Какая единица данных протокола pdu относится к транспортному уровню

Протокольная единица данных. Инкапсуляция. Мультиплексирование.

Protocol Data Unit (PDU) — протокольная единица обмена, модуль данных протокола (в OSI представляет собой объект данных, которыми обмениваются «машины протокола» (сущности уровня) в пределах данного уровня; содержит как управляющую информацию (PCI), так и пользовательские данные).

Инкапсуляция – метод построения модульных сетевых протоколов, при котором логически независимые функции сети абстрагируются от нижележащих механизмов путем включения или инкапсулирования в более высокоуровневые объекты.

PDU – Protocol Data Unit (протокольная единица обмена).

Мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing) — уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу, при помощи устройства под названием мультиплексор.

Стек протоколов. Стеки osi, ipx/spx, NetBios, tcp/ip.

Протокол – определяет набор правил, регламентирующих взаимодействие двух узлов.

Сетевой протокол определяет:

Формат или структуру сообщения

Процесс обмена информации о путях к другим сетям

Как и когда ошибки и системные сообщения передаются между устройствами

Установка и прекращение сессии передачи данных

Стек протоколов – иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.

Cтек OSI — это набор вполне конкретных спецификаций протоколов, образующих согласованный стек протоколов. Этот стек протоколов поддерживает правительство США в своей программе GOSIP. Все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях после 1990 года, должны либо непосредственно поддерживать стек OSI, либо обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем.

Особенности стека IPX/SPX обусловлены особенностями ОС NetWare, а именно ориентацией ее ранних версий (до 4.0) на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. Поэтому Novell нужны были протоколы, на реализацию которых требовалось минимальное количество оперативной памяти и которые бы быстро работали на процессорах небольшой вычислительной мощности. В результате, протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени хорошо работали в локальных сетях и не очень — в больших корпоративных сетях, так как слишком перегружали медленные глобальные связи широковещательными пакетами, которые интенсивно используются несколькими протоколами этого стека (например, для установления связи между клиентами и серверами).

Это обстоятельство, а также тот факт, что стек IPX/SPX является собственностью фирмы Novell и на его реализацию нужно получать у нее лицензию, долгое время ограничивали распространенность его только сетями NetWare.

NetBIOS может обеспечить сервис более высокого уровня, чем протоколы IPX и SPX, однако не обладает способностью к маршрутизации. Таким образом, NetBIOS не является сетевым протоколом в строгом смысле этого слова. NetBIOS содержит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к сетевому, транспортному и сеансовому уровням, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов, так как в протоколе обмена кадрами NetBIOS не вводится такое понятие как сеть. Это ограничивает применение протокола NetBIOS локальными сетями, не разделенными на подсети. NetBIOS поддерживает как дейтаграммный обмен, так и обмен с установлением соединений.

Cтек TCP/IP, называемый также стеком Internet, является одним из наиболее популярных и перспективных стеков коммуникационных протоколов.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Блок данных протокола (PDU)

Данные, передаваемые на разных уровнях в сети, формируются в виде блоков, называемых протокольными блоками данных (Protocol Data Unit — PDU). PDU представляет собой единицу данных, передаваемую как единое целое и имеющую обрамление в виде заголовка со служебной информацией (адрес отправителя, адрес получателя, длина блока и т.п.) и, возможно, концевика.
На разных уровнях OSI-модели используются разные PDU, имеющие специальные названия. Наибольшее распространение получили следующие названия блоков данных: сообщение, дейтаграмма, пакет, кадр.

IP-пакеты состоят из заголовка и полезной нагрузки. Заголовок пакета IPv4 состоит из:
4 бита содержат версию пакета: IPv4 или IPv6.
4 бита содержат длину интернет-заголовка, которая измеряется отрезками по 4 байта (например, 5 означает 20 байт).
8 бит содержат тип обслуживания, известный также как качество обслуживания (QoS), описывающее приоритеты пакета.
16 бит содержат длину пакета в байтах.
16 бит содержат тег идентификации, помогающие восстановить пакет из нескольких фрагментов.
3 бита содержат нуль, флаг разрешения фрагментации пакета (DF: не фрагментировать), а также флаг разрешения дальнейшей фрагментации (MF: фрагментировать дальше).
13 бит содержат смещение фрагмента, поле для идентификации положение фрагмента в исходном пакете.
8 бит содержат время жизни (TTL), которое определяет количество переходов (через маршрутизаторы, компьютеры и сетевые устройства), разрешённых пройти пакету, прежде чем он исчезнет (например, пакету с TTL 16 разрешено пройти не более 16 маршрутизаторов, чтобы добраться до места назначения).
8 бит содержат протокол (TCP, UDP, ICMP и т. д.).
16 бит содержат контрольную сумму заголовка, используемую при обнаружении ошибок.
32 бит содержат IP-адрес источника.
32 бит содержат адрес назначения.

