Передача данных, сетевые технологии от Ethernet до IPv6

Когда речь заходит о сетевых технологиях и протоколах, легко запутаться в терминах и их взаимодействии. Чтобы разобраться в этом хаосе, инженеры и разработчики опираются на модель OSI — фундаментальную концепцию, которая структурирует процесс передачи данных на семь логических уровней.

Модель не только помогает понять устройство современных сетей, но и служит основой для проектирования, диагностики и оптимизации инфраструктуры. Даже несмотря на появление новых технологий, OSI остается базовым инструментом сетевого инженера.

Прежде чем переходить к сетевым технологиям для передачи данных, требуется ознакомиться с моделью OSI, которая наглядно показывает процесс передачи данных в сети.

Модель OSI (Межсетевое взаимодействие открытых систем) — это концептуальная модель, разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO) для стандартизации сетевого взаимодействия между различными устройствами и системами. Она была предложена в 1984 году и разбивает процесс передачи данных на семь уровней, каждый из которых выполняет определенные функции.

Модель OSI не является конкретной реализацией, но служит основой для понимания принципов работы современных сетей. Она не потеряла свою актуальность и все еще помогает сетевым инженерам проектировать, диагностировать и оптимизировать сети, разделяя процесс передачи данных на логические уровни.

В модели OSI процесс передачи данных разделяется на 7 уровней:

1. Физический уровень (Physical Layer) — отвечает за передачу битов через физическую среду (кабели, радиоволны, оптоволокно). Он определяет характеристики интерфейсов и методов передачи данных. Примеры: Ethernet, оптические линии связи, Wi-Fi.
2. Канальный уровень (Data Link Layer) — отвечает за надежную передачу данных между соседними узлами сети. Он обнаруживает и исправляет ошибки на физическом уровне, а также использует MAC-адреса для идентификации устройств. Примеры: Ethernet, Wi-Fi.
3. Сетевой уровень (Network Layer) — определяет маршруты передачи данных между узлами в сети. Он обеспечивает логическую адресацию (IP-адресация). Примеры: IPv4, IPv6, ICMP.
4. Транспортный уровень (Transport Layer) — обеспечивает надежную передачу данных между конечными устройствами. Он может включать механизмы управления потоком и исправления ошибок. Примеры: TCP (гарантированная передача), UDP (быстрая, но ненадежная передача).
5. Сеансовый уровень (Session Layer) — управляет установлением, поддержанием и завершением соединений между приложениями. Примеры: NetBIOS, PPTP.
6. Представительный уровень (Presentation Layer) — отвечает за преобразование данных между различными форматами (шифрование, сжатие, кодировки). Примеры: SSL/TLS (шифрование), JPEG, ASCII.
7. Прикладной уровень (Application Layer) — позволяет пользователям и приложениям взаимодействовать с сетью. Он определяет сетевые сервисы, такие как веб-браузеры, почтовые клиенты, файлообмен. Примеры: HTTP, FTP, SMTP, DNS.

Как модель OSI описывает передачу данных между приложениями?

Процесс обмена данными между приложениями можно описать сверху вниз по модели OSI:

• Приложение (L7) → браузер отправляет запрос на сайт через HTTP.
• Представление (L6) → данные могут быть зашифрованы (TLS) или сжаты.
• Сеансовый (L5) → устанавливается соединение (например, через WebSockets).
• Транспортный (L4) → TCP/UDP разбивает данные на сегменты.
• Сетевой (L3) → IP определяет маршрут передачи данных.
• Канальный (L2) → Ethernet или Wi-Fi передают кадры.
• Физический (L1) → электрические сигналы, радиоволны или световые импульсы передают биты по среде передачи.

На стороне приемника весь процесс происходит в обратном порядке. Когда процесс передачи данных понятен, можно переходить к изучению сетевых технологий, а именно различных протоколов, работающих на уровнях 1-4 модели OSI.

По сути, эти уровни можно сравнить с обертками. Каждый более низкий уровень добавляет свою обертку. Такой процесс называется инкапсуляция.

На 1 и 2 уровнях для идентификации передающих устройств используют MAC-адреса. Для работы сети в зависимости от используемой физической среды передачи данных применяются два основных стандарта:

• IEEE 802.3 — стандарт Ethernet, описывающий передачу данных по кабелю (коаксиальный, витая пара или оптический кабель);
• IEEE 802.11 — стандарт Wi-Fi, описывающий беспроводную передачу данных.

На 1 уровне происходит передача отдельных битов. На 2 уровне происходит передача кадров (группа битов). На 3 уровне используется протокол IP (Internet Protocol) — один из основных протоколов для передачи данных в сети. Далее происходит последовательная передача IP-пакетов.

Существует две версии этого протокола — IPv4 и IPv6. IPv4 имеет очень широкое распространение, но из-за ограничения по количеству IPv4-адресов и близкого исчерпания свободных адресов потребовалась разработка новой версии протокола IPv6.

Глобальный процесс перехода с IPv4 на IPv6 до сих пор продолжается, многие операторы связи уже подготовили свою инфраструктуру для работы с IPv6.

Также существуют различные протоколы динамической передачи маршрутной информации, такие как RIP, OSPF, EIGRP, BGP. Они используют IP для работы и выполняют задачи, которые относятся к 3 уровню — обеспечивают маршрутизацию трафика. Поэтому они также относятся к группе протоколов 3 уровня.

Существуют и альтернативы протоколу IP, но большинство из них фактически не используется. Можно выделить протокол CLNP и работающий на его основе протокол динамической маршрутизации IS-IS, однако даже IS-IS был доработан для передачи маршрутной информации IP протокола.

На 4 уровне происходит передача датаграмм и используются протоколы TCP (для гарантированной передачи данных с подтверждением получения) и UDP (для быстрой передачи данных без подтверждения). Однако не всегда логическая модель OSI способна учесть все детали конкретных протоколов.

Например, протокол BGP выполняет функции уровня 3, но для его работы требуется не просто IP-протокол, а именно TCP-сессия, которая логически должна относиться к 4 уровню. Аналогично с протоколом RIP — ему требуется UDP-сессия. Так как функции протоколов соответствуют уровню 3, то и протокол относится к группе протоколов 3 уровня.

Другой пример — MPLS. Это технология передачи данных между узлами сети с использованием меток. Эта технология не укладывается в модель OSI, так как включает в себя признаки как 3 уровня, так и 2 уровня. Идентификация устройства и маршрутизация трафика выполняется с помощью меток, не поддерживается фрагментация, но самое главное, что под меткой может быть завернут любой протокол, включая IP. Можно сказать, что технология MPLS находится где-то на 2,5 уровне модели OSI.

Как модель помогает в реальной работе с сетями? Перейдем к разбору сетевых технологий и их роли в современной инфраструктуре.

Реальное применение

Каждый компьютер имеет Ethernet-интерфейс для подключения к сети, каждый сервер имеет Ethernet-порты для медных или оптических сетевых кабелей, все сетевое оборудование также подключается друг к другу через Ethernet-порты и кабели.

Wi-Fi также очень широко распространен, используется как в офисах (подключение к сети рабочих станций, телефонов и других устройств), так и в складских комплексах (подключение к сети сканеров, датчиков, интерфейсов управления складским оборудованием).

Протоколы динамической маршрутизации используются для маршрутизации трафика в кампусных сетях и для обмена маршрутной информацией с транспортной сетью. В транспортной сети могут использоваться те же самые протоколы динамической маршрутизации или может быть использована технология MPLS с маршрутизацией по меткам.

Протоколы TCP/IP стека также являются стандартом для сетей предприятий. На их основе построена работа всех систем, сервисов, приложений. Для передачи важных данных для работы приложения используется TCP, для передачи данных, терпимых к потерям (например, потоковое видео и звук трансляций, голосовые или видеозвонки), используется UDP.

Так, модель OSI остается ключевым инструментом для понимания сетевых взаимодействий и проектирования инфраструктуры, несмотря на развитие новых технологий. Она помогает структурировать процесс передачи данных, разбивая его на логические уровни. Это позволяет инженерам анализировать проблемы, оптимизировать сети и корректно выбирать протоколы в зависимости от задач.