модель osi что это такое
Простое пособие по сетевой модели OSI для начинающих
Открытая сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection model) состоит из семи уровней. Что это за уровни, как устроена модель и какова ее роль при построении сетей — в статье.
Модель OSI является эталонной. Эталонная она потому, что полное название модели выглядит как «Basic Reference Model Open Systems Interconnection model», где Basic Reference Model означает «эталонная модель». Вначале рассмотрим общую информацию, а потом перейдем к частным аспектам.
Принцип устройства сетевой модели
Сетевая модель OSI имеет семь уровней, иерархически расположенных от большего к меньшему. То есть, самым верхним является седьмой (прикладной), а самым нижним — первый (физический). Модель OSI разрабатывалась еще в 1970-х годах, чтобы описать архитектуру и принципы работы сетей передачи данных. Важно помнить, что данные передаются не только по сети интернет, но и в локальных сетях с помощью проводных или беспроводных соединений.
В процессе передачи данных всегда участвуют устройство-отправитель, устройство-получатель, а также сами данные, которые должны быть переданы и получены. С точки зрения рядового пользователя задача элементарна — нужно взять и отправить эти данные. Все, что происходит при отправке и приеме данных, детально описывает семиуровневая модель OSI.
На седьмом уровне информация представляется в виде данных, на первом — в виде бит. Процесс, когда информация отправляется и переходит из данных в биты, называется инкапсуляцией. Обратный процесс, когда информация, полученная в битах на первом уровне, переходит в данные на седьмом, называется декапсуляцией. На каждом из семи уровней информация представляется в виде блоков данных протокола — PDU (Protocol Data Unit).
Рассмотрим на примере: пользователь 1 отправляет картинку, которая обрабатывается на седьмом уровне в виде данных, данные должны пройти все уровни до самого нижнего (первого), где будут представлены как биты. Этот процесс называется инкапсуляцией. Компьютер пользователя 2 принимает биты, которые должны снова стать данными. Этот обратный процесс называется декапсуляция. Что происходит с информацией на каждом из семи уровней, как и где биты переходят в данные мы разберем в этой статье.
Первый, физический уровень (physical layer, L1)
Начнем с самого нижнего уровня. Он отвечает за обмен физическими сигналами между физическими устройствами, «железом». Компьютерное железо не понимает, что такое картинка или что на ней изображено, железу картинка понятна только в виде набора нулей и единиц, то есть бит. В данном случае бит является блоком данных протокола, сокращенно PDU (Protocol Data Unit).
Каждый уровень имеет свои PDU, представляемые в той форме, которая будет понятна на данном уровне и, возможно, на следующем до преобразования. Работа с чистыми данными происходит только на уровнях с пятого по седьмой.
Устройства физического уровня оперируют битами. Они передаются по проводам (например, через оптоволокно) или без проводов (например, через Bluetooth или IRDA, Wi-Fi, GSM, 4G и так далее).
Второй уровень, канальный (data link layer, L2)
Когда два пользователя находятся в одной сети, состоящей только из двух устройств — это идеальный случай. Но что если этих устройств больше?
Второй уровень решает проблему адресации при передаче информации. Канальный уровень получает биты и превращает их в кадры (frame, также «фреймы»). Задача здесь — сформировать кадры с адресом отправителя и получателя, после чего отправить их по сети.
У канального уровня есть два подуровня — это MAC и LLC. MAC (Media Access Control, контроль доступа к среде) отвечает за присвоение физических MAC-адресов, а LLC (Logical Link Control, контроль логической связи) занимается проверкой и исправлением данных, управляет их передачей.
На втором уровне OSI работают коммутаторы, их задача — передать сформированные кадры от одного устройства к другому, используя в качестве адресов только физические MAC-адреса.
Третий уровень, сетевой (network layer, L3)
На третьем уровне появляется новое понятие — маршрутизация. Для этой задачи были созданы устройства третьего уровня — маршрутизаторы (их еще называют роутерами). Маршрутизаторы получают MAC-адрес от коммутаторов с предыдущего уровня и занимаются построением маршрута от одного устройства к другому с учетом всех потенциальных неполадок в сети.
На сетевом уровне активно используется протокол ARP (Address Resolution Protocol — протокол определения адреса). С помощью него 64-битные MAC-адреса преобразуются в 32-битные IP-адреса и наоборот, тем самым обеспечивается инкапсуляция и декапсуляция данных.
Четвертый уровень, транспортный (transport layer, L4)
Все семь уровней модели OSI можно условно разделить на две группы:
Уровни группы Media Layers (L1, L2, L3) занимаются передачей информации (по кабелю или беспроводной сети), используются сетевыми устройствами, такими как коммутаторы, маршрутизаторы и т.п. Уровни группы Host Layers (L4, L5, L6, L7) используются непосредственно на устройствах, будь то стационарные компьютеры или портативные мобильные устройства.
Четвертый уровень — это посредник между Host Layers и Media Layers, относящийся скорее к первым, чем к последним, его главной задачей является транспортировка пакетов. Естественно, при транспортировке возможны потери, но некоторые типы данных более чувствительны к потерям, чем другие. Например, если в тексте потеряются гласные, то будет сложно понять смысл, а если из видеопотока пропадет пара кадров, то это практически никак не скажется на конечном пользователе. Поэтому, при передаче данных, наиболее чувствительных к потерям на транспортном уровне используется протокол TCP, контролирующий целостность доставленной информации.
Для мультимедийных файлов небольшие потери не так важны, гораздо критичнее будет задержка. Для передачи таких данных, наиболее чувствительных к задержкам, используется протокол UDP, позволяющий организовать связь без установки соединения.
При передаче по протоколу TCP, данные делятся на сегменты. Сегмент — это часть пакета. Когда приходит пакет данных, который превышает пропускную способность сети, пакет делится на сегменты допустимого размера. Сегментация пакетов также требуется в ненадежных сетях, когда существует большая вероятность того, что большой пакет будет потерян или отправлен не тому адресату. При передаче данных по протоколу UDP, пакеты данных делятся уже на датаграммы. Датаграмма (datagram) — это тоже часть пакета, но ее нельзя путать с сегментом.
