Эталонная модель OSI являет собой 7-уровневую сетевую иерархию созданную международной организацией по стандартам (ISO). Представленная модель на рис.1 имеет 2 различных модели:
В вертикальной — соседние уровни меняются информацией с помощью интерфейсов API. Горизонтальная модель требует общий протокол для обмена информацией на одном уровне.
Рисунок — 1
Модель OSI описывает только системные методы взаимодействия, реализуемые ОС, ПО и тд. Модель не включает методы взаимодействия конечных пользователей. В идеальных условиях приложения должны обращаться к верхнему уровню модели OSI, однако на практике многие протоколы и программы имеют методы обращения к нижним уровням.
На физическом уровне данные представлены в виде электрических или оптических сигналов, соответствующие 1 и 0 бинарного потока. Параметры среды передачи определяются на физическом уровне:
Самые распространенные виды спецификаций на этом уровне:
На физическом уровне нельзя вникнуть в смысл данных, так как она представлена в виде битов.
На этом канале реализована транспортировка и прием кадров данных. Уровень реализует запросы сетевого уровня и использует физический уровень для приема и передачи. Спецификации IEEE 802.x делят этот уровень на два подуровня управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). Самые распространенные протоколы на этом уровне:
Также на этом уровне реализуется обнаружение и исправление ошибок при передаче. На канальном уровне пакет помещается в поле данных кадра — инкапсуляция. Обнаружение ошибок возможно с помощью разных методов. К примеру реализация фиксированных границ кадра, или контрольной суммой.
На этом уровне происходит деление пользователей сети на группы. Здесь реализуется маршрутизация пакетов на основе MAC-адресов. Сетевой уровень реализует прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень. На этом уровне стираются границы сетей разных технологий. работают на этом уровне. Пример работы сетевого уровня показан на рис.2 Самые частые протоколы:
Рисунок — 2
На этом уровне потоки информации делятся на пакеты для передачи их на сетевом уровне. Самые распространенные протоколы этого уровня:
На этом уровне происходит организация сеансов обмена информацией между оконечными машинами. На этом уровне идет определение активной стороны и реализуется синхронизация сеанса. На практике многие протоколы других уровней включают функцию сеансового уровня.
На этом уровне происходит обмен данными между ПО на разных ОС. На этом уровне реализовано преобразование информации ( , сжатие и тд) для передачи потока информации на транспортный уровень. Протоколы уровня используются и те, что используют высшие уровни модели OSI.
Прикладной уровень реализует доступ приложения в сеть. Уровень управляет переносом файлов и управление сетью. Используемые протоколы:
Эталонная модель OSI
Для наглядности процесс работы сети в эталонной модели OSI разделен на семь уровней. Эта теоретическая конструкция облегчает изучение и понимание довольно сложных концепций. В верхней части модели OSI располагается приложение, которому нужен доступ к ресурсам сети, в нижней - сама сетевая среда. По мере того как данные продвигаются от уровня к уровню вниз, действующие на этих уровнях протоколы постепенно подготавливают их для передачи по сети. Добравшись до целевой системы, данные продвигаются по уровням вверх, причем те же протоколы выполняют те же действия, только в обратном порядке. В 1983 г. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) и Сектор стандартизации телекоммуникаций Международного телекоммуникационного союза (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union, ITU-T) опубликовали документ «The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection», где была описана модель распределения сетевых функций между 7 различными уровнями (рис. 1.7). Предполагалось, что эта семиуровневая структура станет основой для нового стека протоколов, но в коммерческой форме он так и не был реализован. Вместо этого модель OSI используется с существующими стеками протоколов в качестве обучающего и справочного пособия. Большая часть популярных в наши дни протоколов появилась до разработки модели OSI, поэтому в точности с ее семиуровневой струк турой они не согласуются. Зачастую в одном протоколе совмещены функции двух или даже нескольких уровней модели, да и границы протоколов часто не соответствуют границам уровней OSI. Тем не менее модель OSI остается отличным наглядным пособием для исследования сетевых процессов, и профессионалы часто связывают функции и протоколы с определенными уровнями.
Инкапсуляция данных
По сути, взаимодействие протоколов, работающих на разных уровнях модели OSI, проявляется в том, что каждый протокол добавляет заголовок (header) или (в одном случае) трейлер (footer) к информации, которую он получил от уровня, расположенного выше. Например, приложение генерирует запрос к сетевому ресурсу. Этот запрос продвигается по стеку протоколов вниз. Когда он достигает транспортного уровня, протоколы этого уровня добавляют к запросу собственный заголовок, состоящий из полей с информацией, специфической для функций данного протокола. Сам исходный запрос становится для протокола транспортного уровня полем данных (полезной нагрузкой). Добавив свой заголовок, протокол транспортного уровня передает запрос сетевому уровню. Протокол сетевого уровня добавляет к заголовку протокола транспортного уровня свой собственный заголовок. Таким образом, для протокола сетевого уровня полезной нагрузкой становятся исходный запрос и заголовок протокола транспортного уровня. Вся эта конструкция становится полезной нагрузкой для протокола канального уровня, который добавляет к ней заголовок и трейлер. Итогом этой деятельности является пакет (packet), готовый для передачи по сети. Когда пакет достигает места назначения, процесс повторяется в обратном порядке. Протокол каждого следующего уровня стека (теперь снизу вверх) обрабатывает и удаляет заголовок эквивалентного протокола передающей системы. Когда процесс завершен, исходный запрос достигает приложения которому он предназначен, в том же виде, в каком он был сгенерирован. Процесс добавления заголовков к запросу (рис. 1.8), сгенериро ванному приложением, называется инкапсуляцией данных (data encapsulation). По сути эта процедура напоминает процесс подготовки письма для отправки по почте. Запрос - это само письмо, а добавление заголовков аналогично вкладыванию письма в конверт, написанию адреса, штемпелеванию и собственно отправке.
