Модель взаимодействия открытых систем

Передача и обработка данных в разветвленной сети является СЛОЖ-НЫМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИМ многочисленную и разнообразную аппаратуру процессом, требующим формализации и стандартизации следующих процедур:

управление и контроль ресурсом компьютеров и системы теле- коммуникаций;

установление и разъединение соединения;

контроль соединений;

маршрутизация, согласование, преобразование и передача данных;

КОНТРОЛЬ правильности передачи;

исправление ошибок и т. д.

Необходимо применение стандартизированных протоколов и для обеспечения понимания сетями друг друга при их взаимодействии. Указанные выше задачи решаются с помощью применения системы протоколов и стандартов, которые определяют процедуры взаимодей- ствия элементов сети при установлении связи и передаче данных.

Протокол представляет собой набор правил и методом взаимодей- ствия объектов вычислительной сети, регламентирующий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети. Выполнением протокольных процедур управляют специальные про- граммы, реже аппаратные средства.

Международной организацией по стандартизации (ISO - Interna - tional Organisation for Standardization ) разработана система стандартн ых протоколов модель взаимодействия открытых систем ( Open System Interconnection - OSI ), которую также называют эталонной семиуровневой моделью открытых систем.

Открытая система - система, доступная для взаимодействия с дру- гими системами в соответствии с разработанными стандартами.

Модель OSI содержит общие рекомендации для построения стан- дартов совместимых сетевых программных продуктом и служит осно- вой для разработчиков совместимого сетевого оборудования. Эти ре- комендации должны быть реализованы как в технических, так и в программных средствах вычислительных сетей. Для обеспечения упо- рядочения функций управления и протоколов вычислительной сети вводятся функциональные уровни. В общем случае сеть включает семь функциональных уровней.

Условно уровни приложения и представления данных можно от- нести к функциям взаимодействия с приложением, а более низкие уровни - к функциям связи.

Прикладной уровень регламентирует процесс управления термина- лами сети и прикладными процессами, которые являются источника- ми и потребителями информации, передаваемой в сети. Отвечает за запуск программ пользователя, их выполнение, ввод-вывод данных, управление терминалами, административное управление сетью. На данном уровне применяются технологии, являющиеся надстройкой над инфраструктурой передачи данных: электронной почты, теле- и видеоконференций, удаленного доступа к ресурсам, работы в Интер- нете.

Уровень представления интерпретирует и преобразовывает данные, передаваемые в сети, в вид, удобный для прикладных процессов.

Согласует форматы представления данных, синтаксис, трансляцию и интерпретацию программ с разных языков. Многие функции этого уровня задействованы на прикладном уровне, поэтому предоставля- емые им протоколы не получили развития и во многих сетях практи- чески не используются.

Сеансовый уровень обеспечение организации и проведения сеан- сов связи между прикладными процессами, такими как инициализа- ция и поддержание сеанса между абонентами сети, управление оче- редностью и режимами передачи данных. Многие функции этого уровня в части установления соединения и поддержания упорядочен-ного обмена данными реализуются на транспортном уровне, поэтому протоколы сеансового уровня имеют ограниченное применение.

Транспортный уровень - отвечает за управление сегментировани- ем данных (сегмент - блок данных транспортного уровня) и СКВОЗНОЙ передачей (транспортировкой) данных от источника к потребителю. На данном уровне оптимизируется использование услуг, предостав- ляемых на сетевом уровне, в части обеспечения максимальной пропуск- ной способности при минимальных затратах. Протоколы транспортно- го уровня (сегментирующие и дейтаграммные) развиты очень широко и интенсивно используются на практике. Сегментирующие протоко- лы разбивают исходное сообщение на блоки данных - сегменты. Ос- новной функцией таких протоколов транспортного уровня является обеспечение доставки этих сегментов до объекта назначения и восста-новление сообщения. Дейтаграммные протоколы не сегментируют со общение и отправляют его одним куском, который называется «дей-таграмма».