Данные — общий термин для обозначения PDU прикладного уровня
Сегмент — PDU транспортного уровня
Пакет — PDU сетевого уровня
Кадр — PDU уровня канала данных
Биты — PDU физического уровня, используемый при физической передаче данных по среде передачи

Сетевая модель и терминология OSI

В какой-то момент истории модели OSI многие люди думали, что OSI выиграет битву сетевых моделей, обсуждавшихся ранее. Если бы это произошло, вместо работающего стека TCP/IP на каждом компьютере в мире эти компьютеры работали бы с OSI.

Однако OSI не выиграла эту битву. Фактически, OSI больше не существует как сетевая модель, которую можно было бы использовать вместо TCP/IP, хотя некоторые из исходных протоколов, на которые ссылается модель OSI, всё еще существуют.

Итак, почему OSI упоминается даже в этой серии статей? Терминология. В те годы, когда многие люди думали, что модель OSI станет обычным явлением в мире сетевых технологий (в основном в конце 1980-х – начале 1990-х годов), многие производители и документы протоколов начали использовать терминологию модели OSI. Эта терминология сохраняется и сегодня. Итак, хотя вам никогда не придется работать с компьютером, использующим OSI, для понимания современной сетевой терминологии вам всё-таки необходимо кое-что понимать об OSI.

Сравнение названий и номеров уровней OSI и TCP/IP

С концептуальной точки зрения модель OSI имеет много общего с моделью TCP/IP. Она содержит уровни, и каждый уровень определяет набор типовых сетевых функций. Как и в случае с TCP/IP, каждый уровень OSI относится к нескольким протоколам и стандартам, которые реализуют функции, определенные этим уровнем. В других случаях, как и в случае TCP/IP, комитет OSI не создавал новые протоколы или стандарты, а вместо этого ссылался на другие протоколы, которые уже были определены. Например, IEEE определяет стандарты Ethernet, поэтому комитет OSI не тратил время на определение нового типа Ethernet; он просто ссылался на стандарты IEEE Ethernet.

Сегодня модель OSI можно использовать как стандарт для сравнения с другими сетевыми моделями. На рисунке 1 сравнивается семиуровневая модель OSI с четырехуровневой и пятиуровневой моделями TCP/IP.

Рисунок 1 – Модель OSI в сравнении с двумя моделями TCP/IP

Обратите внимание, что используемая сегодня модель TCP/IP в правой части рисунка использует те же названия уровней, что и OSI на нижних уровнях. Функции, как правило, также совпадают, поэтому при обсуждении сети и чтении сетевой документации думайте об этих четырех нижних уровнях как об эквивалентных по названию, количеству и значению.

Несмотря на то, что сегодня в мире используется TCP/IP, а не OSI, мы, как правило, используем нумерацию уровней OSI. Например, когда речь идет о протоколе прикладного уровня (уровня приложений) в сети TCP/IP, мир по-прежнему называет этот протокол «протоколом уровня 7» (Layer 7 protocol). Кроме того, в то время как TCP/IP включает больше функций на уровне приложений, OSI разбивает его на сеансовый уровень, уровень представления и прикладной уровень. В большинстве случаев никто не заботится о различиях, поэтому вы, возможно, увидите такие фразы, как «протокол уровня 5–7» (Layer 5–7 protocol), опять же с использованием нумерации OSI.

Для целей данной серии статей необходимо знать соответствие между пятиуровневой моделью TCP/IP и семиуровневой моделью OSI, показанное на рисунке 1, и знать, что ссылка на уровень 7 на самом деле соответствуют уровню приложений модели TCP/IP.

