На каком уровне модели osi функционирует протокол ethernet: Модель OSI 7 уровней — для чайников с примерами

Модель OSI 7 уровней — для чайников с примерами

В данной статье, мы разберемся, что такое сетевая модель OSI, из каких уровней она состоит, и какие функции выполняет. Итак, предмет разговора является некой моделью взаимодействия эталонов, определяющих последовательность обмена данных, и программ.

Аббревиатура OSI Open Systems Interconnection, означает модель взаимодействия открытых систем. Для решения задачи совместимости разнообразных систем, организация по стандартизации выпустила в 1983 г. эталон модели OSI. Она описывает структуру открытых систем, их требования, и их взаимодействие.

Open system – это система, составлена согласно открытым спецификациям, которые доступны каждому, а также соответствуют определенным стандартам. Например, ОС Windows считается open system, потому что она создана на основе открытых спецификаций, которые описывают деятельность интернета, но начальные коды системы закрыты.

Достоинство в том, что есть возможность построить сеть из устройств от разных изготовителей, если нужно, заменить ее отдельные компоненты. Можно без проблем, объединить несколько сетей в одну целую.

Согласно рассматриваемой нами модели, необходимо, чтобы вычислительные сети состояли из семи уровней. Вследствие того, что модель не описывает протоколы, определяемые отдельными стандартами, она не является сетевой архитектурой.

К сожалению, с практической точки зрения, модель взаимодействия открытых систем не применяется. Её особенность заключается в овладении теоретическими вопросами сетевого взаимодействия. Именно поэтому в качестве простого языка для описания построения разных видов сети используется эта модель.

Уровни модели OSI

Базовая структура представляет собой систему, состоящую из 7 уровней. Возникает вопрос, за что отвечают семь этапов и зачем модели, такое количество уровней? Все они отвечают за определенную ступень процесса отправки сетевого сообщения, а также содержат в себе определенную смысловую нагрузку. Шаги выполняются, сепаративно друг от друга и не требует повышенного контроля, со стороны пользователя. Не правда ли, удобно?

Нижние ступени системы с первой по третью, управляют физической доставкой данных по сети, их называют media layers.

Остальные, уровни способствуют обеспечению точной доставки данных между компьютерами в сети, их называют хост-машины.

Прикладной – это ближайший уровень к юзеру. Его отличие от других в том, что он не предоставляет услуги другим ступеням. Обеспечивает услугами прикладные процессы, которые лежат за пределами масштаба модели, например, передача базы данных, голоса, и другое.

Физический уровень (PHYSICAL)

Данный этап устроен сравнительно проще других, ведь кроме единиц и нулей в нем нет других систем измерений, данный уровень не анализирует информацию и именно поэтому является самым нижним из уровней. На нем в основном осуществляется передача информации. Главный параметр загруженности – бит.

Основная цель физического уровня представить нуль и единицу в качестве сигналов, передаваемые по среде передачи данных.

Например, есть некий канал связи (КС), отправляемое сообщение, отправитель и соответственно получатель. У КС есть свои характеристики:

• Пропускная способность, измеряемая, в бит/c, то есть, сколько данных мы можем передать за единицу времени.
• Задержка, сколько времени пройдет, прежде чем сообщение дойдет от отправителя к получателю.
• Количество ошибок, если ошибки возникают часто, то протоколы должны обеспечивать исправление ошибок. А если редко, то их можно исправлять на вышестоящих уровнях, на пример на транспортном.

В качестве канала передачи информации используются:

• Кабели: телефонный, коаксиал, витая пара, оптический.
• Беспроводные технологии, такие как, радиоволны, инфракрасное излучение.
• Спутниковые КС
• Беспроводная оптика или лазеры, применяются редко, из-за низкой скорости и большого количества помех.

Очень редко возникают ошибки в оптических кабелях, так как повлиять на распространение света сложно. В медных кабелях, ошибки возникают, но достаточно редко, а в беспроводной среде, ошибки возникают очень часто.

Канальный уровень (DATA LINK)

Следующая станция, которую посетит информация, напомнит таможню. А именно IP-адрес будет сравнен на совместимость со средой передачи. Здесь также выявляются и исправляются недочеты системы. Для удобства дальнейших операций, биты группируются в кадры – frame.

Цель канального уровня – передача сообщений по КС – кадров.

Задачи data link

• Найти, где в потоке бит, начинается и оканчивается сообщение
• Обнаружить и скорректировать ошибки при отправке информации
• Адресация, необходимо знать, какому компьютеру отправлять информацию, потому что к разделяемой среде в основном, подключается несколько компьютеров
• Обеспечить согласованный доступ к разделяемой среде, чтобы в одно и то же время, информацию передавал один компьютер.

На канальном уровне выявляются и исправляются ошибки. При обнаружении таковой проводится проверка правильности доставки данных, если неправильно, то кадр отбрасывается.

Исправление ошибок, требует применение специальных кодов, которые добавляют избыточную информацию в передаваемые данные.

Повторная отправка данных, применяется совместно с методом обнаружения ошибок. Если в кадре обнаружена ошибка, он отбрасывается, и отправитель направляет этот кадр заново.

Обнаружить и исправить ошибки

Практика показала эффективность следующих методов, если используется надежная среда для передачи данных (проводная) и ошибки возникают редко, то исправлять их лучше на верхнем уровне. Если в КС ошибки происходят часто, то ошибки необходимо исправлять сразу на канальном уровне.

