Сучасні мережі побудовані по багаторівневому принципі. Мережеве взаємодія комп'ютерів в мережі описується за допомогою еталонної моделі взаємодії відкритих систем OSI (Open System Interconnect). Вона була розроблена на початку 80-х років міжнародна організація по стандартизації ISO як архітектурна модель передачі інформації по мережі. Модель регламентує взаємодію локальних і глобальних мереж, створює основу для стандартизації програмних і апаратних засобів. Такий підхід забезпечує можливість передачі інформації між різними типами локальних і глобальних мереж, дозволяє пристроям одного виробника взаємодіяти з пристроями інших виробників. Не всі розробники мережевого обладнання та програмного забезпечення в точності дотримуються цієї моделі, однак вона дає основи для розуміння способів взаємодії мережевих компонент.
Модель описує структуру рівнів мережі, кожен з яких забезпечує виконання певної частини мережевих функцій при обміні даними між комп'ютерами. Модель поділяє працююче обладнання та процеси, що відбуваються при об'єднанні комп'ютерів в мережу, відповідно до логіки їх роботи. Кожен з рівнів виконує свою специфічну задачу, тим самим, забезпечуючи функціонування всієї системи в цілому.
Під відкритими системами в даному контексті розуміють локальні і глобальні мережі, побудовані на основі доступних для всіх (відкритих) правил і специфікацій. Стандарт описує структуру самих відкритих систем, вимоги до них, їх взаємодія. Модель OSI (рис.1.) Складається з семи рівнів, кожен з яких представляє певний етап процесу мережевої комунікації. На кожному рівні діє протокол - набір правил і угод, що регламентує обмін інформацією по мережі. Модулі, що реалізують протоколи сусідніх рівнів і що знаходяться в одному вузлі, також взаємодіють один з одним відповідно до чітко встановлених правил і за допомогою стандартизованих форматів повідомлень. Ці правила прийнято називати інтерфейсом. Інтерфейс визначає послуги, що надаються даним рівнем сусідньому рівню. По суті, протокол і інтерфейс виражають одне й те саме поняття, але традиційно в мережах за ними закріплені різні області дії: протоколи визначають правила взаємодії модулів одного рівня в різних вузлах, а інтерфейси - модулів сусідніх рівнів в одному вузлі. Засоби кожного рівня повинні обробляти, по-перше, свій власний протокол, а по-друге, інтерфейси з сусідніми рівнями.
Комп'ютери, які беруть участь в обміні, повинні працювати за одними і тими ж протоколами, щоб в результаті передачі вся інформація відновлювалася в первісному вигляді. Мережеві протоколи управляють різними аспектами передачі інформації: фізичної зв'язком, доступом до різних ресурсів, розбиттям переданого повідомлення на пакети, вибором маршруту для передачі даних, виявленням помилок і ін. Групи подібних протоколів, мають імена, що відповідають рівню моделі OSI, на якому працюють: мережевий , транспортний і т.п.
Нормативи OSI описують такі моменти функціонування мережі:
· Взаємодія мережевих пристроїв, в тому числі пристроїв, що використовують різні протоколи;
· Принципи дії та способи фізичного з'єднання мережевих пристроїв;
· Методи забезпечення правильності передачі даних;
· Способи підтримки безперервного потоку даних в мережевих пристроях;
· Способи подання даних у вигляді електричних сигналів при передачі по мережевому середовищі.
Багаторівнева структура використовується для спрощення та впорядкування великої кількості протоколів, створення мережевих систем з модулів програмного забезпечення, випущених різними виробниками. Мета нижчестоящого рівня - надання послуг вищестоящому. Кожен рівень взаємодіє тільки з тими рівнями, які знаходяться поруч з ним (вище і нижче нього). Верхній рівень моделі відповідає працює в даний момент з додатком, нижній - безпосередній передачі сигналів по каналу зв'язку.