Сетевой уровень . Назначением данного уровня является управление логическим каналом передачи данных в сети (адресация и маршрути-зация данных, коммутация каналов, сообщений, пакетов и мульти-плексирование). На данном уровне реализуется главная телекомму-никационная функция сетей, заключающаяся в обеспечении связи ее пользователей. Каждый пользователь сети обязательно использует протоколы этого уровня и имеет свой уникальный сетевой адрес, ис-пользуемый протоколами сетевого уровня. На ЭТОМ уровне передава-емые данные разбиваются на пакеты. Для того чтобы пакет был доставлен до какого-либо хоста, этому хосту должен быть поставлен в соответ-ствие известный передатчику сетевой адрес.

Канальный уровень . Формирование и управление физическим ка-налом передачи данных между объектами сетевого уровня, обеспече-ние прозрачности физических соединений, контроля и исправления ошибок передачи.

Физический уровень отвечает за установление, поддержание и рас-торжение соединений с физическим каналом сети. На данном уровне определяются набор сигналов, которыми обмениваются системы, па-раметры этих сигналов временные, электрические - и последова-тельность формирования этих сигналов при выполнении процедуры передачи данных.

11. Архитектура взаимодействия открытых систем. Основы передачи дискретных сообщений

11. Архитектура взаимодействия открытых систем

Появление компьютерных сетей привело к необходимости создания стандартов, определяющих принципы взаимодействия внешних пользователей с сетями и сетей между собой (т.е. стандартов взаимодействия открытых систем, ВОС).

По своей сути сеть это соединение оборудования от разных производителей. Для решения проблем совместимости все производители должны придерживаться общепринятых правил построения оборудования. Эти правила закрепляются в стандартах.

Идеологической основой стандартизации в компьютерных сетях является многоуровневый подход.

Взаимодействие между сетевыми устройствами является сложной, технической задачей. Для решения сложных задач часто используют декомпозицию, т.е. разбиение сложной задачи на несколько простых задач-модулей.

Декомпозиция предполагает:

• четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу;

• определение правил взаимодействия между модулями.

Многоуровневый подход при декомпозиции предполагает следующее:

• все множество модулей разбивается на уровни (при этом функции всех уровней четко определены);

• уровни образуют иерархию (т.е. существуют верхние и нижние);

• для решения своих задач каждый уровень обращается с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижнего уровня;

• результаты работы модулей уровня могут быть переданы только соседнему, вышележащему.

В процессе работы сети взаимодействуют узлы, каждый из которых представляет собой иерархическую систему. Процедура взаимодействия этих узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих (равноправных) уровней участвующих сторон.

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называется ПРОТОКОЛОМ.

Уровни, находящиеся в одном узле в процессе работы, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами. Эти правила принято называть ИНТЕРФЕЙСОМ.

Т.о. средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Следует отметить, что протокол каждого уровня может быть изменен независимо от протокола другого уровня. Эта независимость и делает многоуровневый подход привлекательным.

Эталонная модель ВОС является наиболее общим описанием структуры построения стандартов. Она определяет принципы взаимосвязи между отдельными стандартами и является основой обеспечения возможности параллельной разработки различных стандартов для ВОС.

Изначально определяется структура построения стандартов ВОС.

Затем описание услуг, которые должны предоставляться отдельными компонентами (уровнями) открытой системы.

Последний уровень детализации стандартов ВОС – разработка в рамках определенной услуги ВОС набора протоколов.

При этом под протоколом понимается документ, определяющий процедуры и правила взаимодействия одноименных уровней работающих друг с другом систем.

Таким образом, стандарт ВОС должен определять:

• Эталонную модель ВОС;

• Конкретный набор услуг, удовлетворяющих эталонной модели;

• Набор протоколов, обеспечивающих удовлетворение услуг, для реализации которых они разработаны.

Исходя из вышесказанного, система является открытой, если она соответствует эталонной модели ВОС, стандартному набору услуг и стандартным протоколам.