Физический уровень
На самом нижнем уровне модели OSI - физическом (physical) - определяются характеристики элементов оборудования сети - сетевая среда, способ установки, тип сигналов, используемых для передачи по сети двоичных данных. Кроме того, на физическом уровне определяется, какой тип сетевого адаптера нужно установить на каждом компьютере и какой использовать концентратор (если это нужно). На физическом уровне мы имеем дело с медным или оптоволоконным кабелем или с каким-либо беспроводным соединением. В ЛВС спецификации физического уровня напрямую связаны с используюемым в сети протоколом канального уровня. Выбрав протокол канального уровня, Вы должны использовать одну из спецификаций физического уровня, поддерживаемую этим протоколом. Например, протокол канального уровня Ethernet поддерживает несколько различных вариантов физического уровня - один из двух типов коаксиального кабеля, любой кабель типа «витая пара», оптоволоконный кабель. Параметры каждого из этих вариантов формируются из многочисленных сведений о требованиях физического уровня, например, к типу кабеля и разъемов, допустимой длине кабелей, числу концентраторов и др. Соблюдение этих требований необходимо для нормальной работы протоколов. Например, в чересчур длинном кабеле система Ethernet может не заметить коллизию пакетов, а если система не в состоянии обнаружить ошибки, она не может и исправить их, результат - потеря данных. Стандартом протокола канального уровня определяются не все аспекты физического уровня. Некоторые из них определяются отдельно. Одна из наиболее часто используемых спецификаций физического уровня описана в документе «Commercial Building Telecommunications Cabling Standard», известном как EIA/TIA 568A. Он опубликован совместно Американским национальным институтом стан дартов (American National Standards Institute, ANSI), Ассоциации от раслей электронной промышленности (Electronics Industry Association, EIA) и Ассоциацией промышленности средств связи (Telecommunications Industry Association, TIA). В этот документ включено подробное описание кабелей для сетей передачи данных в промышленных условиях, в том числе минимальное расстояние от источников электромагнитных помех и другие правила прокладки кабеля. Сегодня кладку кабеля в больших сетях чаще всего поручают специализированным фирмам. Нанятый подрядчик должен быть хорошо знаком с EIA/TIA 568A и другими подобными документами, а также с правилами эксплуатации зданий в городе. Другой коммуникационный элемент, определяемый на физическом уровне, - тип сигнала для передачи данных по сетевой среде. Для кабелей с медной основой таким сигналом является электрический заряд, для оптоволоконного кабеля - световой импульс. В сетевых средах других типов могут использоваться радиоволны, инфракрасные импульсы и другие сигналы. Помимо природы сигналов, на физическом уровне устанавливается схема их передачи, т. е. комбинация электрических зарядов или световых импульсов, используемая для кодирования двоичной информации, которая сгенерирована вышестоящими уровнями. В системах Ethernet применяется схема передачи сигналов, известная как манчестерская кодировка (Manchester encoding), а в системах Token Ring используется дифференциальная манчестерская (Differential Manchester) схема.
Канальный уровень
Протокол канального (data-link) уровня обеспечивает обмен информацией между аппаратной частью включенного в сеть компьютера и сетевым ПО. Он подготавливает для отправки в сеть данные, переданные ему протоколом сетевого уровня, и передает на сетевой уровень данные, полученные системой из сети. При проектировании и создании ЛВС используемый протокол канального уровня - самый важный фактор для выбора оборудования и способа его установки. Для реализации протокола канального уровня необходимо следующее аппаратное и программное обеспечение: адаптеры сетевого интерфейса (если адаптер представляет собой отдельное устройство, подключаемое к шине, его называют платой сетевого интерфейса или просто сетевой платой); драйверы сетевого адаптера; сетевые кабели (или другая сетевая среда) и вспомогательное со единительное оборудование; сетевые концентраторы (в некоторых случаях). Как сетевые адаптеры, так и концентраторы разрабатываются для определенных протоколов канального уровня. Некоторые сетевые кабели также приспособлены для конкретных протоколов, но есть и кабели, подходящие для разных протоколов. Безусловно, сегодня (как и всегда) самый популярный протокол канального уровня - Ethernet. Далеко отстал от него Token Ring, за которым следуют другие протоколы, например, FDDI (Fiber Distributed Data Interface). В спецификацию протокола канального уровня обычно включаются три основных элемента: формат кадра (т. е. заголовок и трейлер, добавляемые к данным сетевого уровня перед передачей в сеть); механизм контроля доступа к сетевой среде; одна или несколько спецификаций физического уровня, применяемые с данным протоколом.
Формат кадра
Протокол канального уровня добавляет к данным, полученным от протокола сетевого уровня, заголовок и трейлер, превращая их в кадр
(frame) (рис. 1.9). Если снова прибегнуть к аналогии с почтой, заголовок и трейлер - это конверт для отправки письма. В них содержатся адреса системы-отправителя и системы-получателя пакета. Для протоколов ЛВС, подобных Ethernet и Token Ring, эти адреса представляют собой 6-байтные шестнадцатеричные строки, присвоенные сетевым адаптерам на заводе-изготовителе. Они, в отличие от адресов, используемых на других уровнях модели OSI, называются аппа
ратными адресами
(hardware address) или МАС-адресами (см. ниже).
Примечание Протоколы различных уровней модели OSI по-разному называют структуры, создаваемые ими путем добавления заголовка к данным, пришедшим от вышестоящего протокола. Например, то, что протокол канального уровня называет кадром, для сетевого уровня будет дейтаграммой. Более общим названием для структурной единицы данных на любом уровне является пакет.
Важно понимать, что протоколы канального уровня обеспечивают связь только между компьютерами одной и той же ЛВС. Аппаратный адрес в заголовке всегда принадлежит компьютеру в той же ЛВС, даже если целевая система находится в другой сети. Другие важные функции кадра канального уровня - идентификация протокола сетевого уровня, сгенерировавшего данные в пакете, и информация для обнаружения ошибок. На сетевом уровне могут использоваться различные протоколы, и потому в кадр протокола канального уровня обычно включается код, с помощью которого можно установить, какой именно протокол сетевого уровня сгенерировал данные в этом пакете. Руководствуясь этим кодом, протокол канального уровня компьютера-получателя пересылает данные соответствующему протоколу своего сетевого уровня. Для выявления ошибок передающая система вычисляет цикличес кий избыточный код (cyclical redundancy check, CRC) полезной нагрузки и записывает его в трейлер кадра. Получив пакет, целевой компьютер выполняет те же вычисления и сравнивает результат с содержимым трейлера. Если результаты совпадают, информация передана без ошибок. В противном случае получатель предполагает, что пакет ис порчен, и не принимает его.
Управление доступом к среде
Компьютеры в ЛВС обычно используют общую полудуплексную сетевую среду. При этом вполне возможно, что передавать данные начнут одновременно два компьютера. В таких случаях происходит своего рода столкновение пакетов, коллизия (collision), при котором дан ные в обоих пакетах теряются. Одна из главных функций протокола канального уровня - управление доступом к сетевой среде (media access control, MAC), т. е. контроль за передачей данных каждым из компьютеров и сведение к минимуму случаев столкновения пакетов. Механизм управления доступом к среде - одна из важнейших ха рактеристик протокола канального уровня. В Ethernet для управления доступом к среде используется механизм с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). В некоторых других протоколах, например, в Token Ring, используется передача маркера (token passing).
Спецификации физического уровня
Протоколы канального уровня, используемые в ЛВС, часто поддерживают более одной сетевой среды, и в стандарт протокола включены одна или несколько спецификаций физического уровня. Канальный и физический уровни тесно связаны, т. к. свойства сетевой среды существенно влияют на то, как протокол управляет доступом к среде. Поэтому можно сказать, что в локальных сетях протоколы канального уровня осуществляют также функции физического уровня. В глобальных сетях используются протоколы канального уровня, в которые информация физического уровня не включается, например, SLIP (Serial Line Internet Protocol) и РРР (Point-to-Point Protocol).
