції транспортного рівня:

  • Адреси точок обслуговування: транспортний рівень має адресу, яка називається адресою порту або адресою точки обслуговування, яка допомагає доставити повідомлення потрібному отримувачу.
  • Виявлення помилок і контроль: цей рівень пропонує виявлення помилок і контроль. Помилка може виникнути під час збереження сегмента або даних у сховищі пам’яті маршрутизатора, навіть якщо під час переміщення даних через посилання не виявлено помилок. І якщо станеться помилка, канальний рівень не зможе її виявити. Крім того, усі посилання можуть бути небезпечними; отже, необхідне виявлення помилок на транспортному рівні. Це робиться двома методами:
    • Циклічна перевірка надмірності
    • Генератор контрольних сум і перевірка

    Рівень сесії

    П’ятий знизу рівень моделі OSI – сеансовий рівень. Він використовується для створення каналів зв’язку, також відомих як сеанси, між різними пристроями. Він виконує такі завдання, як:

    • Відкриття сесій
    • Закриття сесій
    • Зберігайте їх відкритими та повністю функціональними під час передачі даних
    • Пропонуючи синхронізацію діалогу між різними програмами, щоб сприяти безперебійній передачі даних без втрат на кінці прийому.

    Сеансовий рівень може створювати контрольні точки для забезпечення безпечної передачі даних. У разі переривання сеансу всі пристрої відновлять передачу з останньої контрольної точки. Цей рівень дозволяє користувачам, які використовують різні платформи, створювати активні сеанси спілкування між собою.

    Рівень презентації

    Шостий знизу рівень — це рівень презентації або рівень перекладу. Він використовується для підготовки даних для надсилання на прикладний рівень, розташований вище. Він надає кінцевим користувачам дані, які користувачі можуть легко зрозуміти.

    Рівень презентації описує, як два пристрої в мережі повинні стискати, шифрувати та кодувати дані, щоб одержувач отримував їх правильно. Цей рівень використовує дані, які прикладний рівень передає, а потім надсилає на сеансовий рівень.

    Рівень презентації обробляє синтаксис, оскільки відправник і одержувач можуть використовувати різні режими зв’язку, що може призвести до неузгодженості. Цей рівень дозволяє системам легко спілкуватися та розуміти одна одну в одній мережі.

    Рівень-6 виконує такі завдання, як:

    • Шифрування даних на стороні відправника
    • Розшифровка даних на стороні одержувача
    • Переклад, як-от формат ASCII, у EBCDIC
    • Стиснення даних для мультимедіа перед передачею

    Рівень розбиває дані, що містять символи та числа, на біти, а потім передає їх. Він також перетворює дані для мережі в необхідний формат і для різних пристроїв, таких як смартфони, планшети, ПК тощо, у прийнятний формат.

    Рівень програми

    Програма є сьомим і найвищим рівнем у моделі OSI. Програмне забезпечення кінцевого користувача та програми, як-от клієнти електронної пошти та веб-браузери, використовують цей рівень.

    Прикладний рівень забезпечує протоколи, які дозволяють програмним системам передавати дані та надавати значущу інформацію кінцевим користувачам.

    Приклад: протоколами прикладного рівня можуть бути знаменитий протокол передачі гіпертексту (HTTP), простий протокол передачі пошти (SMTP), система доменних імен (DNS), протокол передачі файлів (FTP) тощо.

    TCP/IP проти моделі OSI: відмінності

    Основні відмінності між TCP/IP і моделлю OSI:

    • TCP/IP, створений Міністерством оборони США (DoD), є старшою концепцією, ніж модель OSI.
    • Функціональна модель TCP/IP була створена для вирішення конкретних проблем зв’язку та базується на стандартних протоколах. Модель OSI, з іншого боку, є загальною моделлю, яка не залежить від протоколу і використовується для визначення мережевого зв’язку.
    • Модель TCP/IP є більш простою та має менше рівнів, ніж модель OSI. Зазвичай він має чотири шари:
      • Рівень доступу до мережі, який поєднує рівні 1 і 2 OSI.
      • Інтернет-рівень, який у моделі OSI називається мережевим
      • Транспортний рівень
      • Прикладний рівень, який поєднує рівні OSI 5, 6 і 7.

      Висновок

      Знання про модель OSI може допомогти розробникам і постачальникам створювати програмні додатки та продукти, сумісні та безпечні. Це також допоможе вам розрізнити різні комунікаційні засоби та протоколи та те, як вони працюють один з одним. І якщо ви студент, який прагне скласти іспит з мережевих технологій, як-от сертифікація CCNA, знання про модель OSI буде корисним.