Семиуровневая модель ВОС

Сетевые модели OSI и IEEE Project 802

В 1978 г. Международная организация по стандартизации ISO (International Standards Organization) выпустила набор спецификаций описывающих архитектуру сетей с неоднородными устройствами. (Прообраз модели ВОС).

В 1984 г. ISO, выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью ВОС. (Open System Interconnection reference model, OSI.)

Структура эталонной модели ВОС

В данной модели все процессы, реализуемые открытой системой, разбиты на семь взаимно подчиненных уровней. Уровень с меньшим номером представляет услуги смежному с ним верхнему уровню и пользуется для этого услугами смежного с ним нижнего уровня. Самый верхний (7) уровень только потребляет услуги, а самый нижний (1) только их предоставляет.

Семь уровней модели :

Физический уровень осуществляет передачу неструктурированного "сырого" потока битов по физической среде (без учета деления на кодовые комбинации). Реализуется электрический, оптический, механический и функциональный интерфейсы с кабелем. Формирует сигналы, которые переносят данные от верхних уровней. Устанавливает длительность каждого бита и способ перевода каждого бита в соответствующие электрические и оптические сигналы.

К этому уровню имеют отношение:

• характеристики физических сред передачи данных (полоса пропускания, волновое сопротивление, помехозащищенность…);
• характеристики электрических (оптических) сигналов (уровни, тип кодирования, скорость модуляции…);
• тип разъема и назначение каждого контакта (BNC, RJ-45, RS-232c…).

Пример спецификация 10BaseT .

Канальный уровень

К основным задачам решаемым на канальном уровне относятся:

• организация доступа к среде передачи;
• реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.

Если на физическом уровне рассматривается просто поток битов, то на канальном биты группируются в кодовые комбинации (фреймы). Фреймы защищаются помехоустойчивым кодированием обеспечивающим обнаружение или исправление ошибок.

В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации (только для строго определенной топологии сети).

Уровень управления каналом (второй уровень) или канальный представляет собой комплекс процедур и методов управления каналом передачи данных (установление соединения, его поддержание и разъединение), организованный на основе физического соединения, он обеспечивает обнаружение и исправление ошибок.

Осуществляет передачу кадров данных от Сетевого к Физическому уровню. На приеме упаковывает "сырой" поток битов, поступающих от физического уровня, в кадры данных.

В целом КУ представляет собой законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях могут допускать непосредственную работу с прикладным уровнем.

Пример: Ethernet, Token ring.

Сетевой уровень (Network) отвечает за адресацию сообщений и перевод логических имен и адресов в физические адреса. Исходя из конкретных сетевых условий, здесь определяется маршрут от ПК отправителя к ПК получателя.

Основной задачей третьего (сетевого) уровня является маршрутизация сообщений, кроме этого он обеспечивает управление информационными потоками, организацию и поддержание транспортных каналов, а так же учитывает предоставленные услуги.

Если сетевой адаптер маршрутизатора не может передавать большие блоки данных, посланные ПК отправителя, на Сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие. На Сетевом уровне получателя происходит обратный процесс переупаковки в исходное состояние.

Рассмотренные три нижних уровня определяют функционирование узла сети. Протоколы этих уровней обслуживают так называемую транспортную сеть. Как любая транспортная система, эта сеть транспортирует информацию, не интересуясь ее содержанием. Главной задачей этой сети является быстрая и надежная доставка информации.

Пример: IP (стек TCP/IP), IPX (стек IPX/SPX).

Транспортный уровень (Transport) Этот уровень принимает от вышестоящего уровня некоторый блок данных и должен обеспечить его транспортировку через сеть связи к удаленной системе. Уровни, лежащие выше транспортного, не учитывают специфику сети, через которую передаются данные, они "знают" лишь удаленные системы, с которыми взаимодействуют. Транспортный же уровень должен "знать", как работает сеть, какие размеры блоков данных она принимает, и т.п.

Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования.

На этом уровне сообщения также могут переупаковываться: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На транспортном уровне ПК получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и обычно посылается сигнал подтверждения.

Если качество канала хорошее, то используется облегченный сервис. Датаграмный режим (UDP).

