«Вспомнить всё»: доступный разбор первоисточника стандарта OSI (часть 1)

Когда возникает вопрос про модель OSI и начинаешь гуглить, поисковик выдаёт достаточно однотипные статьи с описанием 7-ми уровней. Для большинства задач с целью ознакомления этого достаточно, но эта статья даёт понимание «откуда растут ноги». Путём разбора документа ISO/IEC 7498–1:1994, который описывает эталонный стандарт OSI.

Это не дословный перевод — в этом нет смысла: документ доступен любому желающему, достаточно длинный (50+ страниц), написан по‑академически «забористо». Это, скорее, ретроспектива плюс анализ и интерпретация. Берётся параграф и «выжимается» его суть, в начале добавлен исторический контекст.

⚔️ Так отмечены места, где мы будем использовать силу Рима: аналогия для быстрого понимания концепций.

Следует отметить для новичков, что документ ISO/IEC 7498–1:1994 создан для унификации подходов к проектированию, а не для прямого внедрения. То есть, он не описывает конкретные технологии, а задаёт рамки. Модель TCP/IP, которая доминирует в интернете, развивалась параллельно и упростила модель OSI. Это не ошибка, а реализация подхода. В эталонном стандарте OSI описывается некий «идеал», а практическая реализация решает конкретные задачи.

Вторая ремарка касается того, что высокопроизводительные сети, например, не всегда следуют строгому разделению уровней, который предписывает стандарт OSI. В них оптимизация важнее абстракций.

Почему это до сих пор важно сегодня:

• Кругозор. Понимание OSI даёт представление о сетях, даже если реализация отличается.

• Разработка. При разработке новых протоколов (например, IoT), стандарт является отправной точкой в вопросах совместимости.

Сети до OSI: эра несовместимых технологий

В 1960-х и 1070-х годах каждая компания, занимающаяся IT, создавала свои сети, называющиеся проприетарными. Что приводило к тому, что компьютеры могли общаться только в инфраструктуре одного производителя. Каждая компания продвигала свой стандарт передачи данных.

Причина всему этому банальна: все они не хотели, чтобы клиенты переходили к конкурентам. Компании вынуждали покупать только их оборудование. У государственных организаций, бизнеса, военных стали возникать проблемы.

Дальше нельзя было масштабироваться, системы не могли взаимодействовать. А современный интернет при таком положении дел появиться не мог.

Кто придумал OSI?

Проблему несовместимости осознали уже в 1970-х, ISO (Международная организация по стандартизации) начала разрабатывать стандарт с 1977 года, и с 1980 года официально. Но, пока шли дебаты, к 1984 году параллельно развивалась модель TCP/IP от DARPA, которая ко времени выхода стандарта OSI уже захватила рынок.

Что в итоге:

• OSI появилась слишком поздно, TCP/IP уже была.

• OSI оказалась слишком сложной, TCP/IP оказалась проще и удобнее.

• Сети в принципе развивались быстрее, бюрократия стандартов не могла позволить себе такую скорость.

Оригинальный стандарт OSI (Open Systems Interconnection – «Взаимосвязь открытых систем») ISO 7498:1984 в 1994 году он был пересмотрен и заменён на ISO/IEC 7498-1:1994, который актуален и по сей день ссылка.

Документ ISO/IEC 7498-1:1994 состоит из нескольких разделов, которые подробно описывают модель OSI.

Основные концепции

Термин «Взаимосвязь открытых систем» (Open Systems Interconnection, OSI) означает стандарты для обмена информацией между системами, которые «открыты» друг для друга за счёт использования общих стандартов. (Цитата из ISO/IEC 7498-1:1994)

Основные концепции уровневой модели включают:

• Уровни (layers) – логические подразделения архитектуры OSI.

• Сущности (entities) – функциональные компоненты уровней.

• Точки доступа к сервису (service-access-points, SAPs) – интерфейсы между уровнями.

• Протоколы (protocols) – правила взаимодействия между одноуровневыми сущностями.

• Соединения (connections) – каналы связи между уровнями.

• Передача данных (data transmission) – механизмы обмена информацией.

• Маршрутизация (routing) – процесс определения пути для передачи данных.

• Управление (management aspects) – методы контроля сети.

Говоря по‑простому, OSI — это модель, которая объясняет, как устройства в сети обмениваются данными. В модели OSI используется «уровневая структура», сеть «разбивается на несколько логических слоёв», в которой каждый уровень выполняет свою функцию и взаимодействует с соседними уровнями.

Упрощённо это можно представить так (на данном этапе документа уровни ещё никак не названы).

Уровни одного ранга (например, 4 и 4) общаются между собой с помощью протоколов.

В стандарте упоминаются четыре ключевых элемента модели OSI (без этого идея работать не будет), каждый из них отвечает на свой вопрос.

Схематично это можно представить так.

OSI похоже на управление Римской империей

⚔️ Представим себе Римскую империю как большую распределённую сеть. Каждый легион находится в своём регионе и выполняет одну работу. Они используют для передачи сообщений гонцов, сигнальные башни, зашифрованные свитки — это похоже на стандартизированные протоколы передачи сообщений.

Если губернатор провинции захотел передать информацию в Сенат, то он не пойдёт это делать лично, он передаст через официальную курьерскую службу, это как SAP (интерфейсы между уровнями).

Физическая среда передачи данных в их случае — это знаменитые дороги, сигнальные огни, корабли. В Риме была развита сеть курьерских станций (Cursus publicus), где гонцы меняли лошадей, передавали сообщения дальше. Это похоже на работу маршрутизаторов, которые выбирают нужный путь.

Гражданская администрация имела свои функции: кто‑то собирал налоги, кто‑то управлял армией, но общались друг с другом по определённым каналам. Это похоже на разделение уровней в модели OSI.

Каждый выполняет свою функцию — это идея модели OSI.

(N)-уровни и их элементы

В документе вводится обозначение N для любого из 7-ми уровней (от 1 до 7).

Отсюда появляются следующие определения, схожие с тем, что было указано выше:

• (N)‑уровень: любой из семи уровней модели OSI, которое состоит из подсистем одного ранга (уровня). Например, 3 уровень.

• Подуровень: подразделение уровня.

• (N)‑подсистема: часть системы, относящаяся к уровню N, взаимодействующая только с соседними уровнями выше или ниже (N+1 и N-1). Например, подсистема уровня 3 может взаимодействовать только с уровнями 2 и 4.

• (N)‑сущность: активный элемент внутри (N)‑подсистемы. Например, сущность уровня 3.

• Одноранговые (N)‑сущности: сущности, находящиеся на одном и том же (N)‑уровне. Например, сущности уровня 3.

• (N)‑сервис: это набор функциональных возможностей, которые (N)‑уровень предоставляет сущностям (N+1)‑уровня на границе между ними. Например, сервис уровня 3, который предоставляет сущностям уровня 4 функциональные возможности.

• (N)‑функция: конкретная часть работы или задачи, которую выполняет (N)‑сущность в рамках своей роли в архитектуре OSI. Например, функция сущности уровня 3.

• (N)‑точка доступа к сервису (SAP): интерфейс или точка взаимодействия, через которую (N)‑уровень предоставляет свои услуги сущностям (N+1)‑уровня. SAP служит местом, где данные передаются между уровнями, и где можно вызвать нужные сервисы. Например, точка доступа к сервису уровня 3 для уровня 4.

• (N)‑протокол: Набор правил и форматов, определяющих коммуникационное поведение (N)‑сущностей при выполнении (N)‑функций.

Для наглядности представим это на схеме.

Если два устройства не поддерживают одинаковые протоколы, они не смогут обмениваться данными.

Взаимодействие между сущностями на одном уровне внутри одной системы (осуществляется LSE, Local System Environment) выходит за рамки OSI — OSI описывает только межсистемное взаимодействие.

Иногда уровни OSI разбивают на подуровни, чтобы выделить более мелкие функции.

Стандарт вводит понятие инстансов, что аналогично понятиям классов и инстансов в программировании, например, в C#. Есть тип сущности — это определяет её характеристику, а есть инстанс этой сущности, конкретный реализованный экземпляр. Взаимодействие происходит, конечно же, между инстансами этой сущности, а не между их абстракциями.

