Сучасні моделі опису комп’ютерних мереж (моделі OSI та TCP/IP), їх порівняльний аналіз

Модель OSI і реальні протоколи

Семирівнева модель OSI є теоретичною, і містить ряд недоліків.

Були спроби будувати мережі в точній відповідності із моделлю OSI,

але створені таким чином мережі були дорогими, ненадійними і не-

зручними в експлуатації.

Реальні мережеві протоколи, які використовуються в існуючих

мережах, вимушені відхилятися від неї, забезпечуючи непередбачені

можливості, тому прив‘язка деяких з них до рівнів OSI є умовною:

певні протоколи займають декілька рівнів моделі OSI, функції забез-

печення надійності реалізовані на декількох рівнях моделі OSI.

Основний недолік OSI — непродуманий транспортний рівень.

На ньому OSI дозволяє обмін даними між програмами (вводячи по-

няття порту — ідентифікатора програми), однак, можливість обміну

простими дейтаграмами (за типом UDP) у OSI не передбачена — тра-

нспортний рівень повинен утворювати з‘єднання, забезпечувати дос- тавку, управляти потоком і тому подібне (за типом TCP). Однак, реа-

льні протоколи таку можливість реалізують.

2.6. Недоліки моделі OSI, реальні архітектурні рівні та TCP/IP

2.7. Сімейство TCP/IP

Сімейство TCP/IP має два транспортні протоколи: TCP, повніс-

тю відповідний OSI, такий, що забезпечує перевірку отримання даних,

і UDP, що відповідає транспортному рівню тільки наявністю порту,

забезпечує обмін дейтаграмами між програмами, не гарантує отри-

мання даних. (У сімействі TCP/IP є ще близько двохсот протоколів,

найвідомішим з яких є ICMP; але вони службові — використовуються

для внутрішніх потреб забезпечення роботи мережі, а не транспортні.

Хоча приклади реалізації транспортного каналу зв‘язку на нетранспо-

ртних протоколах існують і працюють.

2.10. Стек протоколів TCP/IP як реалізація DOD моделі

З того часу, коли сімейство протоколів TCP/IP було вперше вве-

дене в широкий вжиток в 1970-х та стандартизоване в 1982 році, мож-

на легко розділити всі протоколи, які оперують на 3-му рівні (Інтер-

нет-рівні) в 5-рівневій моделі TCP/IP як транспортні або не транспор-

тні.

Різниця полягає в тому, що транспортні протоколи можуть не-

сти в собі додаткові дані, які визначаються програмним забезпеченням

або будь-якою іншою сутністю, що знаходиться вище стека TCP/IP на

вузлі, а пакети нетранспортних протоколів цілком складаються зі

службової інформації, релевантної до походження, призначення та

методу доставки тощо.

Хоча існує певна кількість протоколів з транспортними можли-

востями вже реалізованих, стандартизованих чи існуючих як пропози- ції, тільки два з них найбільш відомі та визнаються справжніми тран-

спортними протоколами, лише тому, що вони були зарані спроектова-

ні як суто транспортні протоколи—Transmission Control Protocol (TCP)

та User Datagram Protocol (UDP).

Розглядаючи будь яке програмне забезпечення, що працює в Ін-

тернет та здійснює певний обмін даними з логічно віддаленими вуз-

лами, можна бути впевненим, що це робиться за допомогою TCP, або

UDP, або обома.

Приклади програмного забезпечення, що використовує TCP:

простір WWW/FTP, електронна пошта, мережі обміну миттєвими по-

відомленнями, однорангові мережі.

UDP більше всього використовується для запитів DNS, IP-

телефонії та інших служб VOIP чи потокового мультимедійного кон-

тенту, ігри через Інтернет — таким чином покриваючи всі головні об-

ласті повсякденної роботи Інтернет. Цілком природно, що більшість користувацьких систем блоку-

вання небажаного трафіку (файрволів, firewall) з побіжною інтеграці-

єю в операційну систему розглядають активність тільки TCP або UDP

як таку, що підлягає перевірці з точки зору безпеки.

Пошук у багатьох Інтернет-джерелах та особливо в документа-

ції стандартів RFC, виявляє декілька інших протоколів, спеціально

розроблених як транспортні. Це протоколи Datagram Congestion

Control Protocol (DCCP), Internet Link (IL), Reliable User Datagram

Protocol (RUDP), та Stream Control Transmission Protocol (SCTP).