Главное отличие датаграмм в автономности. Каждая датаграмма содержит все необходимые заголовки, чтобы дойти до конечного адресата, поэтому они не зависят от сети, могут доставляться разными маршрутами и в разном порядке. Датаграмма и сегмент — это два PDU транспортного уровня модели OSI. При потере датаграмм или сегментов получаются «битые» куски данных, которые не получится корректно обработать.
Первые четыре уровня — специализация сетевых инженеров, но с последними тремя они не так часто сталкиваются, потому что пятым, шестым и седьмым занимаются разработчики.
Пятый уровень, сеансовый (session layer, L5)
Пятый уровень оперирует чистыми данными; помимо пятого, чистые данные используются также на шестом и седьмом уровне. Сеансовый уровень отвечает за поддержку сеанса или сессии связи. Пятый уровень оказывает услугу следующему: управляет взаимодействием между приложениями, открывает возможности синхронизации задач, завершения сеанса, обмена информации.
Службы сеансового уровня зачастую применяются в средах приложений, требующих удаленного вызова процедур, т.е. чтобы запрашивать выполнение действий на удаленных компьютерах или независимых системах на одном устройстве (при наличии нескольких ОС).
Примером работы пятого уровня может служить видеозвонок по сети. Во время видеосвязи необходимо, чтобы два потока данных (аудио и видео) шли синхронно. Когда к разговору двоих человек прибавится третий — получится уже конференция. Задача пятого уровня — сделать так, чтобы собеседники могли понять, кто сейчас говорит.
Шестой уровень, представления данных (presentation layer, L6)
О задачах уровня представления вновь говорит его название. Шестой уровень занимается тем, что представляет данные (которые все еще являются PDU) в понятном человеку и машине виде. Например, когда одно устройство умеет отображать текст только в кодировке ASCII, а другое только в UTF-8, перевод текста из одной кодировки в другую происходит на шестом уровне.
Шестой уровень также занимается представлением картинок (в JPEG, GIF и т.д.), а также видео-аудио (в MPEG, QuickTime). Помимо перечисленного, шестой уровень занимается шифрованием данных, когда при передаче их необходимо защитить.
Седьмой уровень, прикладной (application layer)
Седьмой уровень иногда еще называют уровень приложений, но чтобы не запутаться можно использовать оригинальное название — application layer. Прикладной уровень — это то, с чем взаимодействуют пользователи, своего рода графический интерфейс всей модели OSI, с другими он взаимодействует по минимуму.
Все услуги, получаемые седьмым уровнем от других, используются для доставки данных до пользователя. Протоколам седьмого уровня не требуется обеспечивать маршрутизацию или гарантировать доставку данных, когда об этом уже позаботились предыдущие шесть. Задача седьмого уровня — использовать свои протоколы, чтобы пользователь увидел данные в понятном ему виде.
Протоколы здесь используют UDP (например, DHCP, FTP) или TCP (например, HTTP, HTTPS, SFTP (Simple FTP), DNS). Прикладной уровень является самым верхним по иерархии, но при этом его легче всего объяснить.
Критика модели OSI
Семиуровневая модель была принята в качестве стандарта ISO/IEC 7498, действующего по сей день, однако, модель имеет свои недостатки. Среди основных недостатков говорят о неподходящем времени, плохой технологии, поздней имплементации, неудачной политике.
Первый недостаток — это неподходящее время. На разработку модели было потрачено неоправданно большое количество времени, но разработчики не уделили достаточное внимание существующим в то время стандартам. В связи с этим модель обвиняют в том, что она не отражает действительность. В таких утверждениях есть доля истины, ведь уже на момент появления OSI другие компании были больше готовы работать с получившей широкое распространение моделью TCP/IP.
Вторым недостатком называют плохую технологию. Как основной довод в пользу того, что OSI — это плохая технология, приводят распространенность стека TCP/IP. Протоколы OSI часто дублируют другу друга, функции распределены по уровням неравнозначно, а одни и те же задачи могут быть решены на разных уровнях.
Разделение на семь уровней было скорее политическим, чем техническим. При построении сетей в реальности редко используют уровни 5 и 6, а часто можно обойтись только первыми четырьмя. Даже изначальное описание архитектуры в распечатанном виде имеет толщину в один метр.
Кроме того, в отличие от TCP/IP, OSI никогда не ассоциировалась с UNIX. Добиться широкого распространения OSI не получилось потому, что она проектировалась как закрытая модель, продвигаемая Европейскими телекоммуникационными компаниями и правительством США. Стек протоколов TCP/IP изначально был открыт для всех, что позволило ему набрать популярность среди сторонников открытого программного кода.
Даже несмотря на то, что основные проблемы архитектуры OSI были политическими, репутация была запятнана и модель не получила распространения. Тем не менее, в сетевых технологиях, при работе с коммутацией даже сегодня обычно используют модель OSI.
Вывод, роль модели OSI при построении сетей
В статье мы рассмотрели принципы построения сетевой модели OSI. На каждом из семи уровней модели выполняется своя задача. В действительности архитектура OSI сложнее, чем мы описали. Существуют и другие уровни, например, сервисный, который встречается в интеллектуальных или сотовых сетях, или восьмой — так называют самого пользователя.
Как мы упоминали выше, оригинальное описание всех принципов построения сетей в рамках этой модели, если его распечатать, будет иметь толщину в один метр. Но компании активно используют OSI как эталон. Мы перечислили только основную структуру словами, понятными начинающим.
Модель OSI служит инструментом при диагностике сетей. Если в сети что-то не работает, то гораздо проще определить уровень, на котором произошла неполадка, чем пытаться перестроить всю сеть заново.
Зная архитектуру сети, гораздо проще ее строить и диагностировать. Как нельзя построить дом, не зная его архитектуры, так невозможно построить сеть, не зная модели OSI. При проектировании важно учитывать все. Важно учесть взаимодействие каждого уровня с другими, насколько обеспечивается безопасность, шифрование данных внутри сети, какой прирост пользователей выдержит сеть без обрушения, будет ли возможно перенести сеть на другую машину и т.д. Каждый из перечисленных критериев укладывается в функции одного из семи уровней.
