Компьютерные сети

1.

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ,
СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт – Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»
Специальность: 09.02.07 «Информационные системы и программирование»
ОП.11 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Преподаватель
Рожков А.И.
Санкт-Петербург 2024

2.

Лекция. Модель OSI
План занятия:
1. Модель OSI. Уровни модели.
2. Взаимодействие уровней. Интерфейс.
3. Функции уровней модели OSI.

3.

1. Модель OSI. Уровни модели.
Модель взаимодействия открытых систем (OSI, Open Systems
Interconnection model) разработана Международной организацией по
стандартизации ISO и Международным союзом электросвязи ITU в
1977– 1984 годах и принята в качестве стандарта ISO 7498. С тех пор
ее используют все производители сетевых продуктов.
Модель OSI определяет широкий список функций и сервисов,
реализуемых на каждом уровне. Кроме того, она описывает
взаимодействие
каждого
уровня
с
вышестоящими
и
нижестоящими уровнями.
Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней. При
этом вышестоящие уровни выполняют более сложные,
глобальные задачи, для чего используют в своих целях
нижестоящие уровни, а также управляют ими. В идеале каждый
уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с
ним (выше него и ниже него).

4.

Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в
данный момент приложению, нижний - непосредственной передаче
сигналов по каналу связи. Реальную связь абоненты одной сети имеют
только на самом нижнем, первом, физическом уровне.

5.

2. Взаимодействие уровней. Интерфейс.
В процессе коммуникации узлы обмениваются сообщениями
(message).
В передающем абоненте информация проходит все уровни,
начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем
абоненте полученная информация совершает обратный путь: от
нижнего уровня к верхнему.
Передачу сообщения начинает сетевое приложение (программа,
которой нужны услуги сети). При передаче сообщения сверху вниз
каждый уровень добавляет к нему свой заголовок, содержащий
информацию для одноименного уровня на другом узле.

6.

Непосредственно по каналам связи сообщение передается на узелполучатель в соответствии с протоколом физического уровня. Затем
сообщение поднимается по иерархии снизу вверх и каждый уровень
считывает «свой» заголовок.

7.

Чтобы лучше понять принцип работы
воспользоваться следующими примерами:
модели
OSI,
можно
Пример 1. Представим себе президентов двух стран и попробуем
смоделировать процесс их общения как иерархическую систему.
В этой системе три уровня – уровень президента, уровень
секретаря и уровень почты.
Секретарь предоставляет президенту услуги по передаче
сообщений (интерфейс). Интерфейс может быть реализован,
например, посредством телефонной связи или непосредственного
общения (президент вызывает секретаря и передает ему все
необходимую информацию).
В системе существуют три протокола – между президентами,
между секретарями и почтовый протокол: стиль общения президентов
отличается от стиля общения секретарей, а почта работает по своим
особым правилам.

8.

Процесс передачи
следующим образом:
сообщения
в
такой
системе
происходит
1. Одному президенту требуется передать сообщение другому
президенту. Для этого он вызывает своего секретаря и передает ему
сообщение, допустим на листе бумаги (работает интерфейс
президент-секретарь).
2. Секретарь переводит сообщение на иностранный язык, вкладывает
сообщение в конверт и пишет на нем адрес и лицо, кому
предназначено сообщение (добавляет свой заголовок), и
отправляет его по почте (передача сообщения по каналам связи).

9.

3. Секретарь
другого
президента,
получив
письмо,
читает
информацию на конверте (считывает свой заголовок) и
отправляет
сообщение
президенту
(работает
интерфейс
президент-секретарь).

10.

Пример 2. Пусть приложение обращается с
прикладному уровню, например к файловому сервису:
запросом
к
1. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного
уровня формирует сообщение стандартного формата, в которое
помещает служебную информацию (заголовок) и, возможно,
передаваемые данные.
2. Затем это сообщение направляется представительному уровню.
Представительный уровень добавляет к сообщению свой заголовок
и передает результат вниз сеансовому уровню, который в свою
очередь добавляет свой заголовок и т.д. Некоторые реализации
протоколов предусматривают наличие в сообщении не только
заголовка, но и концевика.
3. Наконец, сообщение достигает самого низкого, физического уровня,
который действительно передает его по линиям связи.

11.

4. Когда сообщение по сети поступает на другую машину, оно
последовательно перемещается вверх с уровня на уровень.
Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет заголовок
своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню
функции и передает сообщение вышележащему уровню.

12.

Типы протоколов.
Интерфейс (interface) – это правила, определяющие формат
сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты,
находящиеся на соседних уровнях в одном узле. Интерфейс
определяет набор услуг, которые нижележащий уровень
предоставляет вышележащему.
Между одноименными уровнями, реализованными на разных узлах,
также осуществляется взаимодействие по соответствующему
протоколу.
Протокол (protocol) – это правила, определяющие формат
сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты,
лежащие на одном уровне, но в разных узлах.
Стек протоколов – это иерархически организованный набор
протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов
в сети.