Зробивши певне дослідження на цю тему, можна виявити, що

всі вищезгадані протоколи, окрім UDP та TCP, або не реалізовані на

цільовій платформі, або існуючі реалізації нежиттєздатні.

В третьому тисячолітті Інтернет відіграє важливу роль як сере-

довище для обміну та збереження даних. За два десятиліття постійно-

го розвитку, технології Інтернет постійно змінюються, вдосконалю-

ються, стають застарілими та заміняються новими. Зміна базових архітектурних концепцій для Інтернет трапляєть-

ся набагато рідше. Прикладом такої недавньої очевидної зміни є кон-

цепція однорангових мереж. Стек протоколів TCP/IP (англ. Transmission Control

Protocol/Internet Protocol) — збірна збиральна назва для мережевих

протоколів різних рівнів, які використовуються в мережах.

У моделі OSI даний стек реалізує всі рівні і ділиться сам на 4 рі-

вні: прикладний, транспортний, міжмережевий, рівень доступу до ме-

режі (у OSI це рівні — фізичний, канальний і, частково, мережевий).

На стеку протоколів TCP/IP побудована вся взаємодія користу-

вачів в мережі, від програмної оболонки до канального рівня моделі

OSI. По суті це база, на якій зав‘язана вся взаємодія. При цьому стек є

незалежним від фізичного середовища передачі даних. 2.11. Рівні стека TCP/IP

Існують розбіжності в тому, як вписати модель TCP/IP в модель

OSI, оскільки рівні в цих моделях не співпадають.

До того ж, модель OSI не використовує додатковий рівень —

«Internetworking» — між транспортним і мережевим рівнями. Прикла-

дом спірного протоколу може бути ARP або STP.

Традиційно протоколи TCP/IP вписуються в модель OSI наступ-

ним чином:

Прикладний — HTTP, SMTP, SNMP, FTP, Telnet, scp, NFS,

RTSP.

Представницький — XML, XDR, ASN.1, SMB, AFP.

Сеансовий — TLS, SSL, ISO 8327 / CCITT X.225, RPC,

NETBIOS, ASP.

Транспортний — TCP, UDP, RTP, SCTP, SPX, ATP, DCCP, BGP,

GRE. Мережевий — IP, ICMP, IGMP, CLNP, ARP, RARP, OSPF, RIP,

IPX, DDP.

Канальний — Ethernet, Token ring, PPP, HDLC, X.25, Frame

relay, ISDN, АТМ, MPLS, Wi-Fi.

Фізичний — електричний струм, радіо, лазер.

Зазвичай в стеку TCP/IP верхні 3 рівні (прикладний, представ-

ницький і сеансовий) моделі OSI об‘єднують в один — прикладний.

Оскільки в такому стеку не передбачається уніфікований протокол

передачі даних, функції за визначенням типу типа даних передаються додатку. Спрощено інтерпретацію стека TCP/IP можна представити

так:

Прикладний «7 рівень», напр. HTTP, FTP, DNS

(RIP, що працює поверхнево UDP, і BGP, що працює поверхнево

TCP, є з‘являються частиною часткою мережевого рівня)

Транспортний, напр. TCP, UDP, RTP, SCTP, DCCP

(протоколи маршрутизації, подібні OSPF, що працюють поверх-

нево IP, є з‘являються частиною часткою мережевого рівня)

Міжмережевий, для TCP/IP це IP (IP)

(допоміжні протоколи, ніби начеб ICMP і IGMP працюють по-

верхнево IP, але та є з‘являються частиною часткою мережевого рів-

ня; ARP не працює поверхнево IP)

Канальний, напр. Ethernet, Token ring, і подібні.

Фізичний, напр. фізичне середовище і принципи кодування ін-

формації, T1, E1. Зупинимось на відповідності рівнів моделі OSI та TCP/IP дета-

льніше.

Фізичний рівень описує середовище передачі даних (кабель, оп-

товолокно або радіоканал), фізичні характеристики такого середовища

і принцип передачі даних (розділення каналів, модуляцію, амплітуду

сигналів, частоту сигналів, спосіб синхронізації передачі, час очіку-

вання відповіді і максимальну відстань).

Канальний рівень описує, яким чином передаються пакети да-

них через фізичний рівень, включаючи кодування (тобто спеціальні

послідовності бітів, що визначають початок і кінець пакету даних).

Ethernet, наприклад, в полях заголовка пакету містить вказівку,

якій машині або машинам в мережі призначений цей пакет.

Приклади протоколів канального рівня — Ethernet, IEEE 802.11

Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, АТМ і MPLS.