Cетевая модель OSI
Cетевая модель OSI (Open Systems Interconnection model) – это эталонная модель взаимодействия открытых систем. Массово не используется, но благодаря ей можно понять, как работает аппаратная и программная части сети. На практике OSI применяют для упрощенного представления открытых систем (Ethernet, IP и т. д.). Сисадминам, сетевым инженерам кроме нее следует изучить модель TCP/IP.
Общие особенности сетевой модели
У сетевой модели OSI всего 7 уровней, расположенных в иерархическом порядке. Верхний седьмой уровень – прикладной, а нижний первый – физический. Сетевая модель была разработана ещё в 1975 году для описания архитектуры и работы сетей, передающих данные. В процессе отправки информации всегда участвует 3 элемента:
Так видит отправку файлов по беспроводным и проводным сетям обычный пользователь. Процедуру отправки и получения данных детально описывает OSI. На первом уровне информация представлена в виде бит. На седьмом она становится данными. Когда информация из бит переходит в данные происходит декапсуляция. Обратное преобразование с седьмого на первый уровень называется инкапсуляцией.
Информация на каждом уровне представляется своими протоколами. Любой файл при отправке по сети проходит процесс инкапсуляции и декапсуляции. Рассмотрим более подробно уровни представления модели OSI.
1 уровень – физический (L1)
На первом уровне передается сигнал и ток от оборудования отправителя к получателю. Информация отправляется в виде нулей и единиц. На каждом уровне есть свой блок данных протокола (PDU). На первом уровне PDU – это бит. Биты передаются по оптоволокну или по беспроводной сети.
К протоколам физического уровня относятся Bluetooth, Wi-Fi, TIA-449, ITU, GSM и т. д. RJ-45, RJ-11 тоже формально относятся к L1. В виде данных обработка информации начинается только на высоких уровнях модели (с 5 по 7).
2 уровень – канальный (L2)
К сети кроме отправителя и получателя практически всегда подключены другие устройства. Второй уровень отвечает за процедуру адресации, т. е. передачу информации нужному пользователю. При поступлении на L2 биты конвертируются в кадры. В результате процедуры преобразования получаются фреймы с адресом отправителя и получателя. Готовые кадры отправляются далее.
MAC и LLC – два подуровня L2. На MAC-подуровне происходит присвоение MAC-адресов пользовательским устройствам. LLC проверяет правильность передаваемой информации и автоматически если исправляет при наличии нарушений. На этом уровне работают мосты, коммутаторы и другая аппаратура.
На рынке до сих пор встречаются коммутаторы второго уровня. Они работают с MAC-адресами и не способны обрабатывать IP-адреса. Для обеспечения маршрутизации внутри виртуальных локальных сетей потребуется коммутатор третьего уровня. Их также называют многослойными. Кроме работы с MAC такие устройства могут распознавать IP-адреса и проводить тегирование ЛВС.
3 уровень – сетевой (L3)
На этом этапе определяется путь передачи данных и вводится новое понятие маршрутизации. На L3 используется 2 типа протоколов: с установкой и без установки соединения. Первый тип протоколов отправляет данные, содержащие полную информацию об отправителе и получателе. Это нужно для того, чтобы сетевые устройства получили полные адресные сведения и правильно определили путь для маршрутизации данных. Пакет будет передаваться от одного маршрутизатора (роутера) к другому, пока не попадет получателю.
Но у протоколов, работающих без установки соединения, есть один существенный минус – не соблюдение порядка передачи данных. Пользователь получит сообщения от отправителя не так, как он их отправлял, потому что разные пакеты могут быть отправлены разными маршрутами. В этом случае, прежде чем информация попадет к пользователю, она обрабатывается на L4 транспортными протоколами.
При использовании протоколов с установкой соединения данные поступают пользователю в том порядке, в котором они были отправлены. Но при их использовании сам процесс отправки информации занимает больше времени. Активнее всего на L3 используется протокол ARP для определения MAC-адреса по IP. Он также осуществляет обратное преобразование уникального идентификатора сетевого оборудования в IP.
L1, L2, L3 относятся к уровням среды. Они отвечают за перемещение данных по беспроводным сетям, кабелям, сетевому оборудованию. Более высокие уровни (с L4 по L7) называют уровнями хоста. Они взаимодействуют с пользовательскими устройствами (ПК, смартфонами, планшетами) и отвечают за представление данных.
4 уровень – транспортный (L4)
Отправка данных от отправителя к получателю регулируется отдельно. За этот процесс отвечает транспортный уровень. При передаче информации всегда теряется часть данных. Но для некоторых видов файлов (аудио, видео, фотографии) малые потери не критичны. Для передачи таких данных применяется протокол UDP. Он обеспечивает отправку пакетов без установки соединения.
При использовании UDP файл делится на датаграммы. Она содержит заголовки, которые необходимы для доставки до получателя. По этой причине датаграммы могут направляться пользователю разными маршрутами и в произвольном порядке. Если датаграмма потеряется, в файле появляется битые данные.
Если же пользователь отправляет файлы, чувствительные к потерям данных, применяется TCP. Он проверяет целостность передаваемой информации. При его использовании файл сегментируется. Но это происходит не всегда, а только с теми пакетами данных, размер которых превышает пропускную способность сетей. Сегментация также требуется, когда происходит отправка файлов по нестабильным сетям.
В повседневной работе инженеры взаимодействуют только с первыми четырьмя уровнями. Знать их особенности нужно для проектирования сетей и настройки оборудования. С остальными уровнями взаимодействуют разработчики ПО.
5 уровень – сеансовый (L5)
Этот уровень модели OSI относится к «верхним». Здесь осуществляются операции с чистыми данными. Отвечает пятый уровень за поддержку связи во время сеанса или сессии. Он обеспечивает правильное взаимодействие между приложениями, позволяет синхронизировать разные задачи, обмениваться данными. Благодаря L5 происходит поддержка и завершение сеанса.