Терминология инкапсуляции данных в OSI

Как и TCP/IP, каждый уровень OSI запрашивает услуги у следующего нижнего уровня. Для предоставления этих услуг каждый уровень использует заголовок и, возможно, трейлер (концевик). Нижний уровень инкапсулирует данные верхнего уровня после своего заголовка.

OSI использует более общий термин для обозначения сообщений (а не кадр, пакет и сегмент как в TCP/IP). OSI использует термин «блок данных протокола» (PDU, protocol data unit). PDU представляет биты, которые включают в себя заголовок и трейлер (концевик) для заданного уровня, а также инкапсулированные данные. Например, IP-пакет, как показано на рисунке 2 в стать «Терминология инкапсуляции данных», используя терминологию OSI, является PDU, а точнее PDU уровня 3 (сокращенно L3PDU), поскольку IP является протоколом уровня 3. OSI просто ссылается на PDU уровня x (LxPDU), где x – это номер обсуждаемого уровня, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Инкапсуляция OSI и блоки данных протокола

Уровни эталонной модели OSI

Модель OSI (Open Systems Interconnection model) — это сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO. С помощью данной модели различные сетевые устройства могут взаимодействовать друг с другом. Модель определяет различные уровни взаимодействия систем. Каждый уровень выполняет определённые функции при таком взаимодействии.

В данной статье мы рассмотрим назначение уровней эталонной модели osi, с подробным описанием каждого из семи уровней модели.

Процесс организации принципа сетевого взаимодействия, в компьютерных сетях, довольно-таки сложная и непростая задача, поэтому для осуществления этой задачи решили использовать хорошо известный и универсальный подход — декомпозиция.

Декомпозиция — это научный метод, использующий разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач — серий (модулей), связанных между собой.

Многоуровневый подход:

• все модулей дробятся на отдельные группы и сортируются по уровням, тем самым создавая иерархию;
• модули одного уровня для осуществления выполнения своих задач посылает запросы только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня;
• включается работу принцип инкапсуляции – уровень предоставляет сервис, пряча от других уровней детали его реализации.

На Международную Организацию по Стандартам (International Standards Organization, ISO, созданная в 1946 году) возложили задачу создания универсальной модели, которая четко разграничит и определит различные уровни взаимодействия систем, с поименованными уровнями и с наделением каждого уровня своей конкретной задачи. Эту модель назвали моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI .

Эталонная Модель Взаимосвязи Открытых Систем (семиуровневая модель osi) введена в 1977 г.

После утверждения данной модели, проблема взаимодействия была разделена (декомпозирована) на семь частных проблем, каждая из которых может быть решена независимо от других.

Уровни эталонной модели

Уровни эталонной модели OSI представляют из себя вертикальную структуру, где все сетевые функции разделены между семью уровнями. Следует особо отметить, что каждому такому уровню соответствует строго описанные операции, оборудование и протоколы.

Взаимодействие между уровнями организовано следующим образом:

• по вертикали — внутри отдельно взятой ЭВМ и только с соседними уровнями.
• по горизонтали — организовано логическое взаимодействие — с таким же уровнем другого компьютера на другом конце канала связи (то есть сетевой уровень на одном компьютере взаимодействует с сетевым уровнем на другом компьютере).

Так как семиуровневая модель osi состоит из строгой соподчиненной структуры, то любой более высокий уровень использует функции нижележащего уровня, причем распознает в каком именно виде и каким способом (т.е. через какой интерфейс) нужно передавать ему поток данных.

Рассмотрим, как организуется передача сообщений по вычислительной сети в соответствии с моделью OSI. Прикладной уровень — это уровень приложений, то есть данный уровень отображается у пользователя в виде используемой операционной системы и программ, с помощью которой выполняется отправка данных. В самом начале именно прикладной уровень формирует сообщение, далее оно передается представительному уровню, то есть спускается вниз по модели OSI. Представительный уровень, в свою очередь, проводит анализ заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия, и добавляет в начало сообщения свою служебную информацию, в виде заголовка представительного уровня, для представительного уровня узла назначения. Далее движение сообщения продолжается вниз, спускается к сеансовому уровню, и он, в свою очередь, также добавляет свои служебные данные, в виде заголовка вначале сообщения и процесс продолжается, пока не достигнет физического уровня.