Сетевой уровень
На первый взгляд может показаться, что сетевой (network) уровень дублирует некоторые функции канального уровня. Но это не так: протоколы сетевого уровня «отвечают» за сквозные (end-to-end) связи, тогда как протоколы канального уровня функционируют только в пределах ЛВС. Иными словами, протоколы сетевого уровня полностью обеспечивают передачу пакета от исходной до целевой системы. В зависимости от типа сети, отправитель и получатель могут находиться в одной ЛВС, в различных ЛВС в пределах одного здания или в ЛВС, разделенных тысячами километров. Например, когда Вы связываетесь с сервером в Интернете, на пути к нему пакеты, созданные Вашим компьютером, проходят через десятки сетей. Подстраиваясь под эти сети, протокол канального уровня неоднократно изменится, но протокол сетевого уровня на всем пути останется тем же самым. Краеугольным камнем набора протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) и наиболее часто используемым протоколом сетевого уровня является протокол IP (Internet Protocol). У Novell NetWare есть собственный сетевой протокол IPX (Internetwork Packet Exchange), а в небольших сетях Microsoft Windows обычно используется протокол NetBEUI (NetBIOS Enhanced User Interface). Большинство функций, приписываемых сетевому уровню, определяются возможностями протокола IP. Подобно протоколу канального уровня, протокол сетевого уровня добавляет заголовок к данным, которые он получил от вышестоящего уровня (рис. 1.10). Элемент данных, созданный протоколом сетевого уровня, состоит из данных транспортного уровня и заголовка сетевого уровня и называется дейтаграммой (datagram).
 |
Адресация
Заголовок протокола сетевого уровня, как и заголовок протокола канального уровня, содержит поля с адресами исходной и целевой систем. Однако в данном случае адрес целевой системы принадлежит конечному назначению пакета и может отличаться от адреса получателя в заголовке протокола канального уровня. Например, когда Вы вводите в адресной строке браузера адрес Web-узла, в пакете, сгенерированном Вашим компьютером, в качестве адреса целевой системы сетевого уровня указан адрес Web-сервера, тогда как на канальном уровне на целевую систему указывает адрес маршрутизатора в Вашей ЛВС, обеспечивающего выход в Интернет. В IP используется собственная система адресации, которая совершенно не зависит от адресов канального уровня. Каждому компьютеру в сети с протоколом IP вручную или автоматически назначается 32-битовый IP- адрес, идентифицирующий как сам компьютер, так и сеть, в которой он находится. В IPX же для идентификации самого компьютера используется аппаратный адрес, кроме того, специальный адрес используется для идентификации сети, в которой находится компьютер. В NetBEUI компьютеры различаются по NetBIOS-именам, присваиваемым каждой системе во время ее установки.
Фрагментация
Дейтаграммам сетевого уровня на пути к месту назначения приходится проходить через множество сетей, сталкиваясь при этом со специ фическими свойствами и ограничениями различных протоколов канального уровня. Одно из таких ограничений - максимальный размер пакета, разрешенный протоколом. Например, размер кадра Token Ring может достигать 4500 байт, тогда как размер кадров Ethernet не может превышать 1500 байтов. Когда большая дейтаграмма, сформированная в сети Token Ring, передается в сеть Ethernet, протокол сетевого уровня должен разбить ее на несколько фрагментов размером не более 1500 байт. Этот процесс называется фрагментацией (frag mentation). В процессе фрагментации протокол сетевого уровня разбивает дейтаграмму на фрагменты, размер которых соответствует возможностям используемого протокола канального уровня. Каждый фрагмент становится самостоятельным пакетом и продолжает путь к целевой системе сетевого уровня. Исходная дейтаграмма формируется лишь после того, как места назначения достигнут все фрагменты. Иногда на пути к целевой системе фрагменты, на которые разбита дейтаграмма, приходится фрагментировать повторно.
Маршрутизация
Маршрутизацией (routing) называется процесс выбора в интерсети самого эффективного маршрута для передачи дейтаграмм от системы-отправителя к системе-получателю. В сложных интерсетях, например, в Интернете или больших корпоративных сетях, часто от одного компьютера к другому можно добраться несколькими путями. Проектировщики сетей специально создают избыточные связи, чтобы трафик нашел дорогу к месту назначения даже в случае сбоя одно го из маршрутизаторов. С помощью маршрутизаторов соединяют отдельные ЛВС, входящие в интерсеть. Назначение маршрутизатора - принимать входящий трафик от одной сети и передавать его конкретной системе в другой. В интерсетях различают системы двух видов: оконечные (end systems) и промежуточные (intermediate systems). Оконечные системы являются отправителями и получателями пакетов. Маршрутизатор - промежуточная система. В оконечных системах используются все семь уровней модели OSI, тогда как пакеты, поступающие в промежуточные системы, не поднимаются выше сетевого уровня. Там маршрутизатор обрабатывает пакет и отправляет его вниз по стеку для передачи следующей целевой системе (рис. 1.11).
 |
Чтобы верно направить пакет к цели, маршрутизаторы хранят в памяти таблицы с информацией о сети. Эта информация может быть внесена администратором вручную или собрана автоматически с других маршрутизаторов с помощью специализированных протоколов. В состав типичного элемента таблицы маршрутизации входят адрес другой сети и адрес маршрутизатора, через который пакеты должны добираться до этой сети. Кроме того, в элементе таблицы маршрутизации содержится метрика маршрута - условная оценка его эффективности. Если к некой системе имеется несколько маршрутов, маршрутизатор выбирает из них самый эффективный и отправляет дейтаграмму на канальный уровень для передачи маршрутизатору, указанному в элементе таблицы с наилучшей метрикой. В больших сетях маршрутизация может быть необычайно сложным процессом, но чаще всего она осуществляется автоматически и незаметно для пользователя.
Идентификация протокола транспортного уровня
Так же, как в заголовке канального уровня указан протокол сетевого уровня, сгенерировавший и передавший данные, в заголовке сетевого уровня содержится информация о протоколе транспортного уровня, от которого эти данные были получены. В соответствии с этой информацией система-получатель передает входящие дейтаграммы соответствующему протоколу транспортного уровня.