Потоки інформації в моделі організовані так, що кожен рівень передбачає, що він безпосередньо взаємодіє з однойменною рівнем іншого вузла. Як показано на рис.1. мережевий рівень комп'ютера 1 вважає, що він взаємодіє з мережевим рівнем комп'ютера 2. Між однойменними рівнями комп'ютерів мережі існує віртуальна (логічна) зв'язок. Реальну ж, фізичний зв'язок (кабель, радіоканал) абоненти однієї мережі мають лише на самому нижньому, фізичному рівні. У передавальному комп'ютері інформація проходить всі рівні, починаючи з верхнього і закінчуючи нижнім. У приймаючому комп'ютері отримана інформація робить зворотний шлях: від нижнього рівня до верхнього.
Ієрархічно організований набір протоколів, достатній для організації взаємодії вузлів в мережі, називається стеком комунікаційних протоколів.
Комунікаційні протоколи можуть бути реалізовані як програмно, так і апаратно. Протоколи нижніх рівнів часто реалізуються комбінацією програмних і апаратних засобів, а протоколи верхніх рівнів - як правило, чисто програмними засобами.
Фізичний рівень описує фізичні середовища передачі даних (коаксіальний кабель, вита пара, оптоволоконний кабель), перетворює дані в переданий сигнал (біти), відповідний середовищі. Цей рівень розпізнає фізичну структуру мережі, враховує характеристики фізичних середовищ: смугу пропускання, перешкодозахищеність, хвильовий опір і інші, визначає рівні напруги або струму сигналу, що передається, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Крім цього, тут стандартизуються типи роз'ємів і призначення кожного контакту. Функції фізичного рівня реалізуються у всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережевим адаптером.
Для забезпечення якісного транспортування повідомлень в мережах будь-яких топологій і технологій можливостей канального рівня виявляється недостатньо, тому в моделі OSI рішення цієї задачі покладається на два наступних рівня - мережевий і транспортний.
На мережевому рівні визначається два види протоколів: мережеві (routed protocols), що реалізують просування пакетів через мережу, і протоколи маршрутизації (routing protocols). Протоколи мережевого рівня реалізуються програмними модулями операційної системи, а також програмними і апаратними засобами маршрутизаторів.
На шляху від відправника до одержувача пакети можуть бути спотворені або загублені. Транспортний рівень забезпечує додаткам або верхнім рівням стека - прикладному і сеансовому - передачу даних з тим ступенем надійності, яка їм потрібна. Модель OSI визначає п'ять класів сервісу. наданих транспортним рівнем. Ці види сервісу відрізняються якістю наданих послуг: терміновістю, можливістю відновлення перерваного зв'язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне - здатністю до виявлення і виправлення помилок передачі, таких як спотворення, втрата і дублювання пакетів.
Рис.1. Модель взаємодії відкритих систем OSI.
Вибір класу сервісу транспортного рівня визначається, з одного боку, тим, якою мірою завдання забезпечення надійності вирішується самими додатками і протоколами більш високих, ніж транспортний, рівнів, а з іншого боку, цей вибір залежить від того, наскільки надійною є система транспортування даних в мережі, забезпечується рівнями, розташованими нижче транспортного - мережевим, канальним і фізичним. Так, наприклад, якщо якість каналів передачі зв'язку є дуже високою і ймовірність виникнення помилок, не виявлених протоколами більш низьких рівнів, невелика, то доцільно використовувати один з більш простих сервісів транспортного рівня, які не передбачають перевірки правильності доставки пакетів, квотування та інші способи підвищення надійності. Протоколи, починаючи з транспортного рівня і вище, реалізуються програмними засобами кінцевих вузлів мережі - компонентами їх мережевих операційних систем.
Нижні рівні моделі OSI вирішують транспортні завдання. Їх так і називають - транспортною підсистемою. Ці рівні реалізуються у вигляді апаратних засобів і програмного забезпечення. Три верхніх рівня працюють з додатками. Процеси, які відбуваються на рівні користувача і додатки, взаємодіють з комунікаційними компонентами прикладного програмного забезпечення.
Сеансовий рівень забезпечує управління сеансом обміну даними: фіксує, яка зі сторін є активною в поточний момент, надає засоби синхронізації, передає запити і повідомлення додатків, які перебувають на різних комп'ютерах. На практиці деякі додатки використовують сеансовий рівень, і він рідко реалізується у вигляді окремих протоколів, хоча функції цього рівня часто об'єднують з функціями прикладного рівня і реалізують в одному протоколі.
Всі матеріали в розділі "Комунікації і зв'язок"