Что такое модель OSI и зачем она нужна: препарируем слоёный пирог интернета

Что происходит, когда вы отправляете сообщение, скажем, в Telegram? Понятно, что Telegram отправляет это сообщение. Но что в этот момент происходит в компьютере и в сети? Куда летят файлы и как они понимают, куда им лететь? Разберёмся вместе в этой статье.

Всё, что нужно знать о модели OSI:

• Что это такое
• Первый уровень OSI
• Второй уровень OSI
• Третий уровень OSI
• Четвёртый уровень OSI
• Пятый уровень OSI
• Шестой уровень OSI
• Седьмой уровень OSI
• Как модель работает на практике
• Что запомнить

Что такое модель OSI

Модель OSI (Open System Interconnection), или эталонная модель взаимодействия открытых систем описывает, как устройства в локальных и глобальных сетях обмениваются данными и что происходит с этими данными. Её предложили в 1984 году инженеры из Международной организации по стандартизации (ISO), которая работала над единым стандартом передачи данных по интернету.

При этом сама по себе эталонная модель — не стандарт интернета, как, например, TCP/IP; её можно сравнить с фреймворками в мире языков программирования: в OSI «из коробки» доступны разные веб-стандарты — UDP, HTTP, FTP, Telnet и другие. Всего таких протоколов — более 100 штук.

Модель OSI включает семь слоёв, или уровней, — причём каждый из них выполняет определённую функцию: например, передать данные или представить их в понятном для человека виде на компьютере. Кстати, у каждого слоя — свой набор протоколов.

Самый нижний слой отвечает за физическое представление данных, то есть за то, как данные передаются по проводам или с помощью радиоволн, а самый верхний — за то, как приложения взаимодействуют с сетью.

Нижний слой оперирует такими понятиями, как «тип кабеля» или «тип коннектора», а верхний — такими, как HTTP или API.

Рассмотрим каждый слой подробнее.

1-й уровень OSI — физический
(L1, physical layer)

На самом нижнем уровне модели OSI данные представляют собой физические объекты — ток, свет или радиоволны. Они передаются по проводам или с помощью беспроводных сигналов.

Этот слой работает с кабелями, контактами в разъёмах, модуляцией сигнала, кодированием единиц и нулей и другими низкоуровневыми штуками. По сути, первый уровень — это уровень проводов и физических способов передачи сигнала. Минимальная абстракция.

Самый известный протокол на физическом уровне — Ethernet. Он описывает, как сигналы кодируются и передаются по проводам. Кроме него есть Bluetooth, Wi-Fi и ИК-порт, которые также содержат инструкции для передачи данных.

Устройства физического уровня — концентраторы и репитеры. Они работают с физическим сигналом «втупую» и не вникают в его логику: получили данные — передали их дальше по проводу.

2-й уровень OSI — канальный
(L2, data link layer)

Над физическим уровнем располагается канальный. Его задача — проверить целостность полученных данных и исправить ошибки. Этот уровень «поумнее» предыдущего: он уже понимает, что разные амплитуды напряжений отвечают разным битам — нулям и единицам. А ещё канальный уровень умеет кодировать сигналы в биты и передавать их дальше.

Полученные с нижнего уровня данные делятся на фреймы, или кадры. Каждый фрейм состоит из служебной информации — например, адреса отправителя и адреса получателя, — а также самих данных.

Получается что-то вроде почтового конверта. На лицевой стороне у него написано, от кого пришло письмо, а внутри находится само письмо (в нашем случае данные).

Лицевая сторона конверта — это MAC-адрес устройства, которое отправило нам информацию. Он нужен, чтобы идентифицировать устройства в локальной сети, состоит из 48 или 64 бит и выглядит примерно так:

Ещё один важный факт о MAC-адресах: когда на заводе собирают ноутбук или смартфон, ему сразу же присваивают определённый MAC-адрес, который потом уже никак нельзя поменять. MAC-адрес настольных ПК зашит в сетевую карту, поэтому его можно изменить, только заменив эту самую карту.

С помощью команды ifconfig можно узнать MAC-адрес вашего Macbook или компьютера на Linux. В Windows нужно ввести команду ipconfig.

Канальный уровень не так прост — он делится ещё на два подуровня:

• уровень управления логическим каналом — LLC (logical link control);
• уровень управления доступом к среде — тот самый MAC (media access control).

Первый подуровень нужен для взаимодействия с верхним уровнем, сетевым, а второй — для взаимодействия с нижним, физическим.

Устройства канального уровня — коммутаторы и мосты. Они нужны, чтобы передавать фреймы нужному адресату. Протоколы канального уровня — PPP, CDP.

3-й уровень OSI — сетевой
(L3, network layer)

Этот уровень отвечает за маршрутизацию данных внутри сети между компьютерами. Здесь уже появляются такие термины, как «маршрутизаторы» и «IP-адреса».

Маршрутизаторы позволяют разным сетям общаться друг с другом: они используют MAC-адреса, чтобы построить путь от одного устройства к другому.

Данные на сетевом уровне представляются в виде пакетов. Такие пакеты похожи на фреймы из канального уровня, но используют другие адреса получателя и отправителя — IP-адреса.

Чтобы получить IP-адрес обоих устройств (отправителя и получателя), существует протокол ARP (address resolution protocol). Он умеет конвертировать MAC- в IP-адрес и наоборот.

4-й уровень OSI — транспортный
(L4, transport layer)

Из названия понятно, что на этом уровне происходит передача данных по сети. Так и есть. Два главных протокола здесь — TCP и UDP. Они как раз и отвечают за то, как именно будут передаваться данные.

TCP (Transmission Control Protocol) — это протокол, который гарантирует доставку данных в корректном виде. Он жёстко следит за каждым битом информации, но работает гораздо медленнее UDP.

Например, когда вы вводите логин и пароль при входе в социальную сеть, очень важно, чтобы все символы отправились в определённой последовательности. Если какие-то потеряются или изменятся, вы просто не сможете авторизоваться. Поэтому протокол TCP использует разные методы проверок — например, контрольные суммы.

А вот в видео или аудио небольшие потери некритичны, зато важна скорость передачи данных. Для таких задач как раз и придумали протокол UDP (user datagram protocol). Он уже не проверяет цельность битов, его задача — как можно быстрее передать данные с одного устройства на другое.

В протоколе TCP данные делятся на сегменты. Каждый сегмент — часть пакета. Сегменты нужны, чтобы передавать информацию по сети, учитывая её пропускную способность.

Например, если вы передаёте данные с компьютера, у которого пропускная способность 100 Мб/c, на смартфон с пропускной способность 10 Мб/c, то данные разделятся так, чтобы не застревать в самом медленном устройстве.

Ещё сегментация важна для надёжности. Один большой пакет может потеряться или направиться не тому адресату. А маленькие пакеты снижают риск подобных ошибок и даже позволяют проверять их количество. Если какой-то сегмент не получилось доставить, протокол TCP может запросить его у отправителя снова. Так обеспечивается надёжность.

В UDP данные делятся на датаграммы — это примерно то же, что и пакет, только датаграммы автономны. Каждая датаграмма имеет всё необходимое, чтобы дойти до получателя. Поэтому они не зависят от сети и могут доставляться по разным маршрутам и в произвольном порядке.

5-й уровень OSI — сеансовый
(L5, session layer)

Начиная с этого уровня и выше, данные имеют уже нормальный вид — например, привычных нам JPEG- или MP3-файлов. Задача сети на этих уровнях — представить информацию в понятном для человека виде и сделать так, чтобы пользователь мог её как-то «потрогать».

Сеансовый уровень управляет соединениями, или сессиями. Типичный пример — звонок по Skype или Zoom. Когда вы звоните другому человеку, между вашими компьютерами устанавливается соединение, по которому передаются аудио и видео. Если такое соединение разорвать, то и ваш звонок прервётся.

На сеансовом уровне очень важно, чтобы соединение правильно установилось и поддерживалось. То есть механизмы протоколов должны проверить, что у обоих собеседников есть нужные кодеки и сигнал между устройствами присутствует.

6-й уровень OSI — уровень представления данных
(L6, presentation layer)

На этом уровне происходит преобразование форматов данных — их кодирование и сжатие. Например, полученные данные могут превратиться в GIF- или MP4-файл. То же самое происходит и в обратном порядке: когда пользователь отправляет файл другому человеку, данные сначала конвертируются в биты и сжимаются, а потом уже передаются на транспортный уровень.