Сеанс состоит из запросов и ответов, направляемых между разными приложениями. Сеансовый уровень используется в ПО, удаленно вызывающих процедуры. Примером работы L5 служит видеовызов в Skype или прямой эфир на широкую аудиторию. Во время сеанса нужно обеспечить синхронизованную передачу аудио и видео всем участникам конференции. За это и отвечают протоколы пятого уровня.
6 уровень – представления данных (L6)
Протоколы L6 осуществляют кодирование и декодирование информации. Информация, передаваемая по сети, на этом уровне не меняет своего содержания. Кроме перевода данных из одного формата в другой, L6 осуществляет и другие функции:
Преобразование данных осуществляется автоматически и не требует от пользователя подтверждения. При получении данных с L5 автоматически устанавливаются стандартные форматы файлов.
7 уровень – прикладной (L7)
Другое название L7 – уровень приложений. Он отвечает за взаимодействие пользовательских приложений с работающей сетью. Этот уровень обеспечивает использование программами сетевых служб, отправку e-mail, обмен данными через торренты, предоставление ПО информации о сбоях и т. д. К протоколам прикладного уровня относят:
В случае с HTTPS его принадлежность к L7 или L6 определяется способом использования. Если пользователь занимается веб-серфингом, то протокол относят к прикладному уровню. Если же осуществляется передача финансовых данных, то низкоуровневый HTTPS рассматривают как L6.
Седьмой уровень отвечает за представление данных в понятном пользователю виде. На этом этапе не происходит доставка или маршрутизация информации. Протоколы просто преобразуют данные для визуализации. Кроме преобразования данных они также обеспечивают доступ к удаленным БД, пересылают служебную информацию.
Недостатки OSI
Семиуровневая модель OSI считается устаревшей. На момент выхода она уже не поддерживала все актуальные стандарты, а сейчас эта проблема стала более выраженной. Поэтому современные компании ориентируются на TCP/IP. Еще один недостаток модели – плохо проработанная технология. Протоколы OSI дублируют друг друга, распределение функций немного странное.
При построении сети используются не все уровни модели ОСИ. Обычно для настройки оборудования инженерам нужно знать первые 4 уровня. L5 и L6 при работе с реальными сетями практически не применяются.
Модель ISO/OSI является закрытой. Её в основном использовали телекоммуникационные компании Франции, США, Англии. В тоже время стек протоколов TCP/IP разрабатывался как открытая модель, что и привлекло внимание разработчиков по всему миру.
Разница OSI и TCP/IP
Некоторые инженеры ошибочно предполагают, что модель OSI/ISO – это расширенная версия TCP/IP, но на самом деле такой подход не совсем верный. У этих моделей разное распределение межуровневых функций. В TCP/IP всего 4 уровня. На канальном уровне обмен данными осуществляется при помощи битов и кадров, а на сетевом с помощью пакетов. На транспортном уровне передаются сегменты и датаграммы. А на прикладном уровне происходит передача данных.
Прикладной уровень TCP/IP объединяет функции 3 уровней ОСИ: сеансового, представления данных и прикладного. Уровень доступа сетевой модели передачи цифровых данных охватывает физические и канальный уровни OSI. Сами службы тоже работают немного иначе. В TCP/IP со службами последовательности и подтверждения работает транспортный уровень. В OSI за это отвечает канальный уровень.
Считается, что при использовании TCP/IP инженер быстрее найдет неполадки в сети, т. к. диагностику проводят с самого нижнего уровня. Простейший пример поиска проблем на первом уровне – проверка целостности кабелей и их подключения к сетевой карте ПК.
Заключение
Уровни OSI модели позволяют получить общее представление об особенностях передачи данных в сетях. Рассмотренная архитектура является упрощенной. Полная модель ОСИ включает дополнительные уровни: пользовательский, сервисный и т. д. Но для диагностики сетей чаще всего применяется именно упрощенный вариант OSI.
OSI: Интернет, которого не было
От переводчика: Это перевод статьи OSI: The Internet that wasn’t Эндрю Л. Рассела (Andrew L. Russell), изначально опубликованной в журнале IEEE Spectrum.
Как TCP/IP превзошёл стандарты Open Systems Interconnection, став протоколом для глобальных компьютерных сетей.
Если бы всё пошло по плану, Интернет который мы знаем никогда бы не возник. Этот план, разработанный 35 лет назад, предполагал создание целостного набора стандартов для компьютерных сетей Open Systems Interconnection, OSI.
Его создатели были обособленной группой представителей компьютерной индустрии из Соединённого Королевства, Франции и Соединённых Штатов Америки. Они представляли себе законченную, открытую и многослойную систему, которая позволила бы пользователям по всему миру легко обмениваться данными и тем самым открыть новые возможности для развития сотрудничества и коммерции.
Фото: INRIA
Просто подключите: Исследователь Юбер Зиммерман (Hubert Zimmerman) [слева — прим. автора] рассказывает о компьютерных сетях представителям французской власти на встрече в 1974 году. Зиммерман впоследствии будет играть ключевую роль в развитии стандартов OSI.
В то время, их видение представлялось единственно правильным. Тысячи инженеров и законодателей по всему миру оказались вовлечены в процесс становления стандартов OSI. Скоро у них была поддержка всех заинтересованных сторон: производителей компьютеров, телефонных компаний, регуляторов, национальных правительств, агентств по международным стандартам, академических исследователей, даже министерства обороны США [U.S. Department of Defence]. К середине 1980-х мировое признание OSI было очевидно.
Однако, к началу 1990-х проект практически заглох, столкнувшись с дешёвой и гибкой, хоть и менее полной, альтернативой: стеком Интернет состоявшим из Transmission Control Protocol и Internet Protocol. Когда позиции OSI ослабли, один из ведущих сторонников Интернета, Эйнар Стефруд (Einar Stefferud), с удовлетворением произнёс: «OSI это красивая мечта, а TCP/IP — уже реальность!» («OSI is a beautiful dream, and TCP/IP is living it!»).
Фото: INRIA
1961: Пол Баран (Paul Baran) в Rand Corp. начинает разработку своей концепции «коммутации блоков сообщений» как способа передачи данных по компьютерным сетям.
Что же случилось с «красивой мечтой»? В то время как триумфальная история Интернета хорошо задокументирована его создателями и историками с ними работавшими, OSI был позабыт всеми, за исключением лишь горстки ветеранов войны стандартов Internet-OSI. Чтобы понять причину, нам нужно окунуться в раннюю историю компьютерных сетей, время, когда досадные проблемы цифрового единства и глобальной связности будоражили умы учёных-информатиков, инженеров из телекоммуникационных компаний, законотворцев и правление корпораций. А чтобы лучше понять эту историю, вам придётся на время откинуть всё то, что вы уже знаете об Интернете. Попробуйте представить, если можете, что Интернет никогда не существовал.
История начинается в 1960-х. Воздвигается Берлинская Стена. Движение за свободу слова (Free Speech Movement) расцветает в Беркли. Солдаты США сражаются во Вьетнаме. А системы взаимосвязи цифровых компьютеров находятся ещё в младенчестве и подвергаются интенсивным широкопрофильным исследованиям, с десятками (а скоро — сотнями) людей в академических кругах, промышленности и правительстве занятых в крупных исследовательских проектах.
1965: Дональд В. Дэвис (Donald W. Davies), работая независимо от Барана, разрабатывает свою сеть с «коммутацией пакетов» (packet-switching).
Наиболее многообещающие из всех исследовательских проектов включали новый подход к передаче данных, называемый коммутацией пакетов. Изобретённый независимо Полом Бараном (Paul Baran) в Rand Corp. в Соединённых Штатах и Дональдом Дэвисом (Donald Davies) в Национальной Физической Лаборатории в Англии, способ коммутации пакетов предусматривал разбиение сообщений на отдельные блоки, или пакеты, которые могли быть маршрутизированы независимо по множеству доступных сетевых каналов. Компьютер на принимающей стороне собирал бы пакеты обратно в изначальную форму. Баран и Дэвис оба верили, что коммутация пакетов может быть более надёжной и эффективной, чем коммутация каналов, старая технология, используемая в телефонных системах, требующая выделенного канала для каждого подключения.
Исследователи, финансируемые Агентством по передовым исследованиям (Advanced Research Projects Agency, ARPA) министерства обороны США, создали первую сеть с коммутацией пакетов, названную ARPANET, в 1969 году. Вскоре другие организации, в частности компьютерный гигант IBM и ряд телефонных монополистов в Европе, начали вынашивать амбициозные планы по созданию сетей с коммутацией пакетов. Рассматривая возможность цифрового единства между компьютерами и связью, эти компании всё же больше заботились об удержании уровня доходов, получаемых от их существующего бизнеса. В результате, IBM и телефонные монополии предпочитали чтобы коммутация пакетов полагалась на «виртуальные цепи» (“virtual circuits”) — конструкция, копирующая технические и организационные методы систем с коммутацией каналов.
1969: ARPANET, первая сеть с коммутацией пакетов, создана в Соединённых Штатах.
1971: Во Франции запущен проект сети с коммутацией пакетов Cyclades.
При таком числе идей от заинтересованных сторон, все сходились на необходимости для коммутации пакетов некоторой формы международной стандартизации. Первые попытки начались в 1972 году, когда была сформирована Международная Рабочая Группа по Сетям (International Network Working Group, INWG). Винт Серф (Vint Cerf) был её первым председателем; другими активными участниками были Алекс МакКинзи (Alex McKenzie) в Соединённых Штатах, Дональд Дэвис и Роджер Сканлбёри (Roger Scantlebury) в Англии, а также Луи Пузан (Luis Pouzin) и Юбер Зиммерманн (Hubert Zimmermann) во Франции.
Задачей INWG было продвижение идеи коммутации пакетов на основе «датаграм», разработанной Пузаном. Как он мне объяснил во время нашей встречи в Париже в 2012 году, «Суть датаграм в отсутствии соединения. Это означает, что не создаётся никаких взаимоотношений между отправителем и получателем. Они независимы друг от друга, как фотоны». Это было радикальным предложением, в особенности при сравнении с виртуальными соединениями, предпочитаемыми IBM и телеком-инженерами.
INWG регулярно собиралась и обменивалась техническими статьями с целью приведения разработок в соответствие с идеей датаграм, в особенности транспортного протокола — ключевого механизма обмена пакетами между сетями различных типов. После нескольких лет дебатов и дискуссий, группа, наконец, достигла соглашения в 1975 году, и Серф с Пузаном отправили документацию по своему протоколу в международную организацию по надзору за телекоммуникационными стандартами, Международный Консультативный Комитет Телеграфии и Телефонии (International Telegraph and Telephone Consultative Commitee, известный по своему французскому акрониму, CCITT).
1972: собирается International Network Working Group (INWG) для разработки международного стандарта сетей с коммутацией пакетов, включая [слева направо — прим.автора] Луи Пузана, Винта Серфа, Алекса МакКинзи, Юбера Зиммермана и Дональда Дэвиса.
Комитет, в котором преобладали телеком-инженеры, отверг предложение INWG как слишком рискованное и не обкатанное. Серф с коллегами были очень разочарованы. Пузан, лидер Cyclades, французского исследовательского проекта по пакетным сетям, саркастически заметил, что CCITT «не против коммутации пакетов, если она выглядит также как коммутация каналов». И когда Пузан на конференциях жаловался на тактику «заламывания рук» со стороны «государственных монополий», все понимали, что он говорит о французском регуляторе [CCITT]. Французским бюрократам не нравилась искренность их соотечественника, что привело к постепенному истощению государственного финансирования Cyclades с 1975 по 1978 годы, после чего Пузан покинул проект.
1974: Винт Серф и Роберт Кан (Robert Kahn) публикуют статью “A Protocol for Packet Network Intercommunication,” [Протокол для взаимодействия пакетных сетей — прим. переводчика] в журнале IEEE Transactions on Communications.
Со своей стороны, Серф был настолько обескуражен этим опытом создания международных стандартов, что к концу 1975 года он покинул пост председателя INWG. Он также покинул кафедру в Стэнфорде и принял предложение Роберта Кана работать в ARPA. Серф и Кан уже успели развить разработку Пузана и опубликовали детали своей «программы управления передачей» годом ранее в IEEE Transactions on Communications. Эта разработка стала техническим фундаментом «Интернета», термина который позже был принят для обозначения сети сетей, использовавшей стек TCP/IP ARPA. В последующие годы эти двое руководили разработкой протоколов Интернета в подконтрольной им среде: небольшом сообществе подрядчиков ARPA.
