Модель OSI и TCP/IP: уровни, различия и диагностика сети
OSI помогает описывать и диагностировать сеть, а TCP/IP описывает практический стек, на котором работает интернет. У модели OSI семь уровней. В распространённой схеме TCP/IP четыре: канальный, интернет, транспортный и прикладной. Их нельзя сопоставить строго один к одному, потому что реальные протоколы часто используют функции нескольких уровней.
Эталонная модель для объяснения функций и поиска неисправностей.
Практическая архитектура интернет-протоколов по RFC 1122 и RFC 1123.
IP, TCP, UDP, DNS и HTTP являются протоколами, а OSI является схемой описания.
Кабель, Link, IP, порт, DNS, TLS и приложение.
В чём разница между OSI и TCP/IP
Модель OSI
ISO/IEC 7498-1 делит сетевое взаимодействие на семь функциональных уровней. Это удобный способ обсуждать сеть и искать неисправности, но современный интернет не является прямой реализацией полного протокольного стека OSI.
Архитектура TCP/IP
RFC 1122 рассматривает Link, IP и Transport, а RFC 1123 прикладные и вспомогательные протоколы. На практике это обычно представляют как четыре уровня.
Семь уровней OSI
| Уровень | Основная функция | Примеры | Условная единица данных |
|---|---|---|---|
| 7. Прикладной | Сетевые функции приложений | HTTP, DNS, DHCP, SMTP, SMB, SSH | Данные или сообщение |
| 6. Представления | Формат, кодирование, сжатие и представление данных | JSON, UTF-8, ASN.1, форматы изображений; TLS часто условно относят сюда | Данные |
| 5. Сеансовый | Управление диалогом и состоянием сеанса | RPC, механизмы возобновления и управления сессиями | Данные |
| 4. Транспортный | Связь процессов, порты, порядок, надёжность и контроль потока | TCP, UDP, SCTP, QUIC как транспорт поверх UDP | Сегмент TCP или датаграмма UDP |
| 3. Сетевой | Логическая адресация и доставка между сетями | IPv4, IPv6, ICMP | IP-пакет или датаграмма |
| 2. Канальный | Передача внутри сегмента, MAC, кадры и VLAN | Ethernet, Wi-Fi 802.11, 802.1Q | Кадр |
| 1. Физический | Сигналы, среда, разъёмы, частоты и скорость линии | Медь, оптика, радиоканал, PHY Ethernet и Wi-Fi | Биты или символы |
Физический уровень
Здесь находятся кабель, оптика, радиоканал, разъёмы, частоты, модуляция и согласование скорости. Если порт не поднимает Link или Wi-Fi-сигнал слишком слабый, сначала проверяют этот уровень.
Канальный уровень
Работает с кадрами и локальной доставкой до следующего узла. Ethernet и Wi-Fi используют MAC-адреса. VLAN разделяет один физический коммутатор на логические канальные сегменты. Ethernet обычно обнаруживает повреждённый кадр по FCS и отбрасывает его, а не исправляет данные от отправителя до получателя.
Сетевой уровень
IPv4 и IPv6 обеспечивают адресацию и доставку между сетями. Маршрутизатор выбирает следующий узел по таблице маршрутизации. ICMP сообщает об ошибках и используется ping и traceroute.
Транспортный уровень
TCP предоставляет надёжный упорядоченный поток байтов. UDP передаёт независимые датаграммы с минимальным служебным механизмом и не гарантирует доставку. QUIC реализует защищённый транспорт поверх UDP.
Уровни 5-7
В практическом TCP/IP они обычно объединяются в прикладной уровень. Поэтому жёсткая привязка TLS, SMB или RPC к одному уровню редко помогает при диагностике.
Четыре уровня TCP/IP
| Уровень TCP/IP | Функция | Примеры |
|---|---|---|
| Прикладной | Объединяет функции верхних уровней OSI | HTTP, DNS, DHCP, SMTP, SMB, SSH, TLS |
| Транспортный | Обмен между приложениями и портами | TCP, UDP, QUIC |
| Интернет-уровень | IP-адресация и доставка между сетями | IPv4, IPv6, ICMP |
| Link | Доставка по конкретной среде до следующего узла | Ethernet, Wi-Fi, ARP, NDP |
RFC 1122 прямо рассматривает Link, IP и Transport, а RFC 1123 посвящён прикладным и вспомогательным протоколам. Некоторые учебники выделяют физический уровень отдельно и получают пятиуровневую модель.