13.

Компьютер
с
установленной
на
нем
сетевой
ОС
взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов
всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют
опосредовано через различные коммуникационные устройства:
концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы,
мультиплексоры. В зависимости от типа, коммуникационное
устройство может работать либо только на физическом уровне
(повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на
физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный
уровень (маршрутизатор).

14.

В модели OSI различается два основных типа протоколов:
Первая группа протоколов - протоколы с установлением
соединения (connection-oriented network service, CONS). Перед
обменом данными отправитель и получатель должны сначала
установить соединение и, возможно, выбрать протокол, который они
будут использовать. После завершения диалога они должны разорвать
это соединение.
Вторая группа протоколов - протоколы без предварительного
установления соединения (connectionless network service, CLNS).
Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами.
Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово.

15.

3. Функции уровней модели OSI
Функции уровней модели OSI
Уровень 1. Физический уровень
(physical layer) 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.
Данные передаются в виде потока бит.

16.

Функции физического уровня:
1) представить последовательность бит данных в виде
электрических сигналов – описать форму сигналов, их величину и
продолжительность;
2) передать получившиеся электрические сигналы по
определенным
каналам
связи
–
описать
характеристики
используемых кабелей, разъемов, беспроводных сред;
3) принять электрические сигналы и декодировать их в
исходную последовательность бит.
Перечисленные функции реализуются с помощью аппаратных
средств узлов сети – микросхем, проводников, транзисторов,
конденсаторов и др.

17.

Уровень 2. Канальный уровень (data link layer) или уровень
управления линией передачи (Data link) обеспечивает создание,
передачу и прием кадров данных. Данные пересылаются уже не
битами, а наборами бит, которые называются кадры (frame). В
кадр может входить от нескольких десятков до нескольких тысяч
байт.
Функции канального уровня:
1) проверка доступности среды передачи – в случае, если
несколько сетевых узлов используют один канал связи, для
предотвращения конфликтов требуются правила, определяющие
порядок доступа узлов к среде;

18.

2) адресация в простых сетях с определенной топологией –
чтобы кадр дошел до нужного узла сети, в нем должна быть
информация о том, кому он предназначен. Адресация в сложных
составных сетях с разными топологиями возлагается на сетевой
уровень;
3) обнаружение и коррекция ошибок – для решения этой задачи в
кадр добавляется служебная информация, называемая контрольной
суммой.
Отметим, что проблема надежной передачи может решаться на
всех уровнях, от физического до прикладного.
Канальный уровень реализуется совместно аппаратными
средствами и программными компонентами (драйверами).
Устройства, работающие на канальном уровне, – сетевые карты,
повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы.

19.

Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два
подуровня:
• Верхний подуровень управления логическим каналом (LLC Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого
уровня, устанавливает виртуальный канал связи (часть его
функций выполняется программой драйвера сетевого адаптера).
• Нижний подуровень управления доступом к среде (MAC Media Access Control) осуществляет непосредственный
доступ к среде передачи информации и напрямую связан с
аппаратурой сети.

20.

Уровень 3. Сетевой уровень (Network layer) отвечает за
адресацию пакетов и перевод логических имен в физические
сетевые адреса (и обратно), а также за выбор маршрута, по
которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется
несколько маршрутов).
Сетевой уровень используется
для объединения простых сетей
в
единую
составную
сеть.
Простые сети в этом случае
называются подсетями (subnet) и
могут иметь разные топологии,
типы сред передачи, технологии
реализации. На сетевом уровне
данные,
приходящие
от
транспортного
уровня,
пересылаются в виде пакетов
(packet).

21.

Функции сетевого уровня:
1) маршрутизация (routing) – выбор оптимального пути передачи
сообщений. Термин «оптимальность» подразумевает определенный
критерий оптимальности. В данном случае критериями могут быть
время передачи, надежность и безопасность;
2) адресация в составных сетях – способ адресации должен
включать адрес подсети и адрес узла в данной подсети, в отличие от
канального уровня, где может быть только адрес узла.
Сетевой уровень реализуется на узлах сети с помощью
программных компонентов операционных систем.

22.

Уровень 4. Транспортный уровень (transport layer) производит
разбивку передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты,
обеспечивает доставку пакетов и восстановление принимаемых
данных.
Транспортный уровень обеспечивает передачу данных прикладного
уровня с необходимой степенью надежности и с учетом требований
сетевого уровня к размеру пакетов.
Доставка пакетов возможна как
с
установлением
соединения
(виртуального канала), так и без.
Транспортный уровень является
пограничным и связующим между
верхними
тремя,
сильно
зависящими от приложений, и
тремя нижними уровнями, сильно
привязанными к конкретной сети

23.