Уход Серфа ознаменовал перелом в INWG. В то время как Серф и подрядчики ARPA в итоге формировали костяк Интернет в восьмидесятые, многие из оставшихся ветеранов INWG перегруппировались и присоединились к международному альянсу, который формировался под знаменем OSI, и два этих лагеря стали враждовать.
OSI был разработан комитетом, но одного этого факта недостаточно, чтобы похоронить проект — в конце концов, многие успешные стандарты начинают подобным образом. Однако это важно для понимания того, что произошло дальше.
В 1977 году, представители британской компьютерной промышленности предложили создание нового комитета по стандартам, посвящённого сетям с коммутацией пакетов, в рамках Международной Организации по Стандартизации (International Organization for Standardization, ISO), независимой негосударственной ассоциации созданной после Второй Мировой Войны. В отличии от CCITT, ISO не занималась исключительно телекоммуникациями: широта охвата тем включала технический комитет TC1 занятый стандартами на резьбу шурупов и TC17, работавший со сталью. Также, в отличии от CCITT, ISO уже имела в своём составе комитеты по компьютерным стандартам и могла быть более восприимчива к идеям датаграм без соединений.
Британское предложение, получившее поддержку представителей из США и Франции, призывало к созданию «сетевых стандартов необходимых для открытого взаимодействия». Эти стандарты, по мнению британцев, могли бы предложить альтернативу «замкнутым ‘закрытым’ системам» традиционных компьютеров, разработанных «без учёта возможности их совместной работы». Концепция открытого взаимодействия была как стратегической, так и технической, и говорила об их желании создать конкуренцию лидерам рынка, конкретно IBM и телекоммуникационным монополиям.
Многоуровневый подход: Референсная модель OSI (слева) разделяет связь между компьютерами на семь уровней, от физики на первом до приложений на седьмом. Хоть и менее строго, подход TCP/IP также может быть представлен в виде уровней, как показано справа.
Как и ожидалось, ISO согласилась с предложением британцев и назначила эксперта по базам данных из США Чарльза Бакмэна (Charles Bachman) главой комитета. Весьма уважаемый в околокомпьютерных кругах, Бакмэн получил четырьмя годами ранее престижную Премию Тьюринга за свою работу над системой управления базами данных Integrated Data Store.
Когда я брал интервью у Бакмэна в 2011 году, он описал то «архитектурное видение», которое он привнёс в OSI, то видение было вдохновлено его работой с базами данных вообще и архитектурой IBM Systems Network Architecture в частности. Он начал с определения референсной модели, которая разделяла различные задачи связи между компьютерами на множество уровней. На пример, физическая среда передачи (такая как медные кабели) попадает в первый уровень, транспортные протоколы для перемещения данных попадают в четвёртый уровень, а приложения (такие как электронная почта и передача файлов) находятся на седьмом уровне. После утверждения архитектуры на основе уровней, можно было приступать к разработке конкретных протоколов.
1974: IBM запускает сеть с коммутацией пакетов названную Systems Network Architecture.
1975: INWG направляет предложение в CCITT, комитет его отвергает. Серф покидает свой пост в INWG.
1976: CCITT публикует Рекомендацию X.25, стандарт пакетной коммутации, использующий «виртуальные цепи».
Разработка Бакмэна в значительной мере отличалась от Systems Network Architecture: тогда как IBM создавала архитектуру терминал-компьютер, Бакмэн соединял равноправные компьютеры. Этот подход сделал проект весьма привлекательным для таких компаний как General Motors, ведущего сторонника OSI в восьмидесятые годы. GM имела десятки заводов и сотни поставщиков, использующих смесь малосовместимых программных и аппаратных систем. Схема Бакмэна позволила бы объединить компьютеры и сети различных проприетарных типов — если они следовали стандартам OSI.
Многоуровневая референсная модель OSI давала также и важную организационную возможность: модульность. То есть деление на уровни позволило разделить работу над протоколами между комитетами. Явно, модель Бакмэна была лишь началом. Чтобы стать международным стандартом, каждое предложение должно было пройти через четыре стадии, начиная с рабочего черновика, далее черновика предлагаемого международного стандарта, потом черновика международного стандарта и, наконец, международного стандарта. Создание консенсуса вокруг референсной модели OSI и связанных с ней стандартов потребовало экстраординарного числа пленарных заседаний и собраний комитетов.
Первое пленарное заседание OSI продлилось три дня, с 28 февраля по 2 марта 1978 года. Собралось множество делегатов из десяти стран и наблюдатели из четырёх международных организаций. У всех участвовавших были свои рыночные интересы и готовые наработки. При этом, у делегатов из одной страны могли быть совершенно разные цели. Многие из собравшихся были ветеранами INWG, сохранившими осторожный оптимизм в отношении возможности вырвать будущее сетей из лап IBM и телекоммуникационных монополий, которые, вполне очевидно, планировали доминировать на новом рынке.
1977: Комитет ISO по взаимодействию открытых систем Open Systems Interconnection сформирован во главе с Чарльзом Бакмэном [слева]; среди других активных участников Юбер Зиммерман [по центру] и Джон Дэй (John Day) [справа].
1980: Министерство обороны США публикует «Стандарты Интернет Протокола и Протокола Управления Передачей» (“Standards for the Internet Protocol and Transmission Control Protocol”).
Одновременно, представители IBM, возглавляемые Джозефом Де Блэзи (Joseph De Blasi), весьма способным директором по стандартам в компании, мастерски направляли дискуссию, удерживая развитие OSI в рамках деловых интересов IBM. Информатик Джон Дэй, разрабатывавший протоколы для ARPANET, был ключевым членом делегации США. В своей книге 2008 года Паттерны в Архитектуре Сетей (Patterns in Network Architecture, изд. Prentice Hall), Дэй вспоминает, что представители IBM со знанием дела вмешивались в споры между делегатами «боровшимися за кусок пирога… IBM вертела ими как хотела. Это было завораживающее зрелище».