Функции данного этапа в компьютере осуществляют сетевые адаптеры и драйверы, подходящие к ним. Через них и происходит непосредственный обмен данными.

Некоторые протоколы, используемые на канальном уровне, это HDLC, Ethernet применяющая шинную топологию и другие.

Сетевой уровень (NETWORK)

Этап напоминает процесс распределения информации. К примеру, все пользователя делиться на группы, а пакеты данных расходятся в соответствии с IP адресами, состоящими из 32 битов. Именно благодаря работе маршрутизаторов на этой инстанции, устраняются все различия сетей. Это процесс так называемой логической маршрутизации.

Основная задача состоит в создании составных сетей построенных на основе сетевых технологий разного канального уровня: Ethernet, Wi-Fi, MPLS. Сетевой уровень — это «основа» интернета.

Назначение сетевого уровня

Мы можем передавать информацию от одного компьютера к другому через Ethernet и Wi-Fi, тогда зачем нужен еще один уровень? У технологии канального уровня (КУ) есть две проблемы, во-первых, технологии КУ отличаются друг от друга, во-вторых, есть ограничение по масштабированию.

Какие могут быть различия в технологиях канального уровня?

Различный уровень предоставляемого сервиса, некоторые уровни гарантируют доставку и необходимый порядок следования сообщений. Wi-Fi просто гарантирует доставку сообщения, а Ethernet нет.

Разная адресация, по размеру, иерархии. Сетевые технологии могут поддерживать широковещание, т.е. есть возможность отправить информацию всем компьютерам в сети.

Может различаться максимальный размер кадра (MTU), например, в изернете 1500, а в вай-фай 2300. Как можно согласовывать такие различия на сетевом уровне?

Можно предоставлять разный тип сервиса, например, кадры из Вай-Фай принимаются с отправкой подтверждения, а в Ethernet отправляются без подтверждения.

Для того чтобы согласовать разницу адресаций, на сетевом уровне, вводятся глобальные адреса, которые не зависят от адресов конкретных технологий (ARP для TCP/IP) канального уровня.

Чтобы передавать данные через составные сети, у которых разный размер передаваемого кадра, используется фрагментация. Рассмотрим пример, первый компьютер передает данные второму, через 4 промежуточные сети, объединенные 3-ми маршрутизаторами. У каждой сети разный MTU.

Работа сетевых устройств на уровнях модели OSI.

Для облегчения понимания работы всех сетевых устройств, перечисленных в статье Сетевые устройства, касательно уровней сетевой эталонной модели OSI, Я сделал схематичные рисунки с небольшими комментариями.

Для начала вспомним уровни эталонной сетевой модели OSI и инкапсулирование данных.

Посмотрите, как происходит передача данных между двумя соединенными компьютерами. Заодно Я выделю работу сетевой карты на компьютерах, т.к. именно она является сетевым устройством, а компьютер – в принципе нет. (Все картинки кликабельны — для увеличения картинки кликните по ней.)

Приложение на компьютере PC1 отправляет данные другому приложению находящемуся на другом компьютере PC2. Начиная с верхнего уровня (уровень приложений) данные направляются к сетевой карте на канальный уровень. На нём сетевая карта преобразует фреймы в биты и отправляет в физическую среду (например, кабель витую пару). На другой стороне кабеля поступает сигнал, и сетевая карта компьютера PC2 принимает эти сигнала, распознавая их в биты и формируя из них фреймы. Данные (содержащиеся в фреймах) декапсулируются к верхнему уровню, и когда доходят до уровня приложений, соответствующая программа на компьютере PC2 получает их.

Повторитель. Концентратор.

Репитер и концентратор работают на одном и том же уровне, поэтому касательно сетевой модели OSI они изображаются одинаково. Для удобства представлений сетевых устройств будем их отображать между нашими компьютерами.

Репитер и концентратор устройства первого (физического) уровня. Они принимают сигнал, распознают его, и пересылают сигнал далее во все активные порты.

Сетевой мост. Коммутатор.

Сетевой мост и коммутатор тоже работают на одном уровне (канальном) и изображаются они соответственно одинаково.

Оба устройства уже второго уровня, поэтому помимо распознавания сигнала (подобно концентраторам на первом уровне) они декапсулируют его (сигнал) в фреймы. На втором уровне сравнивается контрольная сумма трейлера (прицепа) фрейма. Затем из заголовка фрейма узнаётся MAC-адрес получателя, и проверяется его наличие в коммутируемой таблице. Если адрес присутствует, то фрейм обратно инкапсулируется в биты и отправляется (уже в виде сигнала) на соответствующий порт. Если адрес не найден, происходит процесс поиска этого адреса в подключенных сетях.

Маршрутизатор.

Как Вы видите, маршрутизатор (или роутер) – это устройство третьего уровня. Вот как примерно роутер функционирует: На порт поступает сигнал, и роутер распознаёт его. Распознанный сигнал (биты) формируют фреймы (кадры). Сверяется контрольная сумма в трейлере и MAC-адрес получателя. Если все проверки прошли успешно, фреймы формируют пакет. На третьем уровне маршрутизатор исследует заголовок пакета. В нем присутствует IP адрес пункта назначения (получателя). На основе IP-адреса и собственной таблицы маршрутизации роутер выбирает наилучший путь следования пакеты к получателю. Выбрав путь, роутер инкапсулирует пакет в фреймы, а затем в биты и отправляет их в виде сигналов на соответствующий порт (выбранный в таблице маршрутизации).