Следует отметить, что помимо добавления служебной информации в виде заголовка вначале сообщения, уровни могут добавлять служебную информацию и в конце сообщения, который называется «трейлер».

Когда сообщение достигло физического уровня, сообщение уже полностью сформировано для передачи по каналу связи к узлу назначения, то есть содержит в себе всю служебную информацию добавленную на уровнях модели OSI.

Помимо термина «данные» (data), которое используется в модели OSI на прикладном, представительном и сеансовом уровнях, используются и другие термины на других уровнях модели OSI, чтобы можно было сразу определить на каком уровне модели OSI выполняется обработка.

В стандартах ISO для обозначения той или иной порции данных, с которыми работают протоколы разных уровней модели OSI, используется общее название — протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определенных уровней часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), сегмент (segment).

Функции физического уровеня

• на этом уровне стандартизируются типы разъемов и назначение контактов;
• определяется, каким образом представляются «0» и «1»;
• интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством (передает электрические или оптические сигналы в кабель или радиоэфир, принимает их и преобразует в биты данных);
• функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети;
• оборудование, работающее на физическом уровне: концентраторы;
• Примеры сетевых интерфейсов, относящихся к физическому уровню: RS-232C, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI, ВNС .

Функции канального уровня

• нулевые и единичные биты Физического уровня организуются в кадры — «frame». Кадр является порцией данных, которая имеет независимое логическое значение;
• организация доступа к среде передачи;
• обработка ошибок передачи данных;
• определяет структуру связей между узлами и способы их адресации;
• оборудование, работающее на канальном уровне: коммутаторы, мосты;
• примеры протоколов, относящихся к канальному уровню: Ethernet , Token Ring , FDDI, Bluetooth , Wi-Fi , Wi-Max, X.25, FrameRelay, ATM.

Для ЛВС канальный уровень разбивается на два подуровня:

• LLC (LogicalLinkControl) –отвечает за установление канала связи и за безошибочную посылку и прием сообщений данных;
• MAC (MediaAccessControl) – обеспечивает совместный доступ сетевых адаптеров к физическому уровню, определение границ кадров, распознавание адресов назначения (например, доступ к общей шине).

Функции сетевого уровня

• определения пути передачи данных;
• определения кратчайшего маршрута; ; ;
• отслеживания неполадок и заторов в сети.

• передача сообщений по связям с нестандартной структурой;
• согласование разных технологий;
• упрощение адресации в крупных сетях;
• создание барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Оборудование, работающее на сетевом уровне: маршрутизатор.
Виды протоколов сетевого уровня:

• сетевые протоколы (продвижение пакетов через сеть: IP , ICMP);
• протоколы маршрутизации: RIP, OSPF;
• протоколы разрешения адресов (ARP).

Функции транспортного уровня модели osi

• обеспечивает приложениям (или прикладному и сеансовому уровням) передачу данных с требуемой степенью надежности, компенсирует недостатки надёжности более низких уровней;
• мультиплексирование и демультиплексирование т.е. сбора и разборка пакетов;
• протоколы предназначены для взаимодействия типа «точка—точка»;
• начиная с данного уровня, протоколы реализуются программными средствами конечных узлов сети — компонентами их сетевых ОС;
• примеры: протоколы TCP , UDP .

Функции сеансового уровня

• поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время;
• создание/завершение сеанса;
• обмен информацией;
• синхронизация задач;
• определение права на передачу данных;
• поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений.
• синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при сбоях.

Функции представительного уровня

• отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям;
• возможно осуществление:
• сжатия/распаковки или кодирования/декодирования данных;
• перенаправления запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.
• пример: протокол SSL (обеспечивает секретных обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня TCP/IP).

Функции прикладного уровня модели osi

• является набором разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, организуют совместную работу;
• обеспечивает взаимодействие сети и пользователя;
• разрешает приложениям пользователя иметь доступ к сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке электронной почты;
• отвечает за передачу служебной информации;
• предоставляет приложениям информацию об ошибках;
• пример: HTTP, POP3, SNMP, FTP.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни семиуровневой модели osi

По своим функциональным возможностям семь уровней модели OSI можно отнести к одной из двух групп: