Модель OSI

Один из любимых вопросов, который задают на собеседованиях по IT-специальностям.

Что такое модель OSI?

Модель взаимодействия открытых систем (OSI) — это концептуальная модель, созданная Международной организацией по стандартизации (ISO), которая позволяет различным системам связи взаимодействовать с использованием стандартных протоколов. Проще говоря, OSI предоставляет стандарт, позволяющий разным компьютерным системам обмениваться данными.

Модель OSI можно рассматривать как универсальный язык для компьютерных сетей. Она основана на разделении системы связи на семь абстрактных уровней, каждый из которых надстраивается над предыдущим.

7 уровней модели OSI

1. Физический (Physical)
2. Канальный (Data Link)
3. Сетевой (Network)
4. Транспортный (Transport)
5. Сеансовый (Session)
6. Представления (Presentation)
7. Прикладной (Application)

Каждый уровень модели OSI выполняет свою задачу и взаимодействует с уровнями выше и ниже. Например, DDoS-атаки могут нацеливаться на конкретные уровни: атаки на прикладной уровень (уровень 7) или на протокольные уровни (уровни 3 и 4).

Почему модель OSI важна?

Хотя современный интернет не строго следует модели OSI (он больше ориентирован на более простой стек протоколов TCP/IP), модель OSI всё ещё крайне полезна для диагностики сетевых проблем. Независимо от того, не может ли один человек подключить ноутбук к интернету или сайт недоступен для тысяч пользователей, модель OSI помогает локализовать проблему. Если удаётся определить, на каком именно уровне возникла неполадка, можно избежать лишней работы.

7 уровней модели OSI

Семь абстрактных уровней модели OSI (сверху вниз).

7. Прикладной уровень (Application Layer)

Это единственный уровень, который напрямую взаимодействует с пользовательскими данными. Веб-браузеры, почтовые клиенты и другие приложения используют прикладной уровень для инициирования связи. Однако сами клиентские приложения не являются частью этого уровня — он отвечает за протоколы и обработку данных, которые позволяют приложениям представлять информацию пользователю.

RDP, HTTP, SMTP, FTP, POP3, SMTP, WebSocket, SNMP, XMPP, OSCAR, SIP, Telnet.

6. Уровень представления (Presentation Layer)

Этот уровень подготавливает данные для прикладного уровня:

• Перевод данных (если устройства используют разные кодировки).
• Шифрование и дешифровка (если соединение защищено).
• Сжатие данных (для ускорения передачи).

ASCII, EBCDIC, SSL, gzip.

5. Сеансовый уровень (Session Layer)

Отвечает за открытие, поддержание и закрытие сеанса связи между устройствами. Также синхронизирует передачу данных с контрольными точками (checkpoints). Например, при передаче большого файла сеансовый уровень может сохранять прогресс, чтобы при обрыве соединения не пришлось начинать заново.

RPC, PAP, L2TP, gRPC.

4. Транспортный уровень (Transport Layer)

Обеспечивает сквозную связь между устройствами:

• Разбивает данные на сегменты (отправка) и собирает их (приём).
• Контролирует поток данных (чтобы быстрое соединение не перегружало медленное).
• Обеспечивает корректность передачи (проверяет целостность данных и запрашивает повтор при ошибке).

TCP, UDP, SCTP, Порты. Основные протоколы: TCP (надёжный) и UDP (быстрый, но без гарантии доставки).

3. Сетевой уровень (Network Layer)

Отвечает за передачу данных между разными сетями:

• Разбивает сегменты на пакеты.
• Определяет оптимальный маршрут (роутинг).
• Собирает пакеты на стороне получателя.

IPv4, IPv6, IPsec, AppleTalk, ICMP, IGMP.

2. Канальный уровень (Data Link Layer)

Обеспечивает передачу данных внутри одной сети:

• Разбивает пакеты на кадры (frames).
• Контролирует ошибки и поток данных (как и транспортный уровень, но в пределах сети).

PPP, IEEE 802.22, Ethernet, DSL, ARP, сетевая карта.

Часто говорят, что канальный уровень включает в себя два подуровня: MAC (Medium Access Control) и LLC (Logical Link Control):

• MAC — подуровень канального уровня, отвечающий за управление доступом к физической среде передачи данных. Он обеспечивает метод контроля доступа, такие как CSMA/CD в Ethernet.
• LLC — подуровень канального уровня, отвечающий за управление логическими соединениями, кадрами и контроль ошибок, обеспечивая интерфейс между сетью и MAC-подуровнем.

1. Физический уровень (Physical Layer)

Отвечает за передачу битов (1 и 0) через физическую среду (кабели, Wi-Fi). Преобразует данные в сигналы и наоборот.

USB, RJ (витая пара, коаксиальный, оптоволоконный), радиоканал/

Как данные проходят через модель OSI?

Когда данные передаются от одного устройства к другому, они «спускаются» по уровням модели OSI на отправляющей стороне и «поднимаются» по ним на принимающей.

Пример

1. Пользователь пишет письмо в почтовом клиенте (уровень 7).
2. Данные сжимаются (уровень 6)., инициируется сеанс связи (уровень 5).
3. Транспортный уровень (4) разбивает данные на сегменты, сетевой (3) — на пакеты, канальный (2) — на кадры.
4. Физический уровень (1) преобразует всё в биты и отправляет по кабелю или Wi-Fi.
5. На стороне получателя процесс повторяется в обратном порядке, пока письмо не отобразится в почтовом клиенте.

Таким образом, модель OSI обеспечивает стандартизированный подход к сетевому взаимодействию, упрощая разработку и диагностику сетей.

Недостатки OSI

Несмотря на то, что модель OSI до сих пор используется в качестве эталона для обучения и документации, протоколы OSI, изначально задуманные для этой модели, не получили популярности. Некоторые инженеры утверждают, что эталонная модель OSI всё ещё актуальна для облачных вычислений. Другие считают, что оригинальная модель OSI не соответствует современным сетевым протоколам, и вместо этого предлагают упрощённый подход.

В протоколах по модели OSI выявился целый ряд проблем ("UNIX. Руководство системного администратора" Эви Немет):

• эти протоколы основывались на концепциях, не имеющих в современных сетях никакого смысла
• их спецификации были в некоторых случаях неполными
• по своим функциональным возможностям они уступали другим протоколам
• наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации.

TCP/IP

Три верхних уровня в модели OSI, то есть уровень прикладной (Application), представления (Presentation) и сеансовый (Session) отдельно не различаются в модели TCP/IP. Физический (Physical) уровень и канальный (Data Link) объединены.

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:

1. Прикладной уровень (Application Layer)
2. Транспортный уровень (Transport Layer)
3. Межсетевой уровень (Сетевой уровень) (Internet Layer)
4. Канальный уровень (Link Layer).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему, в частности, обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями.