Сеть: модель OSI и распределение протоколов по уровням | Вопросы для собеседования

Обзор модели OSI

Модель OSI (Open Systems Interconnection) — это концептуальная модель, которая стандартизирует функции системы связи в семь абстрактных слоёв. Каждый слой выполняет определённую задачу и взаимодействует со слоями, расположенными непосредственно над и под ним.

Слой 1: Физический слой

Физический слой занимается физическим соединением устройств и передачей потоков битов по физическому каналу.

Протоколы и стандарты включают:

Ethernet (IEEE 802.3) физические спецификации
Bluetooth физические спецификации радио

Ключевые характеристики:

Занимается электрическими, механическими и физическими аспектами
Определяет такие характеристики, как уровни напряжения, временные параметры, физические скорости передачи данных
Обрабатывает передачу неструктурированных данных
Представляет информацию с помощью физических сигналов (электрических, световых, радио)

Слой 2: Слой канала данных

Слой канала данных устанавливает и завершает соединения между непосредственно подключёнными узлами. Он обрабатывает обнаружение ошибок и управление потоком.

Протоколы включают:

Ethernet (IEEE 802.3)
Wi-Fi (IEEE 802.11)

Ключевые характеристики:

Организует биты в кадры
Использует MAC-адреса для идентификации устройств
Обеспечивает обнаружение ошибок, а иногда и исправление ошибок

Слой 3: Слой сети

Слой сети обрабатывает маршрутизацию и логическое адресование для установления путей между различными сетями.

Протоколы включают:

IPv4 (Internet Protocol версия 4) (обязательное знание)
IPv6 (Internet Protocol версия 6)
ICMP (Internet Control Message Protocol) (желательно знать)

Ключевые характеристики:

Использует логическое адресование (IP-адреса)
Выполняет пересылку пакетов
Обрабатывает фрагментацию и сборку пакетов
Определяет оптимальные пути с помощью алгоритмов маршрутизации

Слой 4: Транспортный слой

Транспортный слой предоставляет приложениям end-to-end связь, включая сегментацию, управление потоком и восстановление ошибок.

Протоколы включают:

TCP (Transmission Control Protocol) (обязательное знание)
UDP (User Datagram Protocol) (обязательное знание)
Используют логические порты на устройствах (1-65535)

TCP обеспечивает надёжную, упорядоченную и безошибочную доставку через:

Трех-этапный handshake для установления соединения
Подтверждения (acknowledgments) и повторные передачи
Управление потоком с использованием скользящего окна
Механизмы управления перегрузкой (congestion control)
Процесс завершения соединения (терминация)

UDP предлагает простую передачу без соединений:

Без гарантии доставки
Без управления перегрузкой
Более низкая нагрузка и задержка на обоих участников передачи
Более простая реализация

Слой 5: Session

Сеансовый слой устанавливает, управляет и завершает соединения между приложениями.

Протоколы включают: (дополнительное знание)

PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol)
SMB (Server Message Block)
NFS (Network File System) компоненты сеанса

Слой 6: Presentation

Слой presentation обрабатывает, шифрует и сжимает даныне, чтобы обеспечить читаемость данных для прикладного слоя.

Что может быть на этом уровне (дополнительное знание):

Безопасное шифрование SSL/TLS (Secure Sockets Layer/Transport Layer Security)
Потоковая передача видео

Слой 7: Application

Прикладной слой предоставляет интерфейсы для приложений для доступа к сетевым службам.

Некоторые из протоколов:

DNS (Domain Name System) (обязательное знание)
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
SSH (Secure Shell) (обязательное знание)
HTTP/HTTPS (Hypertext Transfer Protocol/Secure) (обязательное знание)
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
POP3/IMAP (Post Office Protocol/Internet Message Access Protocol)

Ключевые характеристики:

Предоставляет сетевые сервисы, которыми пользуются сами приложения
Реализует аутентификацию и конфиденциальность
Определяет доступность ресурсов сети
Синхронизация коммуникаций между приложениями

Инкапсуляция протоколов

Инкапсуляция протоколов — фундаментальное понятие в сетях, где каждый слой добавляет свой заголовок (и иногда концовки) к данным, полученным от вышележащего слоя:

Прикладной слой генерирует данные
Слой представления форматирует и, возможно, шифрует данные
Сеансовый слой добавляет сеансовую информацию
Транспортный слой добавляет заголовок TCP/UDP (сегменты/датаграммы)
Слой сети добавляет IP-заголовок (пакеты)
Слой канала данных добавляет MAC-заголовок и трейлер (кадры)
Физический слой преобразует в биты для передачи

При получении данных процесс инвертируется (распаковка).

Пример инкапсуляции:

+---------------------------+
| Прикладные данные          |
+---------------------------+
  |
  v
+---------------------------+
| TCP-заголовок | Прил. Данн.|
+---------------------------+
  |
  v
+---------------------------+
| IP-заголовок | TCP | Прил. Данн.|
+---------------------------+
  |
  v
+------------------------+------------------+
| Eth-заголовок | IP | TCP | Прил. Данн. | FCS   |
+------------------------+------------------+
  |
  v
[Преобразуется в биты для передачи]

Современные особенности протоколов

Реализация TLS/SSL

TLS (Transport Layer Security) обеспечивает безопасную связь через:

Аутентификацию на основе сертификатов
Алгоритмы обмена ключами (например, RSA, Диффи-Хеллмана)
Симметричное шифрование для шифрование и дешифрования данных во время передачи
Коды проверки подлинности сообщений (MAC) для целостности

The TLS handshake process:

Client hello (cipher suites, TLS version)
Server hello (selected cipher, certificate)
Key exchange
Finished messages

Оверлейная сеть в Kubernetes

Оверлеи создают виртуальную сеть поверх существующей сетевой инфраструктуры:

Позволяют контейнерам на разных хостах взаимодействовать между собой
Реализуются с помощью инкапсуляции (например, VXLAN)
Поддерживают сетевые политики и микросегментацию
Обеспечивают обнаружение сервисов и балансировку нагрузки
Обеспечивают изоляцию сети между разными приложениями
Реализуют CNI (Container Network Interface) в Kubernetes

Устранение неполадок в сети

Структурный подход к изоляции проблем по слоям
Возможность использования соответствующих инструментов для каждого слоя (ping, traceroute, tcpdump, wireshark)
Более быстрое решение с идентификацией проблемы на конкретном слое
Понимание того, какие команды следует привлечь к решению сложных проблем

Пример подхода к устранению неполадок:

Слой 1 (Физический) → Проверка кабелей, качество сигнала
Слой 2 (Канала данных) → Проверка MAC-адресов, конфигурации коммутаторов
Слой 3 (Сети) → Проверка IP-соединения, таблицы маршрутизации, размер MTU
Слой 4 (Транспортный) → Проверка доступности портов, состояния соединений
Слои 5-7 → Просмотр журналов приложений, ответов API и т.д.