Несмотря на палки, вставляемые в колёса, лидерство Бакмэна двигало OSI по рискованному пути от замысла к реальности. Бакмэн и Юбер Зиммерман (ветеран Cyclades и INWG) добились альянса с телекоммуникационными инженерами из CCITT. Но это партнёрство с трудом преодолевало фундаментальную несовместимость их взглядов. Зиммерман и его коллеги от информатики, вдохновлённые конструкцией датаграм Пузана, боролись за протоколы без установления соединения, тогда как профессионалы от телекоммуникаций настаивали на виртуальных цепях. Вместо разрешения спора, они согласились включить оба варианта в рамках OSI, тем самым увеличивая его размеры и сложность.
Этот непростой альянс информатиков и связистов опубликовал международный стандарт на референсную модель OSI в 1984 году. Вскоре последовали отдельные стандарты OSI на транспортные протоколы, электронную почту, электронные справочники, управление сетью и многие другие функции. OSI начинал проявлять признаки своей неотвратимости. Ведущие компьютерные компании, такие как Digital Equipment Corp., Honeywell, и IBM, были к тому времени очень заинтересованы в OSI, наравне с Европейски Экономическим Сообществом (European Economic Community), правительствами стран Европы, Северной Америки и Азии.
Даже правительство США — ведущий спонсор протоколов Интернета, несовместимых с OSI — присоединилось к популярному проекту. Министерство обороны официально приняло заключение из рекомендаций Национального Исследовательского Совета (National Research Council) 1985 года о переходе от TCP/IP к OSI. Одновременно, министерство по торговле (Department of Commerce) издало в 1988 году мандат, предписывающий использование стандартов OSI на всех компьютерах, закупаемых правительством США после августа 1990 года.
Хотя такие указы и выглядят как работа передёргивающих бюрократов, следует вспомнить что в восьмидесятых годах Интернет был всего лишь исследовательской сетью: сеть быстро росла, но её администраторы не допускали коммерческий трафик или сторонних провайдеров на финансируемую правительством магистраль вплоть до 1992 года. Для компаний и других крупных организаций, желавших обмениваться данными между различными типами компьютеров или сетей, OSI оставался единственным вариантом.
January 1983: Требование министерства обороны США (U.S. Department of Defense) использовать TCP/IP в ARPANET отмечает “Рождение Интернета.”
May 1983: ISO публикует международный стандарт «ISO 7498: Базовая Референсная Модель Взаимосвязи Открытых Систем» (The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection).
1985: Национальный Исследовательский Совет США (U.S. National Research Council) рекомендует мин.обороны постепенную миграцию от TCP/IP к OSI.
1988: Доход на рынке компьютерной связи США: 4.9 миллиарда долларов.
На этом, конечно, история не заканчивается. К концу восьмидесятых годов, негодование по поводу медленного развития OSI достигло критической отметки. В ходе собрания в Европе в 1989 году, защитник OSI Браэн Капентер (Brian Carpenter) выступил с речью озаглавленной «OSI уже опоздал?» («Is OSI Too Late»). Тот раз, как он вспоминает в своих недавних мемуарах, «был единственным случаем в моей жизни» когда он удостоился «стоячей овации на технической конференции». Двумя годами позже, французский эксперт по сетям и бывший член INWG, Пузан, в эссе озаглавленном «Десять лет OSI — Зрелость или Младенчество?» («Ten Years of OSI—Maturity or Infancy?») обозначил растущую неопределённость: «Правительственные и корпоративные нормативы постоянно рекомендуют OSI в качестве основного решения. Однако, гораздо проще и быстрее внедрить однородную сеть на базе проприетарных архитектур или объединить разнородные системы используя продукты на базе TCP». Даже для сторонников OSI, Интернет выглядел всё более привлекательно.
Ощущение обречённости усугублялось, прогресс замедлился и в середине девяностых, красивая мечта OSI наконец закончилась. Фатальным недостатком процесса, как бы иронично это не звучало, была приверженность к открытости. Формальные правила международной стандартизации давали любой заинтересованной стороне право участвовать в разработке, что приводило к общей напряжённости, несовместимости взглядов и давало путь подрывной деятельности.
Первый председатель OSI, Бакмэн, ожидал этих проблем с самого начала. В своей речи на конференции в 1978 году, он выказал обеспокоенность шансами OSI на успех: «[Стоящая перед нами] организационная задача велика. Технические проблемы больше, чем что-либо ранее известное в информационных системах. А политические проблемы заставят попотеть самого хитроумного государственного деятеля. Можете ли вы себе представить попытку привести в обозримом будущем к соглашению представителей десятка ведущих конкурирующих компьютерных корпораций, и десятка телефонных компаний, и PTT [государтсвенные телекоммуникационные монополии — прим.автора], и технических экспертов из десяти различных государств?»
1988: U.S. Department of Commerce предписывает правительственным организациям закупать только соответствующие OSI продукты.
1989: В то время как OSI начинает разваливаться, информатик Браэн Капентер выступает с речью «OSI уже опоздал?» завершающейся овацией.
1991: Тим Бёнес-Ли объявляет о публичном выпуске приложения WorldWideWeb.
1992: U.S. National Science Foundation пересматривает политику в отношении допуска коммерческого трафика в Интернете.
Несмотря на усилия Бакмэна и других людей, груз организационных проблем не спадал. Сотни инженеров присутствовали на встречах различных комитетов и рабочих групп OSI, а бюрократические процедуры, используемые для структурирования дискуссии, не давали быстро создавать стандарты. Спорили обо всём: даже о тривиальных нюансах языка (например, о разнице между оборотами «вы подчинитесь» и «вам следует подчиниться»). Гораздо более сложные вопросы разделяли экспертов от информатики и телекоммуникаций, чьи технические и бизнес-планы конфликтовали. Таким образом, открытость и модульность — ключевые принципы координации проекта — стали причиной краха OSI.