Каждый сервис уровня N можно настраивать. Этот процесс можно менять с помощью дополнительных механизмов (N)-facilities. Они меняют или расширяют работу сервиса.

⚔️ Возьмём пример с римским легионом. Основная функция — ведение боевых действий.

Примером (N)‑facilities, дополнительных возможностей, могут быть:

• разведывательные отряды (scouts) для сбора информации о местности и противнике;

• рытьё окопов и постройка стен;

• строительство комплексной сети проходов в лагере для переброски войск.

Важно:

• Если один элемент уровня не справляется, он просит помощи у других элементов своего уровня.

• Все уровни OSI (кроме физического) передают данные через уровень ниже.

Взаимодействие сервисов между уровнями

Каждый уровень в модели OSI предоставляет услуги следующему уровню (N+1), используя:

1. Собственные функции, которые выполняются внутри него.

2. Услуги, предоставленные предыдущим уровнем (N-1), если они нужны.

Полностью «пустой» протокол невозможен — каждый уровень должен выполнять хотя бы какую‑то свою уникальную функцию.

⚔️ Как это работает по аналогии:

1. Если командование (N+1) хочет организовать атаку, оно дает указания легионерам (N).

2. Легионеры (N) используют свои навыки и тактические знания, а также ресурсы, доставленные транспортными отрядами (N-1), чтобы выполнить приказ

3. Легионеры не могут быть «пустыми» исполнителями: они сами решают вопрос построения, маневрирования и защиты. Например, боевой порядок «черепаха» (testudo) требовал координации между легионерами без «дирижирования» командира на каждом шаге.

Даже если легионеры получали ресурсы от уровня N-1 и указания от уровня N+1, они всегда выполняли уникальные функции.

Принцип модели OSI: каждый уровень должен иметь свою специфическую роль.

Взаимодействие сущностей через точки доступа (SAP)

Каждый уровень в модели OSI может:

• Обслуживать один или несколько уровней выше.

  • Примечание. Уровень N может предоставлять услуги нескольким уровням выше (N+1, N+2 и т.д.), но только через посредничество каждого последующего уровня. Сам непосредственно взаимодействует с N+1.

• Использовать услуги одного или нескольких уровней ниже.

  • Примечание аналогичное. Уровень N может зависеть от нескольких уровней ниже (N-1, N-2 и т.д.), но опять же через их пошаговое взаимодействие. Сам непосредственное взаимодействует с N-1.

⚔️ Временный лагерь являлся «точкой доступа к сервису». Командиры (N+1) давали задания легионерам (N), которые использовали ресурсы, доставленные логистическими отрядами (N-1).

Взаимодействие сущностей через протоколы

Правило гласит, что взаимодействие между (N)‑сущностями управляется одним или несколькими (N)‑протоколами.

Пример:

• Два компьютера могут обмениваться TCP‑пакетами — они взаимодействуют через TCP‑протокол (уровень N).

• Каждый TCP‑пакет передаётся через IP (уровень N-1).

• Для акцента: TCP — это протокол уровня N, а IP — это сервис уровня N-1, на который он опирается.

Заключение

Бывает блицопрос, а у нас будет блицрезюме в качестве заключительного абзаца первой части.

1. Почему появилась модель OSI? Раньше сети были несовместимы. OSI — попытка сделать единый стандарт.

2. Что такое OSI? Модель из 7 уровней, где каждый отвечает за свою задачу в передаче данных.

3. Основные концепции OSI? В модели OSI информация проходит через уровни, где сущности выполняют свои функции, взаимодействуя друг с другом по протоколам, передавая данные через точки доступа к сервису SAP, используя соединения как каналы связи, маршрутизируя потоки информации оптимальным путём, а управление контролирует корректность и эффективность всей системы.

4. Почему OSI не стала основным стандартом? TCP/IP появилась раньше и оказалась проще.

5. Зачем мы вспоминали Римскую империю? ⚔️ Мы всегда помним про Римскую империю.

6. Зачем знать OSI сегодня? Понимать, как работают сети. Находить и устранять сетевые проблемы. Проектировать устойчивые системы.

Конец первой части.