Транспортный уровень
Функции, выполняемые протоколами транспортного (transport) уровня, дополняют функции протоколов сетевого уровня. Часто протоколы этих уровней, используемые для передачи данных, образуют взаи мосвязанную пару, что видно на примере TCP/IP: протокол TCP функционирует на транспортном уровне, IP - на сетевом. В большинстве наборов протоколов имеется два или несколько протоколов транспортного уровня, выполняющих разные функции. Альтернативой TCP является протокол UDP (User Datagram Protocol). В набор протоколов IPX также включено несколько протоколов транспортного уровня, в том числе NCP (NetWare Core Protocol) и SPX (Sequenced Packet Exchange). Разница между протоколами транспортного уровня из определенного набора заключается в том, что некоторые из них ориентированы на соединение, а другие - нет. Системы, использующие протокол, ориентированный на соединение (connection-oriented), перед передачей данных обмениваются сообщениями, чтобы установить связь друг с другом. Это гарантирует, что системы включены и готовы к работе. Протокол TCP, например, ориентирован на соединение. Когда Вы с помощью браузера подключаетесь к серверу Интернета, браузер и сервер для установления связи сначала выполняют так называемое трехшаговое рукопожатие (three-way handshake). Лишь после этого браузер передает серверу адрес нужной Web-страницы. Когда передача данных завершена, системы выполняют такое же рукопожатие для прекращения связи. Кроме того, протоколы, ориентированные на соединение, выполняют дополнительные действия, например, отправляют сигнал подтверждения приема пакета, сегментируют данные, управляют потоком, а также обнаруживают и исправляют ошибки. Как правило, протоколы этого типа используются для передачи больших объемов информации, в которых не должно содержаться ни единого ошибочного бита, например, файлов данных или программ. Дополнительные функции протоколов с ориентацией на соединение гарантируют корректную передачу данных. Вот почему эти протоколы часто называют надежными (reliable). Надежность в данном случае является техническим термином и означает, что каждый передаваемый пакет проверяется на наличие ошибок, кроме того, система-отправитель уведомляется о доставке каждого пакета. Недостаток протоколов этого типа состоит в значительном объеме управляющих данных, которыми обмениваются две системы. Во-первых, дополнительные сообщения передаются при установлении и завершении связи. Во-вторых, заголовок, добавляемый к пакету протоколом с ориентацией на соединение, существенно превосходит по размеру заголовок протокола, не ориентированного на соединение. Например, заголовок протокола TCP/IP занимает 20 байтов, а заголовок UDP - 8 байтов. Протокол, не ориентированный на соединение (connectionless), не устанавливает соединение между двумя системами до передачи данных. Отправитель просто передает информацию целевой системе, не беспокоясь о том, готова ли она принять данные и существует ли эта система вообще. Обычно системы прибегают к протоколам, не ориентированным на соединение, например, к UDP, для коротких транзакций, состоящих только из запросов и ответных сигналов. Ответный сигнал от получателя неявно выполняет функцию сигнала подтверждения о передаче.
Примечание Ориентированные и не ориентированные на соединение протоколы есть не только на транспортном уровне. Например, протоколы сетевого уровня обычно не ориентированы на соединение, по скольку обеспечение надежности связи они возлагают на транспортный уровень.
Протоколы транспортного уровня (как и сетевого и канального уровней) обычно содержат информацию с вышестоящих уровней. Например, в заголовки TCP и UDP включаются номера портов, идентифицирующие приложение, породившее пакет, и приложение, которому он предназначен. На сеансовом (session) уровне начинается существенное расхождение между реально применяемыми протоколами и моделью OSI. В отличие от нижестоящих уровней, выделенных протоколов сеансового уровня не существует. Функции этого уровня интегрированы в протоколы, которые выполняют также функции представительского и прикладного уровней. Транспортный, сетевой, канальный и физический уровни занимаются собственно передачей данных по сети. Протоколы сеансового и вышестоящих уровней к процессу связи отношения не имеют. К сеансовому уровню относятся 22 службы, многие из которых задают способы обмена информацией между системами, включенными в сеть. Наиболее важны службы управления диалогом и разделения диалога. Обмен информацией между двумя системами в сети называется диалогом (dialog). Управление диалогом (dialog control) заключается в выборе режима, в котором системы будут обмениваться сообщениями. Таких режимов два: полудуплексный (two-way alternate, TWA) и дуплексный (two-way simultaneous, TWS). В полудуплексном режиме две системы вместе с данными передают также маркеры. Передавать информацию можно только компьютеру, у которого в данный момент находится маркер. Так удается избежать столкновения сообщений в пути. Дуплексная модель сложнее. Маркеров в ней нет; обе системы могут передавать данные в любой момент, даже одновременно. Разделение диалога (dialog separation) состоит во включении в поток данных контрольных точек (checkpoints), позволяющих синхронизировать работу двух систем. Степень сложности разделения диалога зависит от того, в каком режиме он осуществляется. В полудуп лексном режиме системы выполняют малую синхронизацию, заключающуюся в обмене сообщениями о контрольных точках. В дуплексном режиме системы выполняют полную синхронизацию с помощью главного/активного маркера.
Представительский уровень
На представительском (presentation) уровне выполняется единственная функция: трансляция синтаксиса между различными системами. Иногда компьютеры в сети применяют разные синтаксисы. Представительский уровень позволяет им «договориться» об общем синтаксисе для обмена данными. Устанавливая соединение на представительском уровне, системы обмениваются сообщениями с информа цией о том, какие синтаксисы в них имеются, и выбирают тот, который они будут использовать во время сеанса. У обеих систем, участвующих в соединении, есть абстрактный синтаксис (abstract syntax) - их «родная» форма связи. Абстрактные синтаксисы различных компьютерных платформ могут отличаться. В процессе согласования системы выбирают общий синтаксис передачи данных (transfer syntax). Передающая система преобразует свой абстрактный синтаксис в синтаксис передачи данных, а система-получатель по завершению передачи - наоборот. При необходимости система может выбрать синтаксис передачи данных с дополнительными функциями, например, сжатием или шифрованием данных.
Прикладной уровень
Прикладной уровень - это точка входа, через которую программы получают доступ к модели OSI и сетевым ресурсам. Большинство про токолов прикладного уровня предоставляет службы доступа к сети. Например, протоколом SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) большинство программ электронной почты пользуется для отправки сообщений. Другие протоколы прикладного уровня, например, FTP (File Transfer Protocol), сами являются программами. В протоколы прикладного уровня часто включают функции сеансового и представительского уровня. В результате типичный стек протоколов содержит четыре отдельных протокола, которые работают на прикладном, транспортном, сетевом и канальном уровнях.
Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (Open System Interconnection) . Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения. На рис. 1.10 представлена структура базовой модели.
Каждый уровень модели OSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам.
Рис. 1.10. Модель OSI
Если приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, то для обмена данными оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.
Взаимодействие уровней модели OSI
Модель OSI можно разделить на две различных модели, как показано на рис. 1.11:
Горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;
Вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.
Каждый уровень компьютера-отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютера-получателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера.
Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера-получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе.
В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface).
Рис. 1.11. Схема взаимодействия компьютеров в базовой эталонной модели OSI
Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети.
При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рис. 1.12, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета.
На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.
Рис. 1.12. Формирование пакета каждого уровня семиуровневой модели
Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.
Отдельные уровни модели OSI удобно рассматривать как группы программ, предназначенных для выполнения конкретных функций. Один уровень, к примеру, отвечает за обеспечение преобразования данных из ASCII в EBCDIC и содержит программы, необходимые для выполнения этой задачи.
Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь сервис у нижестоящего уровня. Верхние уровни запрашивают сервис почти одинаково: как правило, это требование маршрутизации каких-то данных из одной сети в другую. Практическая реализация принципов адресации данных возложена на нижние уровни. На рис. 1.13 приведено краткое описание функций всех уровней.
Рис. 1.13. Функции уровней модели OSI
Рассматриваемая модель определяет взаимодействие открытых систем разных производителей в одной сети. Поэтому она выполняет для них координирующие действия по:
Взаимодействию прикладных процессов;
Формам представления данных;
Единообразному хранению данных;
Управлению сетевыми ресурсами;
Безопасности данных и защите информации;
Диагностике программ и технических средств.
Прикладной уровень (Application layer)
Прикладной уровень обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия, является верхним (седьмым) уровнем и непосредственно примыкает к прикладным процессам.
В действительности прикладной уровень – это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты. Специальные элементы прикладного сервиса обеспечивают сервис для конкретных прикладных программ, таких как программы пересылки файлов и эмуляции терминалов. Если, например программе необходимо переслать файлы, то обязательно будет использован протокол передачи, доступа и управления файлами FTAM (File Transfer, Access, and Management). В модели OSI прикладная программа, которой нужно выполнить конкретную задачу (например, обновить базу данных на компьютере), посылает конкретные данные в виде Дейтаграммы на прикладной уровень. Одна из основных задач этого уровня – определить, как следует обрабатывать запрос прикладной программы, другими словами, какой вид должен принять данный запрос.
Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).
Прикладной уровень выполняет следующие функции:
1. Выполнение различных видов работ.
Передача файлов;
Управление заданиями;
Управление системой и т. д;
2. Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям;
3. Определение функционирующих абонентов и возможности доступа к новым прикладным процессам;
4. Определение достаточности имеющихся ресурсов;
5. Организация запросов на соединение с другими прикладными процессами;
6. Передача заявок представительскому уровню на необходимые методы описания информации;
7. Выбор процедур планируемого диалога процессов;
8. Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов;
9. Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок);
10. Соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных;
11. Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).
Указанные функции определяют виды сервиса, которые прикладной уровень предоставляет прикладным процессам. Кроме этого, прикладной уровень передает прикладным процессам сервис, предоставляемый физическим, канальным, сетевым, транспортным, сеансовым и представительским уровнями.
На прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское программное обеспечение.
Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.
К числу наиболее распространенных протоколов верхних трех уровней относятся:
FTP (File Transfer Protocol) протокол передачи файлов;
TFTP (Trivial File Transfer Protocol) простейший протокол пересылки файлов;
X.400 электронная почта;
Telnet работа с удаленным терминалом;
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) простой протокол почтового обмена;
CMIP (Common Management Information Protocol) общий протокол управления информацией;
SLIP (Serial Line IP) IP для последовательных линий. Протокол последовательной посимвольной передачи данных;
SNMP (Simple Network Management Protocol) простой протокол сетевого управления;
FTAM (File Transfer, Access, and Management) протокол передачи, доступа и управления файлами.
Уровень представления данных (Presentation layer)
Функции данного уровня – представление данных, передаваемых между прикладными процессами, в нужной форме.
Этот уровень обеспечивает то, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. В случаях необходимости уровень представления в момент передачи информации выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а в момент приема, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. Такая ситуация может возникнуть в ЛВС с неоднотипными компьютерами (IBM PC и Macintosh), которым необходимо обмениваться данными. Так, в полях баз данных информация должна быть представлена в виде букв и цифр, а зачастую и в виде графического изображения. Обрабатывать же эти данные нужно, например, как числа с плавающей запятой.
В основу общего представления данных положена единая для всех уровней модели система ASN.1. Эта система служит для описания структуры файлов, а также позволяет решить проблему шифрования данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня.
Представительный уровень выполняет следующие основные функции:
1. Генерация запросов на установление сеансов взаимодействия прикладных процессов.
2. Согласование представления данных между прикладными процессами.
3. Реализация форм представления данных.
4. Представление графического материала (чертежей, рисунков, схем).
5. Засекречивание данных.
6. Передача запросов на прекращение сеансов.
Протоколы уровня представления данных обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.
Сеансовый уровень (Session layer)
Сеансовый уровень – это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами.
Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того чтобы начинать все сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.
Сеансовый уровень управляет передачей информации между прикладными процессами, координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений во время сеанса и завершение сеанса.
На сеансовом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процессами:
Полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди);
Дуплексной (процессы будут передавать данные, и принимать их одновременно).
В полудуплексном режиме сеансовый уровень выдает тому процессу, который начинает передачу, маркер данных. Когда второму процессу приходит время отвечать, маркер данных передается ему. Сеансовый уровень разрешает передачу только той стороне, которая обладает маркером данных.
Сеансовый уровень обеспечивает выполнение следующих функций:
1. Установление и завершение на сеансовом уровне соединения между взаимодействующими системами.
2. Выполнение нормального и срочного обмена данными между прикладными процессами.
3. Управление взаимодействием прикладных процессов.
4. Синхронизация сеансовых соединений.
5. Извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях.
6. Установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки.
7. Прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его корректное возобновление.
8. Прекращение сеанса без потери данных.
9. Передача особых сообщений о ходе проведения сеанса.
Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.
Транспортный уровень (Transport Layer)
Транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки.
На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням модели (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.
Транспортный уровень определяет адресацию физических устройств (систем, их частей) в сети. Этот уровень гарантирует доставку блоков информации адресатам и управляет этой доставкой. Его главной задачей является обеспечение эффективных, удобных и надежных форм передачи информации между системами. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения пакетов. Если проходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.
В функции транспортного уровня входят:
1. Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных.
2. Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация и сообщение о неисправленных ошибках.
3. Восстановление передачи после отказов и неисправностей.
4. Укрупнение или разделение блоков данных.
5. Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная).
6. Подтверждение передачи.
7. Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.
Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.
Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают в себя:
TCP (Transmission Control Protocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;
UDP (User Datagram Protocol) пользовательский протокол дейтаграмм стека TCP/IP;
NCP (NetWare Core Protocol) базовый протокол сетей NetWare;
SPX (Sequenced Packet eXchange) упорядоченный обмен пакетами стека Novell;
TP4 (Transmission Protocol) – протокол передачи класса 4.
Сетевой уровень (Network Layer)
Сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих абонентские и административные системы через коммуникационную сеть, выбор маршрута наиболее быстрого и надежного пути.
Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя системами и обеспечивает прокладку виртуальных каналов между ними. Виртуальный или логический канал – это такое функционирование компонентов сети, которое создает взаимодействующим компонентам иллюзию прокладки между ними нужного тракта. Кроме этого, сетевой уровень сообщает транспортному уровню о появляющихся ошибках. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). В них помещаются фрагменты данных. Сетевой уровень отвечает за их адресацию и доставку.