Как сопоставляются OSI и TCP/IP
| OSI | TCP/IP | Примеры |
|---|---|---|
| Прикладной, представления, сеансовый | Прикладной | HTTP, DNS, DHCP, TLS, SMB, SSH |
| Транспортный | Транспортный | TCP, UDP, QUIC |
| Сетевой | Интернет-уровень | IPv4, IPv6, ICMP |
| Канальный и физический | Link | Ethernet, Wi-Fi, VLAN и физическая среда |
Инкапсуляция и декапсуляция
| Этап | Что происходит | Что добавляется |
|---|---|---|
| Приложение | Формирует HTTP-запрос, DNS-запрос или другой блок данных | Имя сайта, заголовки и полезные данные |
| Транспорт | Добавляет порты и служебную информацию | Порты, номера последовательности TCP или поля UDP |
| IP | Добавляет адреса отправителя и получателя | IPv4 или IPv6, TTL или Hop Limit |
| Канальный уровень | Создаёт кадр для ближайшего участка | MAC следующего узла, VLAN и FCS |
| Физический уровень | Передаёт сигналы | Электрические, оптические или радиосигналы |
Получатель выполняет обратный процесс. Заголовки удаляются, а полезные данные передаются нужному приложению.
Что происходит при открытии HTTPS-сайта
| Шаг | Механизм | Что происходит |
|---|---|---|
| 1 | DNS | Компьютер узнаёт IP-адрес сайта. Запрос может идти по DNS, DoT или DoH. |
| 2 | Соседний узел | Устройство узнаёт MAC шлюза через ARP для IPv4 или NDP для IPv6. |
| 3 | Транспорт | HTTP/1.1 и HTTP/2 обычно используют TCP. HTTP/3 использует QUIC поверх UDP. |
| 4 | TLS | Согласуются параметры защищённого соединения. В QUIC TLS встроен в установление транспорта. |
| 5 | IP | Маршрутизаторы передают пакеты между сетями. |
| 6 | Кадры | На каждом Ethernet или Wi-Fi участке создаётся новый канальный кадр. |
| 7 | Ответ | Данные проходят обратный путь и поднимаются к браузеру. |
HTTP/2
Обычно работает через TLS поверх TCP. TCP обеспечивает порядок и повторную передачу потерянных сегментов.
HTTP/3
Работает через QUIC поверх UDP. QUIC самостоятельно обеспечивает потоки, защиту, обнаружение потерь и управление перегрузкой.
MAC-адрес, IP-адрес, порт и DNS
MAC-адрес
Используется для локальной доставки кадра. После маршрутизатора канальный заголовок создаётся заново.
IP-адрес
Указывает источник и получателя на сетевом уровне. Может измениться при NAT.
Порт
Указывает приложение или службу внутри устройства. HTTPS обычно использует 443.
DNS-имя
Преобразуется в IP-адрес. Имя не является сетевым адресом маршрутизации.
VLAN
Логически разделяет канальный домен. Между VLAN нужна маршрутизация.
NAT
Изменяет адреса и иногда порты на границе сети. Это функция, а не уровень OSI.
Коммутатор, маршрутизатор, точка доступа и firewall
L2-коммутатор
Пересылает кадры по таблице MAC и обрабатывает VLAN.
L3-коммутатор
Дополнительно маршрутизирует трафик между подсетями и VLAN.
Маршрутизатор
Маршрутизирует IP, но домашний роутер также выполняет NAT, DHCP, DNS, firewall и Wi-Fi.
Точка доступа
Соединяет Wi-Fi-клиентов с проводной сетью и управляет радиоканалом.
Firewall
Фильтрует по IP, портам, состоянию соединения и иногда данным приложения.
VPN-шлюз
Инкапсулирует один протокол в другой и создаёт виртуальный интерфейс.
Балансировщик
Может работать на транспортном или прикладном уровне.
Медиаконвертер
Преобразует физическую среду, например оптику в медь.