Если качество канала плохое, то используется максимум средств – установление предварительного логического соединения, организация обратной связи, циклическая нумерация пакетов, квитирование, проверка контрольных сумм и т.д. (Режим виртуальных каналов TCP).

Сеансовый уровень (Session)

Следующий пятый уровень протоколов называют уровнем сессий или сеансовым. Его основным назначением является организация способов взаимодействия между прикладными процессами:

• соединение прикладных процессов для их взаимодействия,

• организация передачи информации между процессами во время взаимодействия

• "рассоединения" процессов.

На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети.

Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек (chekpoints). Таким образом, в случае сетевой ошибки, потребуется заново передать только данные, следующие за последней контрольной точкой.

Представительский уровень (Presentation) определяет синтаксис передаваемой информации, т.е. набор знаков и способы их представления, которые являются понятными для всех взаимодействующих открытых систем.

Сам процесс согласования определяется протоколом уровня представления, по которому взаимодействующие системы договариваются о той форме, в которой будет передаваться информация.

Представительский уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование, смену и преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы) и расширение графических команд. Может управлять сжатием данных.

На этом уровне работает редиректор, переадресовывающий операции ввода вывода к ресурсам сервера.

Прикладной уровень (Application) эталонной модели ВОС определяет семантику, т.е. смысловое содержание информации, которой обмениваются ОС в процессе решения некоторой заранее известной задачи. Взаимодействующие системы должны одинаково интерпретировать получаемые данные.

Прикладной (пользовательский) уровень является основным, именно ради него существуют все остальные уровни. Он называется прикладным, поскольку с ним взаимодействуют прикладные процессы системы, которые должны решать некоторую задачу совместно с прикладными процессами, размещенными в других открытых системах.

Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие как, программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных, электронной почты. (FTP, TFTP…)

Модель IEEE Project 802. Расширение модели OSI.

В феврале 1980 г. был выпущен IEEE Project 802. Хотя публикация данного проекта опередила стандарты ISO данные работы велись параллельно, при полном обмене информации поэтому полностью совместимы.

IEEE Project 802 – установил стандарты для физических компонентов сети – интерфейсных плат и кабельной системы с которыми имеют дело Физический и Канальный кровни модели OSI .

Данные стандарты распределяются:

• на платы сетевых адаптеров;

• компоненты глобальных вычислительных сетей;

• компоненты сетей на коаксиале и витой паре.

802-спецификации определяют способы, в соответствии с которыми сетевые карты осуществляют доступ к физической среде и передают по ней данные.

В модели IEEE Канальный уровень делится на два подуровня:

• управление логической связью (контроль ошибок и управление потоком данных);

• Управление доступом к среде. (контроль несущей, передача маркера,…).

Эталонная модель ВОС является удобным средством для распараллеливания разработки стандартов для взаимосвязи открытых систем. Она определяет лишь концепцию построения и взаимосвязи стандартов между собой и может служить базой для стандартизации в различных сферах передачи, хранения и обработки информации.

Контрольные вопросы

Уважаемый читатель!
Публикация данного документа не преследует за собой никакой коммерческой выгоды. Но такие документы способствуют профессиональному и духовному росту читателей и являются рекламой бумажных изданий таких документов. Все авторские права сохраняются за правообладателем.
За содержание статьи ответственность несут ее авторы.

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection , OSI ), предложенная Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization , ISO ) . Модель ISO / OSI предполагает, что все сетевые приложения можно подразделить на семь уровней, для каждого из которых созданы свои стандартыи общие модели. В результате задача сетевого взаимодействия делиться на меньшие и более легкие задачи, обеспечивается совместимость между продуктами разных производителей и упрощается разработка приложений за счёт создания отдельных уровней и использования уже существующих реализаций.