Прокладка наилучшего пути для передачи данных называется маршрутизацией, и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.
Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами.
Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие номер сети. В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.
Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач (hops) между сетями, каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, по которым проходит пакет.
Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы и маршрутизацию пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.
Сетевой уровень выполняет функции:
1. Создание сетевых соединений и идентификация их портов.
2. Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть.
3. Управление потоками пакетов.
4. Организация (упорядочение) последовательностей пакетов.
5. Маршрутизация и коммутация.
6. Сегментирование и объединение пакетов.
На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.
Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.
Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:
IP (Internet Protocol) протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP, который предоставляет адресную и маршрутную информацию;
IPX (Internetwork Packet Exchange) протокол межсетевого обмена пакетами, предназначенный для адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell;
X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов (частично этот протокол реализован на уровне 2);
CLNP (Connection Less Network Protocol) сетевой протокол без организации соединений.
Канальный уровень (Data Link)
Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Задача канального уровня – передавать кадры от сетевого уровня к физическому уровню.
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.
Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит, в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.
Задача канального уровня – брать пакеты, поступающие с сетевого уровня и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Этот уровень обязан определить, где начинается и где заканчивается блок, а также обнаруживать ошибки передачи.
На этом же уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной передачи данных) ошибки.
Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.Х делят канальный уровень на два подуровня:
LLC (Logical Link Control) управление логическим каналом осуществляет логический контроль связи. Подуровень LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня и связан с передачей и приемом пользовательских сообщений.
MAC (Media Assess Control) контроль доступа к среде. Подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и управляет доступом к каналу связи. Подуровень LLC находится выше подуровня МАC.
Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей посредством процедуры передачи данных по каналу.
При больших размерах передаваемых блоков данных канальный уровень делит их на кадры и передает кадры в виде последовательностей.
При получении кадров уровень формирует из них переданные блоки данных. Размер блока данных зависит от способа передачи, качества канала, по которому он передается.
В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
Канальный уровень может выполнять следующие виды функций:
1. Организация (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификация их портов.
2. Организация и передача кадров.
3. Обнаружение и исправление ошибок.
4. Управление потоками данных.
5. Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).
Наиболее часто используемые протоколы на канальном уровне включают:
HDLC (High Level Data Link Control) протокол управления каналом передачи данных высокого уровня, для последовательных соединений;
IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x;
Ethernet сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликтов;
Token ring сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;
FDDI (Fiber Distributed Date Interface Station) сетевая технология по стандарту IEEE 802.6, использующая оптоволоконный носитель;
X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией пакетов;
Frame relay сеть, организованная из технологий Х25 и ISDN.
Физический уровень (Physical Layer)
Физический уровень предназначен для сопряжения с физическими средствами соединения. Физические средства соединения – это совокупность физической среды, аппаратных и программных средств, обеспечивающая передачу сигналов между системами.
Физическая среда – это материальная субстанция, через которую осуществляется передача сигналов. Физическая среда является основой, на которой строятся физические средства соединения. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц.
Физический уровень состоит из Подуровня стыковки со средой и Подуровня преобразования передачи.
Первый из них обеспечивает сопряжение потока данных с используемым физическим каналом связи. Второй осуществляет преобразования, связанные с применяемыми протоколами. Физический уровень обеспечивает физический интерфейс с каналом передачи данных, а также описывает процедуры передачи сигналов в канал и получения их из канала. На этом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:
Тип кабелей и разъемов;
Разводку контактов в разъемах;
Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.
Физический уровень выполняет следующие функции:
1. Установление и разъединение физических соединений.
2. Передача сигналов в последовательном коде и прием.
3. Прослушивание, в нужных случаях, каналов.
4. Идентификация каналов.
5. Оповещение о появлении неисправностей и отказов.
Оповещение о появлении неисправностей и отказов связано с тем, что на физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий, мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря механического контакта и т.д.). Виды сервиса, предоставляемого канальному уровню, определяются протоколами физического уровня. Прослушивание канала необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем, но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи. В ряде случаев для более четкого определения структуры физический уровень разбивается на несколько подуровней. Например, физический уровень беспроводной сети делится на три подуровня (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Физический уровень беспроводной локальной сети
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером. Повторители являются единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне.
Физический уровень может обеспечивать как асинхронную (последовательную) так и синхронную (параллельную) передачу, которая применяется для некоторых мэйнфреймов и мини-компьютеров. На Физическом уровне должна быть определена схема кодирования для представления двоичных значений с целью их передачи по каналу связи. Во многих локальных сетях используется манчестерское кодирование.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных и другие характеристики среды и электрических сигналов.
К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:
EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 – механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса;
EIA-RS-422/449, CCITT V.10 – механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса;
Ethernet – сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей, использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов;
Token ring – сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера.
Сетевая модель OSI — это эталонная модель взаимодействия открытых систем, на английском звучит как Open Systems Interconnection Basic Reference Model. Ее назначение в обобщенном представлении средств сетевого взаимодействия.
То есть модель OSI — то обобщенные стандарты для разработчиков программ, благодаря которым любой компьютер одинаково может расшифровать данные, переданные с другого компьютера. Чтобы было понятно, приведу жизненный пример. Известно, что пчелы видят все окружающее их в утрафиалетовом свете. То есть одну и ту же картинку наш глаз и пчелиный воспринимает абсолютно по-разному и то, что видят насекомые, может быть незаметно для зрения человека.
То же самое и с компьютерами — если один разработчик пишет приложение на каком-либо программном языке, который понимает его собственный компьютер, но не доступен ни для одного другого, то на любом другом устройстве вы прочитать созданный этим приложением документ не сможете. Поэтому пришли к такой идее, чтобы при написании приложений следовать единому своду правил, понятному для всех.
Для наглядности процесс работы сети принято разделять на 7 уровней , на каждом из которых работает своя группа протоколов.
Сетевой протокол
— это правила и технические процедуры, позволяющие компьютерам, объединенным в сеть, осуществлять соединение и обмен данными.
Группа протоколов, объединенных единой конечной целью, называется стек протоколов.
Для выполнения разных задач имеется несколько протоколов, которые занимаются обслуживанием систем, например, стек TCP/IP. Давайте здесь внимательно посмотрим на то, каким образом информация с одного компьютера отправляется по локальной сети на другой комп.
Для того, чтобы верно произвести все эти операции и нужен единый свод правил, то есть эталонная модель OSI.
Вернемся у к уровням OSI. Их принято отсчитывать в обратном порядке и в верхней части таблицы располагаются сетевые приложения, а в нижней — физическая среда передачи информации. По мере того, как данные от компьютера спускаются вниз непосредственно к сетевому кабелю, протоколы, работающие на разных уровнях, постепенно их преобразовывают, подготавливая к физической передаче.