Как искать неисправность по уровням
| Симптом | Вероятные уровни | Что проверить |
|---|---|---|
| Нет Link | 1-2 | Кабель, обжим, порт, питание коммутатора и согласование скорости |
| Wi-Fi подключён, но много потерь | 1-2 | RSSI, помехи, канал, ширина канала и повторные передачи |
| Устройство не получает IP | 2-7 | VLAN, DHCP, кабель, точка доступа и сервер DHCP |
| Есть IP, но шлюз недоступен | 2-3 | Маска, VLAN, ARP или NDP, адрес шлюза и фильтрация |
| Шлюз доступен, интернет по IP нет | 3 | Маршрут, WAN, NAT, провайдер и firewall |
| IP работает, имя сайта нет | 7 | DNS-сервер, DoH, фильтрация и настройки клиента |
| Ping проходит, сайт не открывается | 4-7 | Порт 443, TCP или QUIC, TLS, прокси и MTU |
| NAS доступен дома, но не извне | 3-7 | CGNAT, VPN, firewall, DNS и входящая маршрутизация |
| Камера PoE включена, изображения нет | 1-7 | PoE-бюджет, Link, VLAN, IP, порт, кодек и приложение |
Питание, Link, кабель, оптика и качество Wi-Fi.
MAC, VLAN, порт коммутатора и ошибки кадров.
Адрес, маска, шлюз, маршруты и NAT.
TCP, UDP, порт, firewall и потери.
DNS, DHCP, TLS, HTTP и сервер.
Минимальный набор команд
| Команда | Что показывает |
|---|---|
| ipconfig /all | Адрес, маску, шлюз, DNS и DHCP |
| ping 127.0.0.1 | Локальный TCP/IP-стек, но не сетевую карту и не интернет |
| ping адрес_шлюза | Базовую связь с маршрутизатором |
| ping 1.1.1.1 | IP-доступ без проверки DNS |
| nslookup example.com | Разрешение имени через DNS |
| tracert example.com | Примерный маршрут |
| Test-NetConnection host -Port 443 | Доступность TCP-порта |
| arp -a | Таблицу соседей IPv4 |
| route print | Маршруты Windows |
Современные протоколы и пограничные случаи
QUIC
Транспортный протокол поверх UDP с интегрированной защитой через TLS.
HTTP/3
Прикладной протокол, использующий QUIC вместо TCP.
TLS
Работает между приложением и транспортом или встроен в QUIC.
VPN
Инкапсулирует пакеты и создаёт виртуальный сетевой слой.
MPLS
Часто условно называется уровнем 2.5.
VXLAN
Переносит виртуальный L2-сегмент поверх UDP и IP.
DoH и DoT
DNS может идти поверх HTTPS или TLS.
CGNAT
Меняет адреса за пределами домашнего роутера.
Ошибки и упрощения старой статьи
UDP назван надёжным транспортом
UDP не гарантирует доставку и порядок. Надёжность может реализовать приложение или протокол поверх UDP.
SMB помещён на сеансовый уровень
SMB является прикладным протоколом, хотя использует сессионные механизмы.
PPTP назван чистым протоколом уровня 5
PPTP сочетает управляющее TCP-соединение и GRE-туннель.
TLS объявлен только уровнем 6
В практическом TCP/IP TLS находится между приложением и транспортом или интегрирован в QUIC.
Канальный уровень всегда исправляет ошибки
Ethernet обычно обнаруживает повреждённый кадр и отбрасывает его. Wi-Fi может повторять передачу локально.
TCP/IP всегда имеет ровно четыре уровня
Четырёхуровневая схема распространена, но встречается и пятиуровневая учебная модель.
Маршрутизатор работает только на уровне 3
Домашний роутер также выполняет NAT, firewall, DHCP, DNS и Wi-Fi.
Коммутатор всегда только L2
L3-коммутаторы маршрутизируют между VLAN и подсетями.
Ping проверяет весь интернет
ICMP может работать, а нужный порт, TLS или приложение оставаться недоступными.
MAC проходит через весь интернет
Канальный заголовок меняется на каждом маршрутизируемом участке.
DNS отнесён к сетевому уровню
DNS является прикладным протоколом и использует UDP, TCP, TLS или HTTPS.
NAT назван отдельным уровнем
NAT является функцией маршрутизатора, а не уровнем модели.