Рисунок 1. Семиуровневая модель

Теоретически, каждый уровень должен взаимодействовать с аналогичным уровнем удаленного компьютера. На практике каждый из них, за исключением физического, взаимодействует с выше – и нижележащими уровнями – представляет услуги вышележащему и пользуется услугами нижележащего. В реальной ситуации на одном компьютере независимо друг от друга иногда выполняется несколько реализаций одного уровня. Например, компьютер может иметь несколько сетевых адаптеров стандарта Ethernet или адаптеры стандартов Ethernet и Token -Ring и.т.д.

Рассмотрим подробнее каждый из семи уровней и их применение.

Физический уровень

Физический уровень описывает физические свойства (например, электромеханические характеристики) среды и сигналов, переносящих информацию. Это физические характеристики кабелей и разъемов, уровни напряжений и электрического сопротивления и.т.д., в том числе, например, спецификация кабеля «неэкранированная витая пара» (unshielded twisted pair , UTP )

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает перенос данных по физической среде. Он поделен на два подуровня: управления логическим каналом (logical link control , LLC ) и управления доступом к среде (media access control , MAC ). Такое деление позволяет одному уровню LLC использовать различные реализации уровня MAC . Уровень MAC работает с применяемым в Ethernet и Token -Ring физическими адресами, которые «вшиты» в сетевые адаптеры их производителями. Следует различать физические и логические (например, IP ) адреса. С последним работает сетевой уровень.

Сетевой уровень

В отличии от канального уровня, имеющего дело с физическими адресами, сетевой уровень работает с логическими адресами. Он обеспечивает подключение и маршрутизацию между двумя узлами сети. Сетевой уровень предоставляет транспортному уровню услуги с установлением соединения (connection -oriented ), например Х.25, или без установления такового (connectionless ) например IP (internet protocol ). Одна из основных функций сетевого уровня – маршрутизация.

К протоколам сетевого уровня относиться IP и ICMP (Internet Control Massage Protocol ).

Транспортный уровень

Транспортный уровень предоставляет услуги, аналогично услугам сетевого уровня. Надежность гарантируют лишь некоторые (не все) реализации сетевых уровней, поэтому ее относят к числу функций, выполняемых транспортным уровнем. Транспортный уровень должен существовать хотя бы потому, что иногда все три нижних уровня (физический, канальный и сетевой) предоставляет оператор услуг связи. В этом случае, используя соответствующий протокол транспортного уровня, потребитель услуг может обеспечить требуемую надежность услуг. TCP (Transmission Control Protocol) – широко распространенный протокол транспортного уровня.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень обеспечивает установление и разрыв сеансов, и управление ими. Сеанс – это логическое соединение между двумя конечными пунктами. Наилучший пример этой модели – телефонный звонок. При наборе номера Вы устанавливаете логическое соединение, в результате на другом конце провода звонит телефон. Когда один из собеседников говорит «аллё», начинается передача данных. После того как один из абонентов вешает трубку, телефонная компания выполняет некоторые действия для разрыва соединения. Сеансовый уровень следит также за очередностью передачи данных. Эту функцию называют «управление диалогом» (dialog management ). Вот примеры протоколов сеансового, представительного и прикладного уровней – SMTP (Simple Mail Transfer Protocol ), FTP (File Transfer Protocol ) и Telnet .

Представительный уровень

Представительный уровень позволяет двум стекам протоколов «договариваться» о синтаксисе (представлении) передаваемых друг другу данных. Поскольку гарантий одинакового представления информации нет, то этот уровень при необходимости переводит данные из одного вида в другой.

Прикладной уровень

Прикладной уровень – высший в модели ISO / OSI . На этом уровне выполняться конкретные приложения, которые пользуются услугами представительного уровня (и косвенно – всех остальных). Это может быть обмен электронной почтой, пересылка файлов и любое другое сетевое приложение.

Таблица 1. модель ISO / OSI и некоторые протоколы соответствующих уровней.