Помимо кодировки и сжатия на уровне представления, данные могут шифроваться — если, конечно, это необходимо.

7-й уровень OSI — прикладной
(L7, application layer)

Последний уровень модели OSI — прикладной. На нём находятся сетевые службы, которые помогают без проблем сёрфить в интернете.

Прикладной уровень похож на некий графический интерфейс для всей модели OSI — с его помощью пользователь взаимодействует с другими уровнями, даже не подозревая об этом. Этот интерфейс называется сетевым.

Самые популярные из сетевых интерфейсов — это HTTP, HTTPS, FTP и SMTP. А «устройства» здесь — это уже программы: Zoom, Telegram, браузеры.

Как на практике работает сетевая модель OSI

В начале статьи мы задались вопросом: а как передаются сообщения в Telegram? Настало время на него ответить — и показать весь процесс передачи данных по модели OSI.

Мы хотим отправить сообщение нашему другу. Печатаем текст и нажимает кнопку «Отправить», а дальше перемещаемся внутрь компьютера.

Прикладной уровень. Приложение Telegram работает на прикладном уровне модели OSI. Когда мы печатаем текст сообщения и нажимаем кнопку «Отправить», эти данные передаются на сервер мессенджера, а оттуда — нашему другу.

Весь процесс проходит через API разных библиотек — например, для HTTP-запросов. Интерфейсы позволяют без лишних проблем обмениваться данными и не погружаться в то, как они представлены на низком уровне. Всё, что нужно знать, — это какую функцию вызвать и какие переменные туда передать.

Уровень представления. Здесь данные должны преобразоваться в унифицированный формат, чтобы их можно было передавать на разные устройства и операционные системы. Например, если мы отправляем сообщение c Windows на macOS, данные должны быть в читаемом для компьютеров Apple виде. Такая же ситуация и с другими устройствами.

Раз мы собираемся передать данные на другой компьютер, их нужно перевести в бинарный формат. После этого начнётся сам процесс передачи по сети.

Сеансовый уровень. Чтобы данные успешно передались сначала на сервер Telegram, а затем к нашему другу, приложению нужно установить соединение, или сеанс. Он обеспечивает синхронизацию между устройствами и восстанавливает связь, если она прервалась.

Благодаря сеансам вы можете видеть, что собеседник что-то печатает или отправляет вам картинки или видео. Но главная задача этого соединения — обеспечить стабильное соединение для передачи данных.

Транспортный уровень. Когда соединение установлено и данные унифицированы, пора передавать их. Этим занимается транспортный уровень.

Здесь данные разбиваются на сегменты и к ним добавляется дополнительная информация — например, номер порта и контрольные суммы. Всё это нужно, чтобы данные дошли до пользователя в целостности.

Сетевой уровень. Теперь данным нужно найти маршрут к устройству нашего друга, а затем отправить их по нему. Поэтому данные упаковываются в пакеты и к ним добавляются IP-адреса.

Чтобы получить IP-адрес устройств, которым нужно отправить пакеты, маршрутизаторы (устройства сетевого уровня) обращаются к ARP. Этот протокол быстро найдёт адрес получателя и отдаст его нам.

Канальный уровень. Здесь данные передаются от одного MAC-адреса к другому. Изначальный текст делится на фреймы — с заголовками и контрольными суммами для проверки целостности данных.

Физический уровень. И на самом нижнем уровне данные в виде электрических сигналов передаются по проводам, кабелям или по радиоволнам. Тут только одна задача — как можно быстрее откликаться на сигналы свыше.

После прохождения всех уровней модели OSI сообщение успешно доставляется на устройство нашего друга. Правда, в реальности это занимает всего миллисекунды.

Что запомнить

Модель OSI описывает, как работает весь интернет: как электрические сигналы преобразуются в картинки с котиками и как устройства обмениваются этими данными.

Модель включает семь уровней:

• физический;
• канальный;
• сетевой;
• транспортный;
• сеансный;
• представления;
• прикладной.

На каждом уровне находятся определённые протоколы, которые помогают данным перемещаться или превращаться в удобный для пользователей формат.