Заключение

В заключении Я объединил все устройства в одной картинке.

Теперь у Вас достаточно знаний, чтобы определить какие устройства и как работают. Если у Вас остались вопросы, задавайте их мне и в ближайшее время Вам или Я или другие пользователи непременно помогут.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Сетевой уровень модели OSI

Аннотация: Приведены основные устройства, протоколы и методы межсетевого взаимодействия, основные элементы маршрутизаторов, принципы маршрутизации, функционирование таблиц маршрутизации.

6.1. Общие сведения о сетевом уровне

Объединение нескольких локальных сетей в глобальную (распределенную, составную) WAN сеть происходит с помощью устройств и протоколов сетевого уровня 3 семиуровневой эталонной модели или уровня межсетевого взаимодействия модели TCP/IP. Если LAN объединяют рабочие станции, периферию, терминалы и другое сетевое оборудование в одной аудитории или в одном здании, то WAN обеспечивают соединение LAN на широком географическом пространстве. В составную распределенную сеть (internetwork, internet) входят как локальные сети и подсети, так и отдельные пользователи.

При передаче по сети большое сообщение сегментируется, а сегменты инкапсулируются в пакеты, которые представляют формат информационных данных третьего сетевого уровня. Для функционирования программно-аппаратных средств сетевого уровня 3 необходимо реализовать процессы адресации пакетов, их маршрутизации, инкапсуляции сегментов в пакеты на передающей стороне и декапсуляции сегментов из пакетов на приемной.

Основными устройствами, объединяющими LAN в составную сеть, являются маршрутизаторы (routers). Функционирование маршрутизаторов на Уровне 3 модели OSI происходит по правилам сетевых протоколов (Internet Protocol) версий 4 или 6 (IPv4 или IPv6). Другие сетевые протоколы (IPX,Apple Talk) в настоящее время практически не используются. Сетевые протоколы IP функционируют без предварительного установления соединения (connectionless) между источником и получателем сообщения. При этом доставка сообщения производится с максимальными усилиями (best effort delivery), но без гарантий, т.е. доставка ненадежная (unreliable). Такой метод доставки (передачи) данных получил название дейтаграммный.

Поскольку при дейтаграммном методе передачи пакеты отправляются адресату назначения без предварительного установления соединения, то пакет будет отправлен даже, если адресат не может его принять. При повреждении пакетов или их потере требуется повторная передача поврежденных или потерянных данных. Сетевые протоколы IP не имеют средств подтверждения доставки пакетов, их целостности, что и определяет ненадежность доставки. Однако дейтаграммные протоколы IP создают сравнительно небольшую нагрузку на сеть, что определило их высокую эффективность и широкое распространение. Такой способ доставки является оптимальным. Функции надежности доставки возложены на другие протоколы, в частности на протокол TCP транспортного уровня.

Важно отметить, что сетевые протоколы независимы от среды передачи. Поэтому один и тот же пакет может передаваться по медным и оптоволоконным кабелям, радиоканалам. Однако максимальный размер поля данных кадра может различаться в зависимости от среды, поэтому пакеты в ряде случаев разбиваются на более мелкие фрагменты (фрагментирование).

Для определения наилучшего пути передачи данных через связываемые сети, маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и обмениваются сетевой маршрутной информацией с другими маршрутизаторами. Маршрутизаторы принимают решения, базируясь на сетевых логических адресах (IP-адресах), находящихся в заголовке пакета (дейтаграммы). Администратор может конфигурировать статические маршруты и поддерживать таблицы маршрутизации вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации создается и поддерживается динамически, за счет использования протоколов маршрутизации (routing protocol), которые позволяют маршрутизаторам автоматически обмениваться информацией о сетевой топологии друг с другом, т.е. разделять маршрутную информацию.

6.2. Протокол IPv4

В настоящее время широко используется сетевой протокол IPv4 и начинает внедряться IPv6. Формат пакета сетевого протокола IPv4 (
рис.
6.1) включает заголовок, состоящий из 12 полей общей длиной в 160 бит (5 слов по 4 байта, т.е. 20 байт), поле опций переменной длины и поле данных.