ПРИКЛАДНОЙ УРОВЕНЬ	SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol)
ПРЕДСТАВИТЕЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ
СЕАНСОВЫ УРОВЕНЬ
ТРАНСПОРТНЫЙ УРОВЕНЬ

OSI включает семь уровней. На рис. 1.5 показана модель взаимодействия двух устройств: узла источника (source) и узла назначения ( destination ). Совокупность правил, по которым происходит обмен данными между программно-аппаратными средствами, находящимися на одном уровне, называется протоколом . Набор протоколов называется стеком протоколов и задается определенным стандартом. Взаимодействие между уровнями определяется стандартными интерфейсами .

Рис. 1.5.

Взаимодействие соответствующих уровней является виртуальным , за исключением физического уровня, на котором происходит обмен данными по кабелям, соединяющим компьютеры. На рис. 1.5 приведены также примеры протоколов, управляющих взаимодействием узлов на различных уровнях модели OSI . Взаимодействие уровней между собой внутри узла происходит через межуровневый интерфейс , и каждый нижележащий уровень предоставляет услуги вышележащему.

Виртуальный обмен между соответствующими уровнями узлов A и B ( рис. 1.6) происходит определенными единицами информации. На трех верхних уровнях – это сообщения или данные (Data) , на транспортном уровне – сегменты (Segment) , на сетевом уровне – пакеты (Packet) , на канальном уровне – кадры (Frame ) и на физическом – последовательность битов.

Для каждой сетевой технологии существуют свои протоколы и свои технические средства, часть из которых имеет условные обозначения, приведенные на рис. 1.5 . Данные обозначения введены фирмой Cisco и стали общепринятыми. Среди технических средств физического уровня следует отметить кабели, разъемы, повторители сигналов (repeater) , многопортовые повторители или концентраторы (hub), преобразователи среды (transceiver) , например, преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот. На канальном уровне – это мосты (bridge), коммутаторы (switch) . На сетевом уровне – маршрутизаторы (router) . Сетевые карты или адаптеры ( Network Interface Card – NIC ) функционируют как на канальном, так и на физическом уровне, что обусловлено сетевой технологией и средой передачи данных .

Рис. 1.6.

При передаче данных от источника к узлу назначения подготовленные на прикладном уровне передаваемые данные последовательно проходят от самого верхнего, Прикладного уровня 7 узла источника информации до самого нижнего – Физического уровня 1, затем передаются по физической среде узлу назначения, где последовательно проходят от нижнего уровня 1 до уровня 7.

Самый верхний, Прикладной уровень (Application Layer) 7 оперирует наиболее общей единицей данных – сообщением. На этом уровне реализуется управление общим доступом к сети, потоком данных, сетевыми службами, такими, как FTP, TFTP, HTTP, SMTP, SNMP и др.

Представительский уровень (Presentation Layer) 6 изменяет форму представления данных. Например, передаваемые с уровня 7 данные преобразуются в общепринятый формат ASCII . При приеме данных происходит обратный процесс. На уровне 6 также происходит шифрация и сжатие данных.

Сеансовый уровень (Session Layer) 5 устанавливает сеанс связи двух конечных узлов (компьютеров), определяет, какой компьютер является передатчиком, а какой приемником, задает для передающей стороны время передачи.

Транспортный уровень (Transport Layer) 4 делит большое сообщение узла источника информации на части, при этом добавляет заголовок и формирует сегменты определенного объема, а короткие сообщения может объединять в один сегмент. В узле назначения происходит обратный процесс. В заголовке сегмента задаются номера порта источника и назначения, которые адресуют службы верхнего прикладного уровня для обработки данного сегмента. Кроме того, транспортный уровень обеспечивает надежную доставку пакетов. При обнаружении потерь и ошибок на этом уровне формируется запрос повторной передачи, при этом используется протокол TCP . Когда необходимость проверки правильности доставленного сообщения отсутствует, то используется более простой и быстрый протокол дейтаграмм пользователя ( User Datagram Protocol – UDP ).

Сетевой уровень (Network Layer) 3 адресует сообщение, задавая единице передаваемых данных (пакету) логические сетевые адреса узла назначения и узла источника (IP-адреса ), определяет маршрут , по которому будет отправлен пакет данных , транслирует логические сетевые адреса в физические, а на приемной стороне – физические адреса в логические. Сетевые логические адреса принадлежат пользователям.