Где понимание уровней помогает
Домашняя сеть
Отличить плохой кабель от ошибки IP, DNS или роутера.
Wi-Fi
Понять, почему высокий сигнал не гарантирует интернет.
Видеонаблюдение
Разделить PoE, Link, VLAN, IP, порт и приложение.
NAS
Проверить локальный доступ, SMB, VPN и внешний доступ.
Умный дом
Разделить радиосеть, IP, MQTT, приложение и облако.
Офис
Настроить VLAN, гостевую сеть и межсетевые правила.
На чём основано описание
ISO/IEC 7498-1
Базовая эталонная модель открытых систем и деление функций на уровни.
RFC 1122 и RFC 1123
Требования к интернет-узлам и слоям Link, IP, Transport и Application.
RFC 9293
TCP как надёжный упорядоченный поток байтов.
RFC 768
UDP как минимальный датаграммный транспорт.
RFC 9000
QUIC как защищённый транспорт поверх UDP.
RFC 9114
HTTP/3 поверх QUIC.
Сеть работает нестабильно или не хватает интернет-розеток?
Можно проверить кабельные линии, роутер, коммутатор, Wi-Fi, IP-адресацию, VLAN, камеры и NAS. Пришлите в MAX схему сети, фотографии оборудования и описание проблемы.
Выезд и диагностика - от 5000 ₽. Гарантия на выполненные работы - 5 лет при рекомендованных материалах и 1 год при материалах заказчика.
FAQ по моделям OSI и TCP/IP
Что такое модель OSI простыми словами?
Это эталонная схема из семи уровней, которая помогает разделить сетевые функции и локализовать проблему.
Модель OSI реально используется в интернете?
Интернет работает на стеке TCP/IP. OSI используют как язык описания, обучения и диагностики.
Сколько уровней в TCP/IP?
Чаще используют четыре: Link, Internet, Transport и Application. В учебной литературе встречается пятиуровневая схема.
OSI и TCP/IP это протоколы?
OSI является моделью. TCP/IP называют семейством протоколов и архитектурой их взаимодействия.
На каком уровне работает Ethernet?
Ethernet охватывает физический и канальный уровни: среду, кадры, MAC-адреса и доступ к каналу.
На каком уровне работает Wi-Fi?
Wi-Fi также включает физический и канальный уровни. Управление сетью добавляет дополнительные функции.
На каком уровне работает IP?
IPv4 и IPv6 относятся к сетевому уровню OSI и интернет-уровню TCP/IP.
Чем TCP отличается от UDP?
TCP предоставляет надёжный упорядоченный поток байтов. UDP передаёт независимые датаграммы без гарантии доставки.
QUIC это TCP или UDP?
QUIC является отдельным защищённым транспортным протоколом, который переносит свои пакеты внутри UDP.
На каком уровне работает DNS?
DNS является прикладным протоколом. Он может использовать UDP, TCP, TLS или HTTPS.
TLS относится к какому уровню?
В OSI его часто условно относят к представлению, но в TCP/IP TLS находится между приложением и транспортом или встроен в QUIC.
На каком уровне работает маршрутизатор?
Основная маршрутизация относится к уровню 3, но домашний роутер также выполняет NAT, firewall, DHCP, DNS и Wi-Fi.
На каком уровне работает коммутатор?
Обычный коммутатор работает с кадрами на уровне 2. L3-коммутатор также маршрутизирует IP-пакеты.
Что такое инкапсуляция?
Это последовательное добавление заголовков каждого уровня к данным перед отправкой.
Меняется ли IP-адрес на каждом маршрутизаторе?
Обычно нет. Он может измениться при NAT. TTL или Hop Limit уменьшается на каждом маршрутизаторе.
Меняется ли MAC-адрес по пути?
Да. MAC-заголовок относится к конкретному канальному участку и формируется заново после маршрутизатора.
Почему сайт не открывается, хотя ping проходит?
ICMP может работать, а TCP-порт, QUIC, TLS, DNS или само приложение быть недоступными.
Как OSI помогает при диагностике?
Она задаёт порядок проверки: сигнал и кабель, кадры и VLAN, IP и маршрут, порты и транспорт, затем DNS, TLS и приложение.