Рис.
6.1.
Формат заголовка пакета IPv4

1. Первое 4-х разрядное поле (Vers) задает номер версии протокола. Например, номер версии IPv4 будет задан в двоичной системе — 0100. В описаниях версия 4 выглядит следующим образом: Version = 4 (0x4). Согласно версии IPv4, длина адреса источника (Source IP address) и адреса назначения (Destination IP address) равна 32 разрядам (4 байтам).
2. Длина заголовка — количество 32-разрядных слов в заголовке, задается вторым полем (HLEN). Например, код в этом поле — 0101 или запись Header Length = 20 (0x14) означает, что заголовок содержит 5 слов по 32 разряда или 20 байт.
3. В новых спецификациях протокола IPv4 третье поле называется дифференцированные сервисы (DS). Старшие шесть бит поля определяют код дифференциальных сервисов (DSCP) и обеспечивают качество обслуживания QoS. Два младших бита используются для уведомления о перегрузке сети (ECN). В старых спецификациях это поле типа сервиса (Type of Service — ToS) длиной 8 бит включает четыре идентификатора: трехразрядный идентификатор PR и одноразрядные D, T, R. Идентификатор PR определяет тип пакета (нормальный, управляющий и др.) и в соответствие с этим задает приоритет передаваемого пакета. Установка 1 в разряде D означает требование минимизации задержки при передаче пакета; единица в разряде Т означает требование максимальной пропускной способности; установка 1 в разряде R требует обеспечение максимальной надежности.
4. Поле Total Length задает общую длину пакета, включая заголовок и поле данных. 16 разрядов поля позволяют задавать максимальную длину 64 Кбайт (65 535). Поскольку максимальная длина поля данных кадра в большинстве технологий локальных сетей меньше 64 Кбайт, например, в Ethernet она составляет 1500 байт, то большие пакеты разбивают на фрагменты. При фрагментации пакета используется информация 5, 6 и 7 полей. Все фрагменты должны иметь: идентификационный номер пакета; определитель порядка следования фрагмента при сборке пакета; дополнительную информацию. Фрагментацию пакетов может производить конечный узел, исходя из максимального размера единицы передаваемой информации (Maximum Transmission Unit — MTU) на канальном уровне. Вторичную фрагментацию может выполнять транзитный сетевой элемент, если пакет передается из сети с большим значением MTU в сеть с меньшим MTU.
5. Пятое поле заголовка Идентификатор используется при фрагментации пакета и содержит его идентификационный номер.
6. Трехразрядное поле флагов (Flags) содержит два одноразрядных флага фрагментации. Установка 1 в разряде DF запрещает маршрутизатору производить фрагментацию данного пакета. Единичка в разряде MF указывает, что данный пакет не является последним.
7. 13-разрядное поле смещения данных (Fragment Offset) помогает собрать фрагменты в единый пакет. Оно задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного не фрагментированного пакета.
8. Из заданного значения время жизни (Time to Live — TTL), которое может составлять значение от 0 до 255, при прохождении каждого маршрутизатора (или каждую секунду) вычитается 1. Таким образом, число узлов, через которые может пройти пакет, ограничено.
9. Поле протокол (Protocol) указывает тип протокола верхнего уровня (TCP — тип 6, UDP — тип 17 и др.), которому будет передан принятый пакет после завершения IP процесса.
10. Поле контрольной суммы заголовка (Header Checksum). Поскольку при прохождении маршрутизатора значения некоторых полей заголовка изменяются, например время жизни TTL, то расчет контрольной суммы производится в каждом маршрутизаторе заново.
11. Адрес источника информации (Source IP address) длиной 4 байта (32 двоичных разряда).
12. Адрес назначения (Destination IP address) длиной 4 байта (32 разряда). При передаче по сети адреса источника и назначения остаются неизменными.
13. Поле опций (IP option) позволяет поддерживать различные опции, например, опцию защиты информации. Поскольку это поле может иметь разную длину, то оно дополняется нулями до 32 разрядов.
14. Поле данных Data имеет длину более 64 двоичных разрядов.

Канальный уровень модели OSI. Общие понятия.

Канальный уровень — уровень сетевой модели OSI, предназначенный для обмена данными между узлам находящимся в том же сегменте локальной сети, путем передачи специальных блоков данных, которые называются кадрами (frame). В процессе формирования кадров данные снабжаются служебной информацией (заголовком), необходимой для корректной доставки получателю, и, в соответствии с правилами доступа к среде передачи, отправляются на физический уровень. Таким образом 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.

Кадры канального уровня не пересекают границ сетевого сегмента. Межсетевая маршрутизация и глобальная адресация это функция более высокого уровня, что позволяет протоколам канального уровня сосредоточится на локальной доставке и адресации.

В локальных сетях канальный уровень разделяется на два подуровня:

• уровень управления логическим каналом (logical link control, LLC).
• уровень доступа к среде (media access layer, MAC),

Процедура доступа к среде и является главной функцией МАС-уровня. В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiple access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод).

Когда устройства пытаются использовать среду одновременно, возникают коллизии кадров. Протоколы канального уровня выявляют такие случаи и обеспечивают механизмы для уменьшения их количества или же их предотвращения.

Коллизия (англ. collision — ошибка наложения, столкновения) — в терминологии компьютерных и сетевых технологий, наложение двух и более кадров от станций, пытающихся передать кадр в один и тот же момент времени.

Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую шину.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием  несущей частоты (carrier-sense).

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют защиты от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации — методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии — это следствие распределенного характера сети.

Заголовок кадра содержит аппаратные адреса отправителя и получателя, что позволяет определить, какое устройство отправило кадр и какое устройство должно получить и обработать его. В отличии от иерархических и маршрутизируемых адресов, аппаратные адреса одноуровневые. Это означает, что никакая часть адреса не может указывать на принадлежность к какой либо логической или физической группе.

Для успешной доставки одного адреса назначения явно недостаточно. Нужна дополнительная служебная информация — длина поля данных, тип сетевого протокола и др.