Канальный уровень (Data Link) 2 формирует из пакетов кадры данных (frames). На этом уровне задаются физические адреса устройства-отправителя и устройства-получателя данных. Например, физический адрес устройства может быть прописан в ПЗУ сетевой карты компьютера. На этом же уровне к передаваемым данным добавляется контрольная сумма , определяемая с помощью алгоритма циклического кода . На приемной стороне по контрольной сумме определяют и по возможности исправляют ошибки.

Физический уровень (Physical) 1 осуществляет передачу потока битов по соответствующей физической среде (электрический или оптический кабель , радиоканал ) через соответствующий интерфейс . На этом уровне производится кодирование данных, синхронизация передаваемых битов информации.

Протоколы трех верхних уровней являются сетенезависимыми, три нижних уровня являются сетезависимыми. Связь между тремя верхними и тремя нижними уровнями происходит на транспортном уровне.

Важным процессом при передаче данных является инкапсуляция ( encapsulation ) данных. Передаваемое сообщение, сформированное приложением, проходит три верхних сетенезависимых уровня и поступает на транспортный уровень , где делится на части и каждая часть инкапсулируется (помещается) в сегмент данных ( рис. 1.7). В заголовке сегмента содержится номер протокола прикладного уровня, с помощью которого подготовлено сообщение, и номер протокола, который будет обрабатывать данный сегмент.

Рис. 1.7.

На сетевом уровне сегмент инкапсулируется в пакет данных, заголовок (header ) которого содержит, кроме прочего, сетевые (логические) адреса отправителя информации (источника) – Source Address (SA ) и получателя (назначения) – Destination Address (DA ). В данном курсе – это IP -адреса.

На канальном уровне пакет инкапсулируется в кадр или фрейм данных, заголовок которого содержит физические адреса узла передатчика и приемника, а также другую информацию. Кроме того, на этом уровне добавляется трейлер (концевик) кадра, содержащий информацию, необходимую для проверки правильности принятой информации. Таким образом, происходит обрамление данных заголовками со служебной информацией, т. е. инкапсуляция данных.

Название информационных единиц на каждом уровне, их размер и другие параметры инкапсуляции задаются согласно протоколу единиц данных ( Protocol Data Unit – PDU ). Итак, на трех верхних уровнях – это сообщение (Data) , на Транспортном уровне 4 – сегмент (Segment) , на Сетевом уровне 3 – пакет (Packet) , на Канальном уровне 2 – кадр (Frame) , на Физическом Уровне 1 – последовательность бит .

Помимо семиуровневой OSI модели на практике применяется четырехуровневая модель TCP / IP ( рис. 1.8).

Рис. 1.8.

Прикладной уровень модели TCP / IP по названию совпадает с названием модели OSI , но по функциям гораздо шире, поскольку охватывает три верхних сетенезависимых уровня (прикладной, представительский и сеансовый). Транспортный уровень обеих моделей и по названию, и по функциям одинаков. Сетевой уровень модели OSI соответствует межсетевому (Internet ) уровню модели TCP / IP , а два нижних уровня (канальный и физический) представлены объединенным уровнем доступа к сети (Network Access ).

Рис. 1.9.

Таким образом, Транспортный уровень , обеспечивающий надежность передачи данных, функционирует только на конечных узлах, что снижает задержку передачи сообщения по всей сети от одного конечного узла до другого. В приведенном примере ( рис. 1.9) протокол IP функционирует на всех узлах сети, а стек протоколов TCP / IP – только на конечных узлах.

Краткие итоги

1. Телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи.
2. Различают сети: с коммутацией каналов , когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов , и с коммутацией пакетов (сообщений), когда телекоммуникационные узлы выполняют функции маршрутизаторов.
3. Для создания маршрута в разветвленной сети необходимо задавать адреса источника и получателя сообщения . Различают физические и логические адреса .
4. Сети передачи данных с коммутацией пакетов подразделяются на локальные и глобальные.
5. Сети технологии IP являются дейтаграммными, когда отсутствует предварительное соединение конечных узлов и нет подтверждения приема сообщения.
6. Высокую надежность обеспечивает

В начале 80-х годов ряд международных организаций разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection). Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

Согласно модели OSI весь процесс взаимодействия систем в сети можно представить как иерархию 7 уровней:

7. Прикладной уровень (Application).

