Сетевая модель OSI: что это такое и зачем ее используют, простой разбор

Модель OSI – это эталонная семиуровневая модель, которая описывает процесс передачи данных в компьютерных сетях.

Сегодня мы подробно разберем, что такое сетевая модель OSI, как она работает и почему важна для понимания современного цифрового мира. Наш материал пригодится каждому, кто планирует или уже работает с сетями и веб-технологиями.

Для чего нужна и как работает OSI

Для начала – совсем немного исторического контекста.

Когда в 1960-х годах начали появляться первые компьютерные сети – в университетах, государственных и других учреждениях – каждая организация старалась придумать собственные сетевые протоколы, стандарты и правила передачи данных. В результате одно устройство не могло общаться с другими, особенно если они были от разных производителей.

Именно эту проблему – совместимость самых разных устройств – и призвана решить модель OSI (от англ. Open Systems Interconnection – взаимодействие открытых систем).

Она разработана в конце 1970-х годов и позволяет разобраться, как организована сеть, какие задачи выполняются на каждом этапе и как уровни взаимодействуют между собой. 

Модель не только помогает понять устройство современных сетей, но и служит основой для проектирования, диагностики и оптимизации инфраструктуры. Даже несмотря на появление новых технологий, OSI остается базовым инструментом сетевого инженера.

Илья Глейкин

 Ведущий бизнес-консультант компании АРБАЙТ  

Модель OSI включает такие уровни:

1. Физический уровень (L1)

Отвечает за передачу сигналов – электрических, оптических или радиоволн. На физическом уровне сетевой модели OSI функционируют концентраторы, медиаконвертеры и прочие устройства, задача которых – принять сигнал и передать его дальше.

1. Канальный уровень (L2)

Объединяет устройства в одной локальной сети (компьютеры, принтеры, коммутаторы и т. п.) с целью обеспечить корректную передачу кадров по физическому каналу связи. Канальный уровень сетевой модели OSI выполняет формирование кадров из битов, определение MAC-адреса и контроль ошибок.

1. Сетевой уровень (L3)

Главное, за что отвечает сетевой уровень модели OSI, – доставка данных между устройствами в разных сетях. Именно сетевой уровень модели OSI выполняет логическую адресацию (IP), маршрутизацию пакетов между сетями, сопоставление IP- и MAC-адресов с помощью ARP.

1. Транспортный уровень (L4)

Четвертый уровень сетевой модели OSI следит, чтобы данные от приложения дошли до адресата без потерь и в правильном порядке. Для этого TCP разбивает данные на сегменты, которые затем инкапсулируются в IP-пакеты. В отличие от L3, который решает, куда доставить пакет, транспортный уровень сетевой модели OSI определяет, какому прикладному процессу (через номера портов) предназначены данные.

1. Сеансовый уровень (L5)

Обеспечивает установку, поддержание и завершение сеанса связи между приложениями. Например, когда к одному сайту подключаются несколько пользователей, необходимо поддержание логической сессии, управление состоянием соединения и его восстановление.

1. Уровень представления (L6)

Задача шестого уровня – преобразование представления данных (кодировки, сжатие, шифрование, например, UTF-8, ASN.1, TLS-шифрование), чтобы приложения могли их воспринимать вне зависимости от того, как они устроены внутри. Здесь данные кодируются и декодируются, сжимаются и распаковываются, шифруются и дешифруются.

1. Прикладной уровень (L7)

L7 – это точка, в которой сеть встречается с пользователем. Назначение уровня – дать приложениям возможность использовать сетевые функции для обмена данными, поэтому тут применяются такие протоколы, как HTTP, SMTP, FTP, DNS и проч. В результате конечный пользователь отправляет и получает данные, не заботясь о транспортных механизмах.

Эксперты также выделяют неформальный восьмой уровень, под которым понимается человеческий фактор и политические решения, – ведь кибербезопасность сейчас не ограничивается серверами, межсетевыми экранами и алгоритмами шифрования, а любое решение в конечном итоге принимает человек: пользователь, администратор, руководитель, регулятор, политик.

Теперь – о том, как модель OSI работает на практике.

Примеры работы модели OSI

Для наглядности на примере двух ситуаций разберем, что происходит на каждом уровне OSI.

1. Отправка email

1. L7: почтовый клиент генерирует письмо и отправляет его по протоколу SMTP, формируя сообщение, добавляя адрес получателя, тему и текст.
2. L6: текст письма кодируется, при необходимости сжимается и шифруется – к примеру, может использоваться кодировка UTF-8 или Base64.
3. L5: установка сеанса связи с почтовым сервером – например, если используется Gmail, связь будет организована между ПК и сервером Google.
4. L4: данные письма разбиваются на сегменты TCP, которые затем инкапсулируются в IP-пакеты.
5. L3: сегменты преобразуются в пакеты (при этом определяется IP-адрес отправителя и получателя) и маршрутизируются к почтовому серверу.
6. L2: пакеты преобразуются в кадры и доставляются в пределах локальной сети по MAC-адресам.
7. L1: биты передаются по сети в виде электрических, оптических или радиосигналов.

В момент, когда письмо дойдет до сервера адресата, весь этот процесс запустится в обратном порядке.