PPP не зовсім вписується в таке визначення, тому зазвичай опи- сується у вигляді пари протоколів HDLC/SDLC.

MPLS займає проміжне положення між канальним і мережевим

рівнем і його не можна віднести ні до одного з них.

Канальний рівень іноді розділяють на 2 підрівні — LLC і MAC. Спочатку розроблений для передачі даних із однієї (під) мережі

в іншу. Прикладами такого протоколу є X.25 і IPC в мережі

ARPANET.

З розвитком концепції глобальної мережі до рівня були внесені

додаткові можливості передачі з будь-якої мережі в будь-яку мережу,

незалежно від протоколів нижнього рівня, а також можливість запиту

даних від віддаленої сторони, наприклад, в протоколі ICMP (викорис-

товується для передачі діагностичної інформації IP-з‘єднання) і IGMP

(використовується для управління multicast-потоками).

ICMP і IGMP розташовані над IP і повинні потрапити на насту-

пний — транспортний рівень, але функціонально вони є протоколами

мережевого рівня, тому їх неможливо вписати в модель OSI.

Пакети мережевого протоколу IP можуть містити код, показую-

чий, який саме протокол такого рівня потрібно використовувати, щоб

отримати дані з пакету. Це число — унікальний IP-номер протоколу.

ICMP і IGMP мають номери, відповідно, 1 і 2.

Протоколи транспортного рівня можуть вирішувати проблему негарантованої доставки повідомлень («чи дійшло повідомлення до

адресата?»), а також гарантувати правильну послідовність надхо-

дження даних.

У стеку TCP/IP транспортні протоколи визначають для якої саме

програми призначені ці дані.

Протоколи автоматичної маршрутизації логічно представлені на

цьому рівні (оскільки працюють поверх IP), але насправді є частинами

протоколів мережевого рівня. Таким є, наприклад, протокол OSPF (IP

ідентифікатор 89).

TCP (IP ідентифікатор 6) — «гарантований» транспортний ме-

ханізм з попереднім встановленням з‘єднання, що надає програмі на-

дійний потік даних, упевненість в безпомилковості отриманих даних,

перезапитуючи дані в разі втрати, знімає дублювання даних.

TCP дозволяє регулювати навантаження на мережу, а також

зменшувати час очікування даних при передачі на великі відстані. Бі-

льше того, TCP гарантує, що отримані дані були відправлені точно в

такій же послідовності. У цьому його головна відмінність від UDP. UDP (IP ідентифікатор 17) протокол передачі дейтаграм без

встановлення з‘єднання. Також його називають протоколом «ненадій-

ної» передачі, в сенсі неможливості упевнитися в доставці повідом-

лення адресатові, а також можливого перемішування пакетів. У про-

грамах, що вимагають гарантованої передачі даних, використовується

протокол TCP.

UDP зазвичай використовується в таких задачах як потокове ві-

део і комп‘ютерні ігри, де допускається втрата пакетів, а повторний

запит утруднений або не виправданий, або в програмах виду запит-

відповідь (наприклад, запити до DNS), де створення з‘єднання займає

більше ресурсів, ніж повторна відправка.

І TCP, і UDP використовують для визначення протоколу верх-

нього рівня число, що називається номером порта. Існує список стан-

дартних портів TCP і UDP.

На прикладному рівні працюють більшість мережевих програм.

Ці програми мають свої власні протоколи обміну інформацією, наприклад, HTTP для WWW, FTP (передача файлів), SMTP (елект-

ронна пошта), SSH (безпечне з‘єднання з віддаленою машиною), DNS

(перетворення символьних імен в IP-адреси) і багато інших.

В своїй масі ці протоколи працюють поверх TCP або UDP, і

прив‘язані до певного порту, наприклад:

 HTTP на TCP — порт 80 або 8080;

 FTP на TCP — порт 20 (для передачі даних) і 21 (для ке-

руючих команд);

 SSH на TCP — порт 22;

 запити DNS на порт UDP (рідше TCP) 53;

 оновлення маршрутів по протоколу RIP на UDP — порт

520;

Ці порти визначені Агентством по виділенню імен і унікальних

параметрів протоколів (IANA).

Безперечно, до цього рівня відносяться: DHCP, Echo, Finger,

Gopher, HTTP, HTTPS, IMAP, IMAPS, IRC, NNTP, NTP, POP3, POPS,

QOTD, RTSP, SNMP, SSH, Telnet, XDMCP.