Разберем их подробнее.
Его задача забрать у сетевого приложения данные и отправить на 6 уровень.
Переводит эти данные на единый универсальный язык. Дело в том, что каждый компьютерный процессор имеет собственный формат обработки данных, но в сеть они должны попасть в 1 универсальном формате — именно этим и занимается уровень представления.
У него много задач.
Обеспечивает приложениям необходимую степень защиты при доставке сообщений. Имеется две группы протоколов:
Обеспечивает сквозную передачу пакета, рассчитывая его маршрут. На этом уровне в пакетах ко всей предыдущей динформации, сформированной другими уровнями, добавляются IP адреса отправителя и получателя. Именно с этого момент пакет данных называется собственно ПАКЕТОМ, у которого есть >>IP адреса (IP протокол — это протокол межсетевого взаимодействия).
Здесь происходит передача пакета в пределах одного кабеля, то есть одной локальной сети. Он работает только до пограничного маршрутизатора одной локальной сети. К полученному пакету канальный уровень добавляет свой заголовок — MAC адреса отправителя и получателя и в таком виде блок данных уже называется КАДРОМ.
При передачи за пределы одной локальной сети пакету присваивается MAC не хоста (компьютера), а маршрутизатора другой сети. Отсюда как раз появляется вопрос серых и белых IP, о которых шла речб в статье, на которую была выше дана ссылка. Серый — это адрес внутри одной локальной сети, который не используетс яза ее пределами. Белый — уникальный адрес во всем глобальном интернете.
При поступлении пакета на пограничный роутер IP пакета подменяется на IP этого роутера и вся локальная сеть выходит в глобальную, то есть интернет, под одним единственным IP адресом. Если адрес белый, то часть данных с IP адресом не изменяется.
Отвечает за преобразование двоичной информации в физический сигнал, который отправляется в физический канал передачи данных. Если это кабель, то сигнал электрический, если оптоволоконная сеть, то в оптический сигнал. Осуществляется это преобразование при помощи сетевого адаптера.
TCP/IP — это стек протоколов, который управляет передачей данных как в локальной сети, так и в глобальной сети Интернет. Данный стек содержит 4 уровня, то есть по эталонной модели OSI каждый из них объединяет в себе несколько уровней.
Несмотря на то что протоколы, связанные с эталонной моделью OSI, используются сейчас очень редко, сама модель до сих пор весьма актуальна, а свойства ее уровней, которые будут обсуждаться в этом разделе, очень важны. В эталонной модели TCP/IP все наоборот - сама модель сейчас почти не используется, а ее протоколы являются самыми распространенными. Исходя из этого, мы обсудим подробности, касающиеся обеих моделей.
Эталонная модель OSI
Эталонная модель OSI (за исключением физической среды) показана на рис. 1.16. Эта модель основана на разработке Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) и является первым шагом к международной стандартизации протоколов, используемых на различных уровнях (Day и Zimmerman, 1983). Затем она была пересмотрена в 1995 году (Day, 1995). Называется эта структура эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO (ISO OSI (Open System Interconnection) Reference Model), поскольку она связывает открытые системы, то есть системы, открытые для связи с другими системами. Для краткости мы будем называть эту модель просто «модель OSI».
Модель OSI имеет семь уровней. Появление именно такой структуры было обусловлено следующими соображениями.
1. Уровень должен создаваться по мере необходимости отдельного уровня абстракции.
2. Каждый уровень должен выполнять строго определенную функцию.
3. Выбор функций для каждого уровня должен осуществляться с учетом создания стандартизированных международных протоколов.
4. Границы между уровнями должны выбираться так, чтобы поток данных между интерфейсами был минимальным.
5. Количество уровней должно быть достаточно большим, чтобы различные функции не объединялись в одном уровне без необходимости, но не слишком высоким, чтобы архитектура не становилась громоздкой.
Далее мы обсудим каждый уровень модели, начиная с самого нижнего. Обратите внимание: модель OSI не является сетевой архитектурой, поскольку она не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать каждый уровень. Тем не менее ISO также разработала стандарты для каждого уровня, хотя эти стандарты не входят в саму эталонную модель. Каждый из них был опубликован как отдельный международный стандарт.
Физический уровень
Физический уровень занимается реальной передачей необработанных битов по каналу связи. При разработке сети необходимо убедиться, что когда одна сторона передает единицу, то принимающая сторона получает также единицу, а не ноль. Принципиальными вопросами здесь являются следующие: какое напряжение должно использоваться для отображения единицы, а какое - для нуля; сколько микросекунд длится бит; может ли передача производиться одновременно в двух направлениях; как устанавливается начальная связь и как она прекращается, когда обе стороны закончили свои задачи; из какого количества проводов должен состоять кабель и какова функция каждого провода. Вопросы разработки в основном связаны с механическими, электрическими и процедурными интерфейсами, а также с физическим носителем, лежащим ниже физического уровня.
Уровень передачи данных
Основная задача уровня передачи данных - быть способным передавать «сырые» данные физического уровня по надежной линии связи, свободной от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего сетевого уровня. Уровень выполняет эту задачу при помощи разбиения входных данных на кадры, обычный размер которых колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч байт. Кадры данных передаются последовательно с обработкой кадров подтверждения, отсылаемых обратно получателем.
Еще одна проблема, возникающая на уровне передачи данных (а также и на большей части более высоких уровней), - как не допустить ситуации, когда быстрый передатчик заваливает приемник данными. Должен быть предусмотрен некий механизм регуляции, который информировал бы передатчик о наличии свободного места в буфере приемника на текущий момент. Часто подобное управление объединяется с механизмом обработки ошибок.
В широковещательных сетях существует еще одна проблема уровня передачи данных: как управлять доступом к совместно используемому каналу. Эта проблема разрешается введением специального дополнительного подуровня уровня передачи данных - подуровня доступа к носителю.
Сетевой уровень
Сетевой уровень занимается управлением операциями подсети. Важнейшим моментом здесь является определение маршрутов пересылки пакетов от источника к пункту назначения. Маршруты могут быть жестко заданы в виде таблиц и редко меняться. Кроме того, они могут задаваться в начале каждого соединения, например терминальной сессии. Наконец, они могут быть в высокой степени динамическими, то есть вычисляемыми заново для каждого пакета с учетом текущей загруженности сети.
Если в подсети одновременно присутствует слишком большое количество пакетов, то они могут закрыть дорогу друг другу, образуя заторы в узких местах. Недопущение подобной закупорки также является задачей сетевого уровня. В более общем смысле сетевой уровень занимается предоставлением определенного уровня сервиса (это касается задержек, времени передачи, вопросов синхронизации).
При путешествии пакета из одной сети в другую также может возникнуть ряд проблем. Так, способ адресации, применяемый в одной сети, может отличаться от принятого в другой. Сеть может вообще отказаться принимать пакеты из-за того, что они слишком большого размера. Также могут различаться протоколы, и т. д. Именно сетевой уровень должен разрешать все эти проблемы, позволяя объединять разнородные сети.
