Что такое модель OSI

Всем, кто начинает изучать сетевые технологии, рано или поздно придется столкнуться с загадочным сочетанием букв — OSI. Их будут повторять в учебниках, статьях на Хабре и (что особенно важно!) спрашивать на собеседованиях (если вы метите на хорошую должность в кибербезопасности, разработке или системном администрировании) — везде встретится модель OSI с ее семью уровнями, схемами, протоколами и прочими «сложностями».

Сама суть модели OSI (ее еще называют «эталонной моделью» не потому, что она идеальная, а потому, что это база) на самом деле не так уж и сложна. Это всего лишь наглядный способ разложить по полочкам, как данные путешествуют от одного устройства к другому. Иными словами, как работает интернет, если опустить технические тонкости и нюансы.

В этой статье мы объясним, что такое модель OSI простыми словами, без заумных фраз и перегрузки (очень постараемся) терминами. Посмотрим на каждый из семи уровней. А что самое главное, поймем, зачем нужна эта модель, где она реально помогает, а где уже морально устарела.

Что такое модель OSI

Модель OSI (Open Systems Interconnection) — это эталонная схема, которая описывает, как данные передаются по сети от одного устройства к другому. Ее разработали в 1977 году, чтобы проще объяснять, проектировать и понимать сетевые взаимодействия. При этом на практике специалисты чаще используют стек протоколов TCP/IP. 

Модель OSI делит процесс обмена данными на семь уровней. Каждый из них выполняет свою задачу — как начинка в бутерброде для идеального вкуса: салатный лист, помидор, колбаса — один слой подготавливает данные, другой их упаковывает, третий отвечает за доставку и так далее.    
⠀    
Мы здесь собрались для того, чтобы как можно проще и быстрее запомнить принцип работы модели OSI и ее уровней, поэтому давайте представим еще один образ — семиэтажный дом:

• на верхних этажах находятся приложения и пользовательские интерфейсы,
• на нижних — электрические сигналы, кабели и оборудование.

Каждый этаж важен и делает свою часть работы, а ее результат передает следующему. А когда данные доходят до адресата, весь процесс разворачивается в обратную сторону. То есть весь процесс передачи данных идет как сверху вниз, так и снизу вверх (у этих действий есть свои термины: «инкапсуляция» и «декапсуляция», о которых мы поговорим чуть позже).

Зачем нужна модель OSI

Эталонная модель OSI была придумана для того, чтобы упорядочить хаос, который часто сопутствует сложным и непонятным технологиям. Представим, что читатель решил взобраться на огромное ветвистое дерево, которое пугает своими масштабами и кажется невозможным когда-нибудь дотянуться хотя бы до нескольких веток. А если начать с самых нижних веток и медленно двигаться все выше по одной, то занятие это окажется гораздо проще, чем казалось на первый взгляд. Так и с пониманием модели OSI. Итак, она нужна, чтобы:

• Сделать сложное простым    
  Принцип модели — разложить все взаимодействия по уровням: что делает маршрутизатор, за что отвечает браузер, за что — сетевой кабель.
• Облегчить проектирование и совместимость    
  Производители и разработчики могут создавать свои устройства и программы, ориентируясь на определенные уровни модели. Это значит, что оборудование от разных компаний может работать вместе. 
• Обнаруживать и устранять ошибки    
  Зная на каком уровне происходит сбой, проще понять, где именно искать проблему — в приложении, на маршруте, в кабеле или на стороне пользователя. Вместо расплывчатых фраз можно сказать: «Ошибка на уровне 3», и все поймут, о чем речь.
• Учить    
  Модель OSI — это базовый минимум, с которого начинают обучение сетям. Даже если в жизни используют TCP/IP, эталонная модель остается фундаментальным ориентиром.

Теперь же рассмотрим несколько недостатков такой концепции. Да, даже у эталонных моделей есть свои недостатки:)

• Не отражает реальную архитектуру интернета    
  Большинство сетей используют модель TCP/IP, которая устроена немного иначе — она разделена не на 7 уровней, а на 4.
• Местами избыточна    
  Некоторые уровни, например, представительный и сеансовый, в реальных сетях часто объединены.

Семь уровней эталонной модели OSI

Уровень 1. Физический (Physical layer)

Физический уровень — это все, что касается передачи битов по проводам (оптоволоконные кабели) или «по воздуху» (WI-FI, мобильная связь). Он отвечает за то, чтобы единички и нолики (та самая двоичная система исчисления) добрались до адресата.

Уровень 2. Канальный (Data link layer)

Отвечает за передачу и превращение битов в кадры (фреймы) между устройствами, которые находятся в одной сети. Также канальный уровень следит, чтобы данные пришли без ошибок, и если что — запрашивает повторную отправку.

Когда вы подключаетесь к Wi-Fi, и ваш ноутбук получает MAC-адрес точки доступа — это работа канального уровня.

Уровень 3. Сетевой (Network layer)

Организует маршрутизацию — доставку пакетов от источника к получателю, даже если они находятся в разных сетях. Для третьего уровня были созданы устройства, которые занимаются построением маршрута — маршрутизаторы или роутеры.

Уровень 4. Транспортный (Transport layer)

Четвертый уровень — это мостик между теми самыми уровнями среды и хоста. Его основная задача — гарантировать, что данные пришли целыми и в нужном порядке. Транспортный уровень управляет соединением, разбивает данные на сегменты и может повторно запросить утерянные части.

На транспортном уровне работают два важных протокола — TCP и UDP. Когда вы смотрите видео на YouTube, и оно не «заикается» — это благодарность протоколу TCP. А если вы смотрите стрим в реальном времени — скорее всего, там работает UDP, где важна скорость, а не идеальная точность.

Уровень 5. Сеансовый (session layer)

Управляет сеансами связи — то есть открытием, поддержкой и завершением соединений между приложениями.

Представьте рабочий созвон по видеосвязи, где есть несколько потоков данных, которым важно идти синхронно, чтобы все участники процесса услышали и увидели друг друга — это и есть главная задача пятого уровня. 

Уровень 6. Представления данных (Presentation layer)

Отвечает за форматирование и преобразование данных. Он переводит данные из одного формата в другой: например, сжимает, шифрует или делает читаемыми для получателя (JPEG, MP3, GIF), помимо этого уровень представления шифрует данные, если их требуется защищать.

Если вы отправляете конфиденциальное письмо, шестой уровень закодирует его на одном конце и декодирует на другом. Также он «переводит» данные в нужную кодировку, чтобы вместо абракадабры вы получили человеческий текст.

Уровень 7. Прикладной (Application layer) 

Седьмой уровень — самый верхний. Многие специалисты определяют его как графический интерфейс всей модели OSI. Прикладной уровень ближе всего к пользователю. Он обеспечивает взаимодействие программ с сетью: браузеров, почтовых клиентов, мессенджеров и так далее. 

Когда вы открываете сайт или Telegram и отправляете сообщение другу — здесь срабатывает прикладной уровень. Он соединяет ваш интерфейс с сетью.

Что такое петли (loops) модели OSI

Представьте, что сообщение, которое вы отправили своему другу не дошло точно по адресу, а где-то потерялось. В таком случае могла возникнуть ситуация при которой данные (кадры, пакеты или сообщения в зависимости от уровня) начинают циркулировать по сети или между системами по замкнутому маршруту, не достигая своего назначения и не исчезая сами по себе. Это и есть петля.     

Они могут возникнуть на любом уровне модели OSI, но:

• На нижних уровнях (физическом, канальном, сетевом) это чаще аппаратно/протокольные проблемы — и они хорошо известны (Ethernet loop, routing loop).
• На верхних уровнях (транспортный, сеансовый, представления, прикладной) петли обычно связаны уже с логикой протокола или приложения, а не с кабелями или маршрутизаторами.
• Петля — это замкнутый путь для данных, который мог возникнуть из-за ошибки в топологии сети, неправильных настройках или логике протоколов.

Как данные проходят через разные уровни модели

Когда мы разбирали отдельно каждый уровень, то шли снизу вверх: 1,2,3 и так далее. Можно сказать, что мы повторили путь данных от самого первого сигнала в кабеле (на физическом уровне) до сообщения на экране телефона (на прикладном). Весь этот процесс передачи данных по модели OSI можно представить как путешествие с упаковкой и распаковкой на каждом этапе, и что самое интересное, его можно выполнить в обе стороны (как сверху вниз, так и снизу вверх).

Теперь давайте отправимся с седьмого уровня на первый через тот же мессенджер:

• Прикладной уровень (7) — вы нажимаете «отправить» и Telegram формирует сообщение.
• Представления уровень (6) — данные шифруются, сжимаются или перекодируются.
• Сеансовый уровень (5) — устанавливается и поддерживается соединение между вами и другом.
• Транспортный уровень (4) — сообщение разбивается на сегменты, каждому присваиваются номера, чтобы собрать в нужном порядке.
• Сетевой уровень (3) — каждый сегмент получает IP-адрес получателя, определяется маршрут.
• Канальный уровень (2) — данные превращаются в кадры с MAC-адресами и контрольными суммами.
• Физический уровень (1) — все это превращается в электрические сигналы, световые импульсы или радиоволны и отправляется по кабелю или “по воздуху”.

Эти путешествия данных туда-сюда называют инкапсуляцией и декапсуляцией: информация сначала «упаковывается» на каждом уровне и потом «распаковывается» при получении. Важно запомнить, что декапсуляция — это распаковка данных с 1 по 7, а инкапсуляция — это упаковка уже с 7 на 1.

Таким образом и взаимодействуют уровни модели OSI. Они работают в связке, каждый выполняет свое небольшое дело во благо большой задачи. Уровни как бы «сотрудничают» между собой посредством протоколов.

Эталонная модель OSI служит удобным инструментом для упрощенного представления сложных физических систем, позволяя сосредоточиться на ключевых параметрах и взаимосвязях. Она облегчает расчеты, визуализацию и анализ, что делает ее востребованной как в инженерных задачах, так и в научных исследованиях или образовании. Несмотря на достаточно абстрактный характер, модель OSI остается практичным и наглядным методом, который помогает соединить теоретические основы с реальными приложениями.

Часто задаваемые вопросы по модели OSI