Формат кадра Ethernet

• Преамбула (Preamble). Состоит из 8 байтов. Первые семь содержат одну и ту же циклическую последовательность битов (10101010), которая хорошо подходит для синхронизации приемопередатчиков. Последний (Start-of-frame-delimiter, SFD), 1 байт (10101011), служит меткой начала информационной части кадра. Это поле не учитывается при определении длины кадра и не рассчитывается в контрольной сумме.
• МАС-адрес получателя (Destination Address, DA).
• МАС-адрес отправителя (Source Address, SA). Первый бит всегда равен нулю.
• Поле длины либо тип данных (Length/Type, L/T). Два байта, которые содержат явное указание длины (в байтах) поля данных в кадре или указывают на тип данных. Ниже, в описании LLC будет показано, что возможно простое автоматическое распознавание разных типов кадров.
• Данные (Data). Полезная нагрузка кадра, данные верхних уровней OSI. Может иметь длину от 0 до 1500 байт.
• Для корректного распознавания коллизий необходим кадр не менее чем из 64 байт. Если поле данных менее 46 байт, то кадр дополняется полем заполнения (Padding).
• Контрольная сумма (Frame Check Sequence, FCS). 4 байта, которые содержит контрольную сумму всех информационных полей кадра. Вычисление выполняется по алгоритму CRC-32 отправителем и добавляется в кадр. После приема кадра в буфер, приемник выполняет аналогичный расчет. В случае расхождения результата вычислений, предполагается ошибка при передаче, и кадр уничтожается.

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.

Кадр приведенный выше является кадром MAС-подуровня, и в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Данный подуровень обеспечивает единый, независимый от используемого метода доступа, интерфейс с верхним (сетевым) уровнем.

Служебный заголовок кадра LLC имеет три поля: точка входа в сервис назначения (Destination Service Access Point, DSAP), точка входа в сервис источника (Source Service Access Point, SSAP) и поле управления. Первые два поля могут использоваться для характеризации протоколов верхнего уровня, данные которых представлены в поле данных кадра LLC. Поле управления используется для реализации процедуры установления соединения на канальном уровне, но оно редко используется в протоколах локальных сетей. Результирующий кадр MAC/LLC изображен в левой части рисунка ниже:

В локальных сетях адресация узлов назначения и узлов источника производится на основе МАС-адресов, которые «прошиты» в ПЗУ сетевых интерфейсов.

 MAC-адрес может быть записан в различной форме. Наиболее часто используется шестнадцатеричная, в которой пары байтов отделяются друг от друга символами «-» или «:».

Старшие три байта представляют собой идентификатор производителя оборудования (Vendor codes или OUI — Organizational Unique Identifier), младшие — индивидуальный идентификатор устройства или номер интерфейса.

За уникальность последних несет ответственность производитель оборудования, их значение устанавливается на заводе и является уникальным для каждого выпущенного устройства.

С идентификаторами производителя дело обстоит сложнее. Существует специальная организация в составе IEEE, которая ведет список вендоров, выделяя каждому из них свой диапазон адресов.

Такой механизм существует для того, что бы физический адрес любого устройства был уникальным, и не возникло ситуации его случайного совпадения в одной локальной сети.

Нужно особо отметить, что на большинстве современных адаптеров можно программным путем установить любой адрес. А существуют еще и виртуальные (программные) интерфейсы, где адрес задается только программным путем. Это представляет определенную угрозу работоспособности локальной сети, и может быть причиной серьезных сбоев в работе сети.

Устройства канального уровня модели OSI (L2)

С канальным уровнем обычно связаны следующие сетевые соединительные устройства:

• мосты;
• коммутаторы;
• сетевые интерфейсные платы (сетевые интерфейсные карты, адаптеры и т.д.).

В сетях  Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (CS MA/CD).

Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной.  Все интерфейсы, подключенные к среде передачи данных, могут распознать факт передачи кадра, и интерфейс, который узнает собственный MAC-адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает кадр-ответ.

В технологии Ethernet существует такое понятие, как домен коллизий. Домен коллизий – часть сети, все узлы которой распознают коллизии, не зависимо от того, где она возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях или концентраторах всегда образует один домен коллизий.

Для предотвращения коллизий крупные локальные сети делятся на сегменты или, как их еще называют, домены коллизий, с помощью коммутаторов (switches).  Каждый порт коммутатора оснащен процессором, память которого позволяет создавать буфер для хранения поступающих кадров. Общее управление процессорами портов осуществляет системный модуль. Наличие отдельного процессора на каждом порту является основным отличием коммутатора от моста, где присутствует один процессор. В настоящее время коммутаторы практически полностью вытеснили мосты.

Каждый сегмент, образованный портом (интерфейсом) коммутатора с присоединенным к нему узлом (компьютером) или с концентратором со многими узлами, является доменом (сегментом) коллизий. При возникновении коллизии в сети, реализованной на концентраторе, сигнал коллизии распространяется по всем портам концентратора. Однако на другие порты коммутатора сигнал коллизии не передается.

Существует два режима двусторонней связи: полудуплексный (halfduplex) и полнодуплексный (full-duplex). В полудуплексном режиме в любой момент времени одна станция может либо вести передачу, либо принимать данные. В полнодуплексном режиме абонент может одновременно принимать и передавать информацию, т. е. обе станции в соединении «точка- точка» могут передавать данные в любое время, независимо от того, передает ли другая станция. Для разделяемой среды полудуплексный режим является обязательным. Ранее создававшиеся сети Ethernet на коаксиальном кабеле были только полудуплексными. Витая пара и оптическое волокно могут использоваться в сетях, работающих в обоих режимах.

Новые высокоскоростные сети 10-GigabitEthernet работают только в полнодуплексном режиме. Большинство коммутаторов могут использовать как полудуплексный, так и полнодуплексный режим.

