Многоуровневая структура протоколов и эталонные модели

Многоуровневая структура протоколов организует сетевую функциональность в стек уровней, каждый из которых предоставляет определённую услугу вышестоящему уровню через интерфейс, при этом эталонные модели OSI и TCP/IP представляют собой два канонических способа разделения этих функций.

Definition

Эталонная модель — это абстрактная многоуровневая структура, которая разделяет функции связи на уровни, каждый из которых определяется предоставляемой им услугой, интерфейсом, который он представляет смежному уровню, и протоколом, который он использует для связи со своим аналогом на другом хосте.

Scope

Эта тема охватывает причины и способы многоуровневой организации сетевых протоколов: понятия услуги, интерфейса и протокола; инкапсуляцию данных при их прохождении вниз по стеку; а также две основные эталонные модели. В ней сравниваются семиуровневая модель OSI (физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительский, прикладной) с пятиуровневой моделью Интернет/TCP-IP, объясняется назначение каждого уровня и причины, по которым модель Интернет объединяет верхние уровни OSI. Она не включает детальные механизмы внутри какого-либо отдельного уровня, которые рассматриваются в соответствующих темах.

Core questions

• Что такое услуга, интерфейс и протокол уровня, и чем они отличаются?
• Какую функцию выполняет каждый уровень моделей OSI и TCP/IP?
• Что такое инкапсуляция и как заголовки накапливаются вниз по стеку?
• Почему Интернет принял пятиуровневую модель, а не полную семиуровневую модель OSI?
• Каковы преимущества и недостатки строгой многоуровневой структуры?

Key concepts

• услуга, интерфейс и протокол уровня
• семиуровневая модель OSI
• пятиуровневая модель TCP/IP
• инкапсуляция и заголовки
• физический и канальный уровни
• сетевой и транспортный уровни
• сеансовый и представительский уровни
• прикладной уровень
• единицы данных протокола

Key theories

Услуга, интерфейс и протокол

Многоуровневая структура различает услугу, предоставляемую уровнем, интерфейс, через который вышестоящий уровень получает к ней доступ, и протокол, посредством которого одноранговые сущности на одном и том же уровне обмениваются данными; разделение этих элементов позволяет изменять реализации без нарушения работы смежных уровней.

Инкапсуляция

По мере того как сообщение спускается по стеку, каждый уровень оборачивает полученные данные своим собственным заголовком (а иногда и концевиком), так что единица на каждом уровне несёт вышестоящие уровни в качестве полезной нагрузки; получатель выполняет обратную операцию при подъёме.

Философия проектирования Интернета

Интернет DARPA был построен на основе простой, надёжной сети с негарантированной доставкой и интеллектом на конечных хостах, отдавая приоритет живучести и совместимости перед всеобъемлющим набором функций OSI, что сформировало более компактную модель TCP/IP.

Clinical relevance

Эталонные модели — это общий словарь, который инженеры используют для определения и обсуждения функциональности: утверждение, что проблема «находится на уровне 3» или что устройство является «коммутатором уровня 2», точно сообщает, где в стеке оно работает. Модели направляют устранение неполадок, стандарты взаимодействия и модульную разработку сетевого программного и аппаратного обеспечения.

History

Эталонная модель OSI была разработана ISO в конце 1970-х годов и формализована Циммерманом в 1980 году как независимая от поставщиков структура. Параллельно, набор протоколов TCP/IP вырос из исследований ARPANET, а статья Кларка 1988 года сформулировала его философию проектирования. Хотя стек OSI никогда не был полностью развёрнут, его терминология сохраняется, в то время как модель TCP/IP стала операционным стандартом Интернета.

Debates

Педагогическая ценность OSI против операционной реальности TCP/IP

Семь уровней OSI чётко разделяют такие функции, как сеансовый и представительский, которые в стеке Интернета объединены в приложениях, что делает OSI полезной для обучения; критики утверждают, что она избыточно спроектирована и никогда не соответствовала реальным системам, поэтому учебники представляют обе модели для разных целей.

Key figures

• Hubert Zimmermann
• David D. Clark
• Vinton Cerf
• Robert Kahn

Seminal works

• zimmermann1980
• clark1988
• kurose2021

Frequently asked questions

Сколько уровней имеет стек протоколов Интернета?

Стек Интернета обычно описывается как пятиуровневый: прикладной, транспортный, сетевой, канальный и физический. Семиуровневая модель OSI добавляет сеансовый и представительский уровни между прикладным и транспортным, функции, которые модель Интернета оставляет на усмотрение приложений.

Что такое инкапсуляция?

Инкапсуляция — это процесс, при котором каждый уровень добавляет свою собственную управляющую информацию, обычно заголовок, вокруг данных, переданных с вышестоящего уровня. К тому времени, когда данные достигают физического канала, они обёрнуты в несколько слоёв заголовков, которые принимающий хост удаляет по одному слою за раз.