6. Представительский уровень (Presentation)

5. Сеансовый уровень (Sission).

4. Транспортный уровень (Transport). 3. Сетевой уровень (Network). 2. Канальный уровень (Data Link). 1. Физический уровень (Physical).

Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты, часто называемые кадрами. Пакет (кадр) - это элементарная порция информации, передаваемая между узлами сети как единое целое. Пакет проходит через все уровни, и каждый уровень добавляет к пакету заголовки - некоторую служебную информацию. Когда пакет доходит до физического уровня, он обрастает заголовками всех уровней. Физический уровень передает пакет, вместе с заголовками, по линиям связи машине-адресату.

Когда сообщение по сети поступает на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Правила взаимодействия в пределах одного уровня называют протоколом взаимодействия. Правила взаимодействия сетевых уровней называют межуровневым интерфейсом. Таким образом, взаимодействие в сети на одном уровне определяется протоколом, а соседние по вертикали уровни взаимодействуют друг с другом через межуровневый интерфейс.

Задача каждого низшего уровня, например N-1, состоит в обеспечении функционирования более высокого уровня N-2.

В модели OSI различают два вида диалога между узлами для передачи информации.

1. Диалог с установлением соединения. При его использовании перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Телефон - это пример взаимодействия, основанного на установлении соединения.

2. Диалог без предварительного установления соединения (дейтаграммный диалог). В этом случае отправитель передает сообщение, когда оно готово. Опускание письма в почтовый ящик - пример.

1. Физический уровень - имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, такими например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель и другие. К этому уровню имеют отношение характеристике и физических сред передачи данных, такие как помехозащищенность, волновое сопротивление и др. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих информацию: уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования скорость передачи сигнала.Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером.

2. Канальный уровень. На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются попеременно несколькими парами, взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами. Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляя контрольную сумму. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, то кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров.

3. Сетевой уровень. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей.

Протоколы канального уровня обеспечивают доставку данных между любыми двумя узлами в сетях с определенной топологией: общая шина, звезда, кольцо. Для доставки сообщений из сети с одной топологией в сеть с другой топологией (из одной локальной сети в другую) используются протоколы сетевого уровня. Сети соединяются между собой специальными устройствами - маршрутизаторами. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями (хотов), каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут - последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией - одна из главных задач сетевого уровня. Это проблема усложняется тем, что самый короткий путь не всегда лучший. Критериями при выборе маршрута являются: время, скорость передачи данных, надежность передачи.

Сетевой уровень решает также задачи упрощения адресации в крупных сетях, создание надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Трафик - это объем информации, передаваемый по сети.

Адрес получателя на сетевом уровне состоит из старшей части - номера сети и младшей - номера узла в этой сети. Все узлы в одной сети должны иметь одну и туже старшую часть адреса. Поэтому сеть на сетевом уровне - это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

4. Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Транспортный уровень обеспечивает верхним уровням - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет 5 классов сервиса, отличающихся качеством предоставляемых услуг.

Выбор класса сервиса зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного. Например, если качество каналов передачи данных очень высокое и вероятность возникновения ошибок невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов. Если же транспортные средства нихних уровней изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного сервиса.

5. Сеансовый уровень - обеспечивает управление диалогом: фиксирует какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все сначала.

6. Представительный уровень имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержание. За счет этого уровня информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. На этом уровне преодалеваются различия в представлении данных, кодах символов (например, ASCII и EBCDIC). На этомуровне также может выполняться шифрование и дешифрование данных, для обеспечения секретности передаваемой информации.

7. Прикладной уровень - это просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры и др., а также организуют свою совместную работу.