В случае присоединения компьютеров (хостов) индивидуальными линиями к портам коммутатора каждый узел вместе с портом образует микросегмент. В сети, узлы которой соединены с коммутатором индивидуальными линиями и работающей в полудуплексном режиме, возможны коллизии, если одновременно начнут работать передатчики коммутатора и сетевого интерфейса узла.

В полнодуплексном режиме работы коллизий при микросегментации не возникает. При одновременной передаче данных от двух источников одному адресату буферизация кадров позволяет запомнить и передать кадры поочередно и, следовательно, избежать их потери. Отсутствие коллизий обусловило широкое применение топологии сети с индивидуальным подключением узлов к портам коммутатора.

Коммутатор является устройством второго (канального) уровня семиуровневой модели ISO OSI, в котором для адресации используются МАС-адреса. Адресация происходит на основе МАС-адресов сетевых интерфейсов узлов.

Для того, чтобы передавать кадры (фреймы), коммутатор использует три базовых механизма:

1. Flooding — фрейм, полученный на один из портов, передается на остальные порты коммутатора. Коммутатор выполняет эту операцию в двух случаях:при получении широковещательного или multicast (если не настроена поддержка multicast) фрейма, при получении unknown unicast фрейма. Это позволяет коммутатору доставить фрейм хосту (при условии, что хост достижим и существует), даже когда он не знает, где хост находится.
2. Forwarding — передача фрейма, полученного на одном порту, через другой порт в соответствии с записью в таблице коммутации.
3. Filtering— если коммутатор получает фрейм через определенный порт, и MAC-адрес получателя доступен через этот же порт (это указано в таблице коммутации), то коммутатор отбрасывает фрейм. То есть, коммутатор считает, что в этом случае хост уже получил этот фрейм, и не дублирует его.

Для передачи кадров применяется алгоритм, определяемый стандартом 802.1D. Реализация алгоритма происходит за счет создания статических или динамических записей адресной таблицы коммутации. Статические записи таблицы создаются администратором. В общем случае коммутатор можно вообще не конфигурировать, он будет работать по умолчанию, создавая записи адресной таблицы в динамическом режиме. При этом в буферной памяти порта запоминаются все поступившие на порт кадры.

Первоначально информация о том, какие МАС-адреса имеют подключенные к конкретному порту интерфейсы, в коммутаторе отсутствует. Поэтому коммутатор, получив кадр, передает его на все свои порты, за исключением того, на который кадр был получен, и одновременно анализирует МАС-адрес источника и запоминает его в адресной таблице.

Когда адресная таблица коммутации сформирована, продвижение кадров с входного интерфейса коммутатора на выходной происходит на основании записей в адресной таблице. При получении кадра коммутатор проверяет, существует ли МАС-адрес узла назначения в таблице коммутации. При обнаружении адресата в таблице коммутатор производит еще одну проверку: находятся ли адресат и источник в одном сегменте. Если они в разных сегментах, то коммутатор производит продвижение (forwarding) кадра в порт, к которому подключен узел назначения. Если адресат и источник находятся в одном сегменте, например оба подключены к одному концентратору, то передавать кадр на другой порт не нужно. В этом случае кадр должен быть удален из буфера порта, что называется фильтрацией (filtering) кадров.

С появлением в сети новых узлов адресная таблица пополняется. Если в течение определенного времени (обычно 300 с) какой-то узел не передает данные, то считается, что он в сети отсутствует, тогда соответствующая запись из таблицы удаляется. При необходимости администратор может включать в таблицу статические записи, которые не удаляются динамически. Такую запись может удалить только сам администратор.

При получении кадров с широковещательными адресами (FF:FF:FF:FF:FF:FF) коммутатор передает их на все свои порты. Иногда если какой-либо узел из-за сбоя или злонамеренно начинает генерировать кадры с широковещательными адресами, то сеть очень быстро оказывается перегруженной, наступает широковещательный шторм (broadcast storm) и сеть «падает». С широковещательным штормом и излишним количеством широковещательных сообщений может бороться только маршрутизатор, который делит сеть на широковещательные домены.

Коммутаторы могут работать в нескольких режимах, при изменении которых меняются задержка и надежность. Для обеспечения максимального быстродействия коммутатор может начинать передачу кадра сразу, как только получит МАС-адрес узла назначения. Такой режим получил название сквозной коммутации или коммутации «на лету» (cut-through switching), он обеспечивает наименьшую задержку при прохождении кадров через коммутатор. Однако в этом режиме невозможен контроль ошибок, поскольку поле контрольной суммы находится в конце кадра. Следовательно, этот режим характеризуется низкой надежностью.

Во втором режиме коммутатор получает кадр целиком, помещает его в буфер, проверяет поле контрольной суммы (FCS) и затем пересылает адресату. Если получен кадр с ошибками, то он отбрасывается (discarded) коммутатором. Поскольку кадр перед отправкой адресату назначения запоминается в буферной памяти, такой режим коммутации получил название коммутации с промежуточным хранением или буферизацией.

Самый простой и распространенный типа коммутатора — «неуправляемый» (unmanaged). Неуправляемые коммутаторы реализуют только физическую топологию сети, они могут передавать кадры, но не поддерживают протоколы, которые требуют настройки самого коммутатора, в частности, RSTP и VLAN. Поскольку коммутатор неуправляемый, то и настраивать там нечего, все, что он реализует, работает либо автоматически (например, определение скорости и кроссировки), либо является защитным механизмом (например, защита от широковещательного шторма). Такие коммутаторы обычно устанавливаются для подключения пользователей как наиболее недорогие.