Функции транспортного уровня:
1) передача данных верхних уровней с той степенью
надежности, которая им требуется – существуют два основных
уровня надежности: гарантированная доставка и негарантированная;
2) разбивка сообщений верхних уровней на части – размеры
пакетов и кадров обычно не превышают нескольких килобайт; в то же
время сообщения прикладного уровня могут быть намного больше.
Для решения проблемы несоответствия размеров, сообщения
разбиваются на части, которые в случае гарантированной доставки
называются сегменты (segment), а в случае негарантированной –
дейтаграммы (datagram);
3) сборка переданных сегментов или дейтаграмм в исходное
сообщение – части сообщения могут приходить получателю не в том
порядке, в каком они были отправлены, так как состояние сети
меняется и маршрутизаторы могут выбирать для пакетов разные пути.

24.

Уровень 5. Сеансовый уровень (session layer) позволяет
организовать сеанс связи между узлами сети. Он управляет
проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает
и прекращает связь).
Этот уровень предусматривает три режима установки сеансов:
симплексный, полудуплексный и полнодуплексный.
Сеансовый уровень может также вставлять в поток данных
специальные контрольные точки, которые позволяют контролировать
процесс передачи при разрыве связи. Этот же уровень распознает
логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права
доступа.

25.

Уровень 6. Представительский уровень (presentation layer) или
уровень представления данных отвечает за возможность диалога
между приложениями на разных машинах, выполняя функцию
переводчика.
Этот
уровень
обеспечивает
преобразование
данных
(шифрование, сжатие, преобразование между различными
кодировками символов, дешифрование передаваемых данных и
т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного
уровня.

26.

Уровень 7. Прикладной уровень (application layer) или уровень
приложений, обеспечивает непосредственное взаимодействие
приложений пользователя с сетью. Например, сюда относятся:
программные средства передачи файлов, доступа к базам данных,
средства электронной почты, службы регистрации на сервере. Этот
уровень управляет остальными шестью уровнями.
Прикладной уровень отвечает за непосредственную реализацию
основных целей создания компьютерной сети, т. е. за предоставление
пользователю доступа к ресурсам и услугам сети. На прикладном
уровне работает самое большое число протоколов, что объясняется
большим спектром ресурсов и услуг.

27.

Большинство функций нижних
уровней 1 и 2 модели обычно
реализуются аппаратно (часть функций
уровня 2 - программным драйвером
сетевого адаптера). Именно на этих
уровнях
определяется
скорость
передачи и топология сети, метод
управления
обменом
и
формат
пакета, то есть то, что имеет
непосредственное отношение к типу
сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI).
Более
высокие
уровни
не
работают напрямую с конкретной
аппаратурой, хотя уровни 3, 4 и 5 еще
могут учитывать ее особенности. Уровни
6 и 7 вообще не имеют к аппаратуре
никакого отношения.

28.

Функциональное назначение уровней модели OSI
Номер
Название
Назначение
7
Прикладной
уровень
Отвечает за взаимодействие с прикладными программами, с помощью которых
пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам
6
Уровень
представления
Обеспечивает представление передаваемой по сети информации. За счет этого
уровня информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда
понятна прикладному уровню другой системы. На этом уровне могут выполнять
кодирование и перекодирование данных, шифрование и дешифрование данных
5
Сеансовый
уровень
Управляет взаимодействием сторон: фиксирует какая из сторон является
активной в настоящий момент, и предоставляет средства синхронизации сеанса.
На этом уровне координируется связь между двумя рабочими узлами сети
4
Транспортный
уровень
Обеспечивает приложениям или верхним уровням модели передачу данных с той
степенью надежности, которая им требуется
3
Сетевой уровень
Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей
различные сети; отвечает за определение маршрута следования пересылаемых
данных
2
Канальный
уровень
Отвечает за установление соединения между взаимодействующими узлами,
согласование в рамках соединения скоростей передатчика и приемника,
обнаружение и коррекцию ошибок
1
Физический
уровень
Отвечает за передачу потока битов по физическим каналам связи

29.

Контрольные вопросы
1. Сетевая модель OSI, уровни модели и взаимодействие уровней?
2. Понятия интерфейс,
протоколов?
протокол,
стек
протоколов,
3. Функции физического уровня модели OSI?
4. Функции канального уровня модели OSI?
5. Функции сетевого уровня модели OSI?
6. Функции транспортного уровня модели OSI?
7. Функции сеансового уровня модели OSI?
8. Функции представительского уровня модели OSI?
9. Функции прикладного уровня модели OSI?
основные
типы