В тоже время, Интернет процветал. При достаточном финансировании со стороны правительства США, Серф и Кан со своими коллегами были защищены от сил международной политики и экономики. ARPA и Агентство по связи для обороны (Defence Communications Agency) ускорили внедрение Интернета в начале восьмидесятых годов, финансируя учёных для внедрения протоколов Интернет в популярных операционных системах, таких как вариант Unix от Университета Калифорнии, Беркли. Тогда, первого января 1983 года, ARPA прекратила поддержку межузлового протокола ARPANET, тем самым вынудив подрядчиков использовать TCP/IP, если они желали оставаться на связи; этот день известен как «день рождения Интернета».
Фото: Джон Дэй (John Day)
Что в имени?: В ходе заседания в июле 1986 годе в Newport, R.I., представители из Франции, Германии, Соединённого Королевства и США рассматривали вопрос работы референсной модели OSI с критическими функциями именования и адресации в сети.
Таким образом, пока многие пользователи ещё ждали, что OSI станет решением для глобального объединения сетей, всё большее число людей начинало использовать TCP/IP как практичное, пусть и временное, средство сетевого взаимодействия.
Инженеры, которые присоединялись к Интернет-сообществу в 1980-е часто не понимали OSI, высмеивая её ошибочную монструозность созданную ничего не смыслящими европейскими бюрократами. Инженер Маршал Роуз (Marshall Rose) писал в своём учебнике 1990 года, что «Сообщество Интернета очень старается игнорировать сообщество OSI. Вообще говоря, технологии OSI уродливы в сравнении с технологиями Интернет.»
К сожалению, негативный настрой Интернет-сообщества также приводил к отвержению хороших технических идей OSI. Классическим примером является «дворцовый переворот» в 1992 году. Хотя они и были далеки от уровня формальности той бюрократии, что создавала OSI, Интернет регулировали Совет по делам Интернета (Internet Activities Board) и Инженерный совет Интернета (Internet Engineering Task Force, IETF), которые отвечали за управление развитием стандартов. Именно такая работа проходила в 1992 году в Кэмбридже. Несколько лидеров, занятых пересмотром маршрутизации и ограничений адресации, не предусмотренных ранее при разработке TCP и IP, рекомендовали сообществу если не внедрить, то хотя бы рассмотреть некоторые технические протоколы, разработанные в рамках OSI. Сотни присутствовавших Интернет-инженеров рьяно выразили свой протест, а затем изгнали лидеров за такую ересь.
1992: В ходе «дворцового переворота, Интернет-инженеры отвергли ISO ConnectionLess Network Protocol, предложенный в качестве альтернативы IP версии 4.
1996: Интернет-сообщество разрабатывает IP версии 6.
2013: По IPv6 передаётся примерно 1 процент глобального Интернет трафика.
Хотя Серф и Кан не разрабатывали TCP/IP для применения в бизнесе, десятилетия государственной поддержки их исследований создали важное коммерческое преимущество: протоколы Интернет могли применяться бесплатно. Для сравнения, чтобы использовать стандарты OSI, компании, разрабатывавшие и продававшие сетевое оборудование, должны были приобретать у соответствующей группы ISO бумажные копии, по одной копии за раз. Марк Левийон (Mark Levilion), инженер французского подразделения IBM, в 2012 году сказал мне в ходе интервью об отходе индустрии от OSI к TCP/IP следующее: „С одной стороны, есть что-то что бесплатно, доступно и его нужно просто загрузить. А с другой, гораздо более проработанный проект, гораздо более завершённый, более сложный, но дорогой. Будучи директором по ИТ, что бы вы выбрали?“
К середине девяностых, Интернет стал стандартом де-факто для глобальной компьютерной сети. Поступив жестоко с создателями OSI, приверженцы Интернета перехватили идею „открытости“ и объявили её своей. Сегодня, они то и дело выступают за свободу „открытого Интернета“ от авторитарных правительств, регулирования и монополистов.
В свете успеха гибкого подхода Интернета, OSI часто описывают как негативный пример бюрократизированной „предупредительной стандартизации“ на незрелом переменчивом рынке. Акцент на недостатках, однако, упускает многие успехи, сделанные OSI: фокусирование внимания на последних достижениях техники сделало её источником ценного опыта (включая решение ряда серьёзных проблем) для поколения сетевых инженеров, которые позднее основали свои компании, были советниками при правительствах и преподавали в университетах по всему миру.
За гранью этих упрощённых понятий „успеха“ и „неудач“, история OSI содержит важные уроки, который следует усвоить инженерам, регуляторам и пользователям Интернета. Возможно, важнейшим из этих уроков является противоречивость понятия „открытости“. OSI выявила глубокое несоответствие между идеалистическими представлениями об открытости и политико-экономическими реалиями мировой сетевой индустрии. И крах OSI наступил потому, что не удалось примирить разнородные желания всех заинтересованных сторон. Что, в таком случае, это означает для жизнеспособности открытого Интернета?
Хотите узнать больше?
Эта статья является логическим продолжением статьи “‘Rough Consensus and Running Code’ and the Internet-OSI Standards War” 2006 года того же автора, опубликованной в IEEE Annals of the History of Computing. Атор подробнее рассматривает эти и другие темы в своей книге Open Standards and the Digital Age: History, Ideology, and Networks (Cambridge University Press, 2014).
В работе Джанет Эбэйт (Janet Abbate) Inventing the Internet (MIT Press, 1999) даётся прекрасное расмотрение событий, приведших Интернет к тому виду, который мы имеем сейчас.
Статья “INWG and the Conception of the Internet: An Eyewitness Account” Алекса МакКинзи, опубликованная в январском выпуске IEEE Annals of the History of Computing 2011 года, основана на документах сохранённых МакКинзи после его работы в International Networking Working Group, которые сейчас находятся в архиве института Чарльза Бэбиджа Университета Минесоты (Минеаполис).
Онлайн-книга Entrepreneurial Capitalism and Innovation: A History of Computer Communications, 1968–1988 Джеймса Пелки (James Pelkey) основана на интервью и документах, собранных им в конце 1980-х и начале девяностых, времени когда казалось, что OSI будет доминировать в будущих сетях. Проект Пелки также описан в блоге Музея Истории Компьютеров в посте посвящённом сорокалетию Ethernet.