1. Передача файла через облачное хранилище

1. L7: приложение облачного сервиса (например, Dropbox или Nextcloud) инициирует загрузку файла по HTTP/HTTPS.
2. L6: данные файла кодируются, сжимаются и шифруются, словом – преобразовываются в формат, пригодный для передачи.
3. L5: устанавливается и поддерживается сеанс связи между клиентом и облачным сервером – если файл большой, соединение может оставаться активным в течение нескольких минут. 
4. L4: файл разбивается на сегменты и передается с помощью TCP, который следит, чтобы каждый из них дошел.
5. L3: в данном случае сетевой уровень модели OSI предназначен для инкапсуляции сегментов в IP-пакеты и маршрутизации к серверу – этот путь может включать такие промежуточные узлы, как балансировщики, шлюзы и т. д.
6. L2: каждый IP-пакет передается в виде кадра по конкретному физическому соединению (например, между ПК и роутером) с использованием MAC-адресов.
7. L1: биты файла передаются по кабелю, оптоволокну или Wi-Fi в виде физических сигналов.

Когда сервер в облаке принимает файл, декодирует, расшифровывает и сохраняет его, весь процесс запускается заново, уже в обратном порядке.

Знание работы сетевых протоколов позволяет глубже понимать, как работают ваши приложения и устройства. Это основа для всех, кто работает с устройствами, подключенными к единой сети.

Петр Емельянов

Эксперт по информационным технологиям, машинному обучению и кибербезопасности в Skillbox и генеральный директор Bloomtech

Как и у любой абстрактной модели, у OSI есть плюсы и минусы – остановимся на них подробнее.

Преимущества и недостатки OSI

Начнем с сильных сторон модели:

1. стандартизация – общий набор правил позволяет устройствам разных типов функционировать вместе;
2. структурированность – каждый уровень выполняет определенные функции и в случае проблемы всегда легко понять, где она возникла;
3. управляемость – базовые принципы OSI дают возможность контролировать процесс передачи данных на всех этапах.

Однако несмотря на свои достоинства, OSI считается скорее теоретической, чем практической моделью – и вот, почему:

1. длительная разработка – создание OSI заняло более 6 лет, к моменту ее завершения основой современного интернета успела стать TCP/IP, основанная на стеке сетевых протоколов TCP и IP;
2. сложность – разделение на 7 уровней не всегда оправдано, при этом некоторые задачи дублируются на разных уровнях;
3. закрытость – в отличие от TCP/IP, сетевая модель OSI не была свободной, а продвигалась международными стандартизирующими организациями (ISO, ITU).

Резюмируя, сегодня модель OSI используется как учебная и диагностическая модель, тогда как на практике востребованы другие модели – TCP/IP, стек протоколов IBM SNA и т. д.

FAQ о модели OSI

Почему OSI называют эталонной или теоретической?

Модель описывает идеальную структуру сетевого взаимодействия, а не конкретную реализацию сетей, тогда как реальные сети эволюционировали на основе более простого стека протоколов TCP/IP, который лишь частично соответствует уровням OSI.

Какой уровень OSI самый важный?

Все уровни работают вместе, однако для конечного пользователя наиболее значим прикладной уровень – ведь именно на нем работают знакомые каждому приложения и сервисы.

Может ли сетевое устройство работать на нескольких уровнях?

Да, практически все сетевые устройства работают одновременно на нескольких уровнях, например, роутер – на сетевом и канальном.

Как знание OSI помогает диагностировать проблему в сети?

Зная принцип работы OSI, можно понять, где именно возник сбой. Например, если сайт не открывается, но пинг до адреса проходит, значит, проблема не на сетевом и канальном уровнях, а выше – на транспортном или прикладном, что позволяет сосредоточить поиск на настройках файрвола, виртуального сервера или самого приложения.

Заключение

На собеседованиях в IT-компаниях часто звучит вопрос: “Что происходит после того, как вы вводите URL сайта в адресную строку и нажимаете Enter?”. 

Несмотря на кажущуюся простоту, этот вопрос затрагивает довольно широкий спектр тем, одной из которых и является OSI – своего рода справочная система, определяющая, как устройства взаимодействуют друг с другом по сети.

OSI часто относят к сетевым основам, входящим в техническую базу, которую должен знать любой IT-специалист, и особенно востребованными знания этой модели могут стать сегодня, когда развитие российского сетевого оборудования – амбициозная задача для многих компаний, на что указывают эксперты.

Развитие в первую очередь направлено в сторону повышения производительности, поддержки новых протоколов скоростной передачи данных. И это хороший тренд. Одновременно с этим также есть тренд на развитие решений программно-определяемых сетей, что очень важно для построения облачных и виртуальных инфраструктур.

Алексей Забродин  

Технический директор РТК-ЦОД

Надеемся, эта статья была для вас полезна и знание модели OSI позволит использовать современные технологии и протоколы во благо вашего проекта, а если вы захотите работать с большими данными, то наша облачная инфраструктура может помочь решать самые разные задачи.

Если у вас возникли вопросы, свяжитесь с нами удобным для вас способом – и мы обязательно ответим. Также ждем вас в нашем официальном Telegram-канале, а пообщаться на любую тему с коллегами по цеху и сотрудниками Beget вы можете в нашем чате.