Следующий, уже более «продвинутый», тип коммутатора — «настраиваемый» (smart). Этот тип может содержать поддержку протоколов логической топологии и некоторых других, таких, как транкование и VLAN, поскольку поддерживает настройку. Он является переходным звеном между неуправляемыми и управляемыми коммутаторами, и обычно применяется там, где функционал неуправляемого недостаточен, а управляемого избыточен.

Самый «умный» тип коммутатора — «управляемый» (manageable). Он уже поддерживает не только настройку «умных» протоколов, но и мониторинг портов, что позволяет, например, снимать статистику по переданному трафику и количеству ошибок для каждого порта. Это самый дорогой тип коммутатора второго уровня, поскольку он же самый функциональный.

Существуют также коммутаторы третьего уровня, они управляемые по определению, но являются гибридом коммутатора и маршрутизатора и будут рассматриваться в статье про третий уровень модели OSI.

По типу исполнения коммутаторы бывают фиксированными, когда уже все порты установлены в коммутаторе, гибридными, когда часть портов установлена, но имеются гнезда для расширения, и модульными, когда коммутатор вообще не содержит портов, а предназначен для установки модулей расширения, которые и содержат порты.

Тип исполнения коммутатора выбирается исходя из текущих потребностей и планов развития. Например, если на данный момент требуется коммутатор с портом Gigabit Ethernet для витой пары, но планируется перевести магистральные каналы на оптику, то стоит покупать гибридный коммутатор с гнездом для модулей GBIC или SFP, что позволит в дальнейшем просто заменить модуль на оптической, но не менять весь коммутатор. Модульные коммутаторы еще более универсальны и применяются обычно в тех местах, где требуются несколько типов портов. Плата за любую универсальность — стоимость, так что выбрать коммутатор нужно, в том числе, и по этому параметру.

Существует технология, которая позволяет подавать питание на небольшие сетевые устройства (такие как точки беспроводного доступа и маршрутизаторы) по той же витой паре, что они подключаются к коммутатору. В некоторых случаях это позволяет установить малогабаритное сетевое оборудование в местах, где это наиболее удобно, но там отсутствует электропроводка. Для подачи питания по витой паре используются либо коммутаторы с поддержкой технологии Power Over Ethernet (PoE), либо многопортовые инжекторы питания для монтажа в стойку, либо индивидуальные инжекторы для включения в разрыв одного кабеля. Неоспоримая польза этой технологии в том, что в случае организации питания PoE-коммутатора от источника бесперебойного питания, в случае падения напряжения питание будет подаваться не только на этот коммутатор, но и на все устройства, подключенные к нему по технологии PoE, что существенно повысит надежность сети на случай проблем с электропитанием.

Модель TCP / IP и набор протоколов для начинающих

Любой, кто начинает изучать компьютерные сети, столкнется с изучением сетевых моделей OSI и TCP / IP , а также набора протоколов TCP / IP .

В этом руководстве мы рассмотрим модели сетевых протоколов и объясним, как и почему они структурированы по уровням.

Затем мы рассмотрим наиболее распространенный набор протоколов, набор протоколов TCP / IP и 4-уровневую модель .

Что вы узнаете

• Что такое протоколы и что такое набор протоколов
• Почему протоколы используют модель стека или уровня
• Модели OSI и TCP / IP
• Как протоколы работают в сетях.
• Модель TCP / IP, уровни протокола и основные протоколы на каждом уровне.
• Сетевое оборудование и сетевые уровни

Что такое протокол?

Протокол — это набор правил, регулирующих взаимодействие систем.Для работы в сети они определяют, как данных передается из одной системы в другую.

Что такое пакет протоколов?

Набор протоколов — это набор протоколов, предназначенных для совместной работы.

До того, как TCP / IP стал стандартом де-факто, были распространены другие пакеты протоколов, такие как IPX и SPX (Novell).

Стеки протоколов

Можно написать единый протокол, который берет данные из одного компьютерного приложения и отправляет их в приложение на другом компьютере.- A Протокол одного стека

Проблема с этим подходом в том, что он очень негибкий, поскольку любые изменения требуют изменения всего программного обеспечения приложения и протокола.

Подход, используемый в сети, заключается в создании многоуровневых стеков протоколов .

Каждый уровень стека выполняет определенную функцию и взаимодействует с уровнями выше и ниже него.

Эта многоуровневая структура не ограничивается сетью, и, вероятно, лучше всего понять, как она работает, если сравнить ее с примером из реальной жизни.

Рассмотрим пример службы доставки посылок между двумя офисами.

Задача простая — отправить посылки между людьми в каждом офисе.

Мы разделим задачу на два отдельных процесса следующим образом:

1. Возьмите пакет, заверните и исправьте.
2. Отправить по назначению

на принимающей стороне

1. Получите посылку
2. Доставить получателю

Обычно у вас есть внутренний почтовый менеджер, который:

1. Собирает посылки у отправителей и доставляет их в комнату отправки почты.
2. Посылки помещаются диспетчером в фургон, а затем отправляются в удаленный офис.

В удаленном офисе

1. Посылки принимаются диспетчером и помещаются в лоток для почтальона
2. Почтальон собирает посылки и доставляет их получателям,

Вот простая диаграмма для иллюстрации процесса:

Вопрос действительно в том, в чем преимущество разделения задачи на разные уровни / задачи?

Ответ состоит в том, что любой из слоев / задач может быть изменен, не затрагивая другие уровни.

Так, например, если мы решим использовать поезд вместо фургона для перевозки сообщений между офисами, мы сможем сделать это, не затрагивая почтальона.

На самом деле почтальон не знает и не заботится о том, как посылки транспортируются между офисами, поскольку все, что он делает, это собирает их и передает курьеру.

Хотя это кажется очень простым и, возможно, тривиальным, он все же иллюстрирует некоторые очень важные моменты, которые имеют решающее значение, когда доходит до понимания сетевых протоколов и того, как они организованы.

Сетевые модели OSI и TCP / IP

Все сетевые курсы обучают 7-уровневой модели OSI .

Важно понимать, что эта модель обеспечивает концептуальную основу, и никакие современные протоколы не реализуют эту модель полностью.

Набор протоколов TCP / IP использует 4-уровневую модель .

Примечание. Модель OSI — это идеализированная сетевая модель, а модель TCP / IP — это практическая реализация.

На диаграмме показано сравнение моделей TCP / IP и OSI

В этой статье дается хороший обзор уровней протокола OSI и их функций

Важно понимать, что интерфейсы между интерфейсами хорошо определены, так что теоретически можно заменить конкретный протокол другим протоколом, работающим на этом уровне.

Например, теоретически вы должны иметь возможность заменить сетевой протокол IP на сетевой протокол IPX , не влияя на то, как приложение e.г. POP3 работает.

Хотя этот не всегда применяет , протоколы приложений, такие как SMTP, POP3 и т. Д., Будут работать нормально с различными протоколами передачи данных, такими как Ethernet, Token Ring и т. Д.

Сквозные соединения — маршрутизаторы, коммутаторы и OSI

Когда два компьютера обмениваются данными по сети, данные должны проходить через различные элементы сетевого оборудования.

Часто используются термины уровень 2 и уровень 3 оборудование.Эти термины относятся к уровням OSI стека протоколов , на которых работает устройство.

Маршрутизатор, например, работает на сетевом уровне и является устройством уровня 3 .

Коммутатор работает на уровне Ethernet и является устройством уровня 2 .

Поскольку маршрутизатор работает на сетевом уровне, не должен поддерживать протоколы приложений верхнего уровня, такие как HTTP, FTP и т. Д.

Маршрутизатор работает с сетевым адресом, который является частью сетевого протокола ( IP или IPX ).

Маршрутизатор может одновременно маршрутизировать множество различных протоколов, но не выполняет преобразование протокола .

Входящий IP-пакет будет выходить IP-пакетом , а входящий IPX-пакет будет выходить IPX-пакетом .

Для преобразования протокола вам понадобится шлюз.

Аналогично коммутатор не имеет стеков протоколов 3,4,5,6 или 7 уровней, поскольку они ему не нужны, и поэтому он не заботится о протоколе маршрутизации IP, IPX и т. Д. Или о приложении. FTP, HTTP и т. Д., Которые проходят через него.

Поскольку коммутатор работает на уровне 2 (канальный уровень), ему необходимо понимать только MAC-адреса , которые являются частью протокола Ethernet .

Набор протоколов TCP / IP

Набор протоколов TCP / IP состоит из множества протоколов, работающих на одном из 4 уровней.

Набор протоколов назван в честь двух наиболее распространенных протоколов — TCP (протокол управления передачей) и IP (интернет-протокол).

TCP / IP был разработан, чтобы быть независимым от сетевого оборудования и должен работать через любые средства связи.

Самое раннее и наиболее распространенное использование — над сетями Ethernet .

Ethernet — это двухуровневый протокол / стандарт , охватывающий физический уровень и уровень канала передачи данных , показанный на диаграмме выше.

Важные примечания:

HTTP (протокол передачи гипертекста) -Это рабочая лошадка Интернета.

SMTP, POP3, IMap4 — это протоколы электронной почты

TCP (протокол управления передачей) — это протокол, ориентированный на установление соединения, который используется для обеспечения надежного сквозного соединения.

UDP (используемый протокол дейтаграмм) — протокол без установления соединения и не гарантирует доставку. См. UDP против TCP — в чем разница?

Приложения будут выбирать , какой протокол передачи использовать в зависимости от их функции. HTTP, POP3, IMAP4, SMTP и многие другие используют TCP.

UDP больше используется в служебных приложениях, таких как DNS, RIP (протокол информации о маршрутизации), DHCP.

IP (Интернет-протокол) — это основной сетевой протокол. Есть две версии IP (IPv4 и IPV6).

ARP (протокол разрешения адресов) — Преобразует IP-адрес в MAC или физический адрес. (Сети IP4)

Сводка

Набор протоколов TCP / IP — это набор протоколов, которые используются в Интернете.

Он назван в честь двух основных протоколов ( TCP и IP ) и использует 4-уровневую сетевую модель .

Вопросы?

Чего не хватает в этом руководстве? Что не объясняется должным образом? Дайте мне знать, используя раздел комментариев ниже, и помогите мне улучшить этот урок.

Статьи по теме и ресурсы:

Оцените? И используйте Комментарии, чтобы сообщить мне больше

[Всего: 114 Среднее: 3.6/5]

.

ГЛАВА 1 СЕТЕВЫЕ МОДЕЛИ TCP / IP И OSI Карточки

.