В широковещательных сетях проблема маршрутизации очень проста, поэтому в них сетевой уровень очень примитивный или вообще отсутствует.
Транспортный уровень
Основная функция транспортного уровня - принять данные от сеансового уровня, разбить их при необходимости на небольшие части, передать их сетевому уровню и гарантировать, что эти части в правильном виде прибудут по назначению. Кроме того, все это должно быть сделано эффективно и таким образом, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии.
Транспортный уровень также определяет тип сервиса, предоставляемого сеансовому уровню и, в конечном счете, пользователям сети. Наиболее популярной разновидностью транспортного соединения является защищенный от ошибок канал между двумя узлами, поставляющий сообщения или байты в том порядке, в каком они были отправлены. Однако транспортный уровень может предоставлять и другие типы сервисов, например пересылку отдельных сообщений без гарантии соблюдения порядка их доставки или одновременную отправку сообщения различным адресатам по принципу широковещания. Тип сервиса определяется при установке соединения. (Строго говоря, полностью защищенный от ошибок канал создать невозможно. Говорят лишь о таком канале, уровень ошибок в котором достаточно мал, чтобы ими можно было пренебречь на практике.)
Транспортный уровень является настоящим сквозным уровнем, то есть доставляющим сообщения от источника адресату. Другими словами, программа на машине-источнике поддерживает связь с подобной программой на другой машине при помощи заголовков сообщений и управляющих сообщений. На более низких уровнях для поддержки этого соединения устанавливаются соединения между всеми соседними машинами, через которые проходит маршрут сообщений.
Сеансовый уровень
Сеансовый уровень позволяет пользователям различных компьютеров устанавливать сеансы связи друг с другом. При этом предоставляются различные типы сервисов, среди которых управление диалогом (отслеживание очередности передачи данных), управление маркерами (предотвращение одновременного выполнения критичной операции несколькими системами) и синхронизация (установка служебных меток внутри длинных сообщений, позволяющих после устранения ошибки продолжить передачу с того места, на котором она оборвалась).
Уровень представления
В отличие от более низких уровней, задача которых - достоверная передача битов и байтов, уровень представления занимается по большей части синтаксисом и семантикой передаваемой информации. Чтобы было возможно общение компьютеров с различными представлениями данных, необходимо преобразовывать форматы данных друг в друга, передавая их по сети в неком стандартизированном виде. Уровень представления занимается этими преобразованиями, предоставляя возможность определения и изменения структур данных более высокого уровня (например, записей баз данных).
Прикладной уровень
Прикладной уровень содержит набор популярных протоколов, необходимых пользователям. Одним из наиболее распространенных является протокол передачи гипертекста HTTP (HyperText Transfer Protocol), который составляет основу технологии Всемирной Паутины. Когда браузер запрашивает веб-страницу, он передает ее имя (адрес) и рассчитывает на то, что сервер будет использовать HTTP. Сервер в ответ отсылает страницу. Другие прикладные протоколы используются для передачи файлов, электронной почты, сетевых рассылок.
Критика модели и протоколов OSI
Некоторое время назад, многим экспертам в данной области казалось, что модель OSI и ее протоколы завоюют весь мир и вытеснят все остальное. Этого не случилось. Почему? Может быть, полезно оглянуться и учесть некоторые из уроков этой истории. Основных причин неудачи модели OSI было четыре:
Несвоевременность;
Неудачная технология;
Неудачная реализация;
Неудачная политика.
Несвоевременность
Прежде всего рассмотрим причину номер один: несвоевременность. Для успеха стандарта чрезвычайно важно, в какое время он устанавливается. У Дэвида Кларка (David Clark) из M.I.T. есть теория стандартов, которую он называет апокалипсисом двух слонов.
На этом рисунке изображена активность, сопровождающая любую новую разработку. Открытие новой темы вначале вызывает всплеск исследовательской активности в виде дискуссий, статей и собраний. Через некоторое время наступает спад активности, эту тему открывают для себя корпорации, и в результате в нее инвестируются миллиарды долларов.
Существенным является то, что стандарты пишутся именно в период между двумя «слонами». Если их создавать слишком рано, прежде чем закончатся исследования, предмет может оказаться еще слишком мало изучен и понят, что повлечет принятие плохих стандартов. Если создавать их слишком поздно, компании могут успеть вложить деньги в несколько отличные от стандартов технологии, так что принятые стандарты могут оказаться проигнорированными. Если интервал между двумя пиками активности будет слишком коротким (а все стремятся делать деньги как можно быстрее), разработчики стандартов могут просто не успеть их выработать.
Теперь становится ясно, почему стандартные протоколы OSI потерпели неудачу. К моменту их появления среди исследовательских университетов уже получили широкое распространение конкурирующие с ними протоколы TCP/IP. И хотя волна инвестиций еще не обрушилась на данную область, рынок университетов был достаточно широк для того, чтобы многие разработчики стали осторожно предлагать продукты, поддерживающие протоколы TCP/IP. Когда же появился OSI, разработчики не захотели поддерживать второй стек протоколов; таким образом, начальных предложений не было. Каждая компания выжидала, пока первым начнет кто-нибудь другой, поэтому OSI так никто и не стал поддерживать.
Плохая технология
Второй причиной, по которой модель OSI не была реализована, оказалось несовершенство как самой модели, так и ее протоколов. Выбор семиуровневой структуры стал больше политическим решением, чем техническим. В результате два уровня (сеансовый и уровень представления) почти пусты, тогда как два других (сетевой и передачи данных) перегружены.
Эталонная модель OSI вместе с соответствующими определениями служб и протоколами оказалась невероятно сложной. Если сложить в стопку распечатку официального описания стандартов, получится кипа бумаги высотой в один метр. Модель тяжело реализуема и неэффективна в работе.
Еще одна проблема, помимо невозможности понять стандарты OSI, заключалась в том, что некоторые функции, такие как адресация, управление потоком и обработка ошибок, повторялись снова и снова в каждом уровне. Так, например, в книге Saltzer и др. (1984) указывается, что для того, чтобы контроль за ошибками был эффективным, он должен осуществляться на самом верхнем уровне, поэтому повторение его снова и снова на каждом уровне часто оказывается излишним и неэффективным.
Неудачная реализация
Учитывая огромную сложность модели и протоколов, громоздкость и медлительность первых реализаций не стали неожиданностью. Неудачу потерпели все, кто попытался реализовать эту модель. Поэтому вскоре понятие «OSI» стало ассоциироваться с плохим качеством. И хотя со временем продукты улучшились, ассоциации остались.
Первые реализации TCP/IP, основанные на Berkley UNIX, напротив, были достаточно хороши (не говоря уже о том, что они были открытыми). Они довольно быстро вошли в употребление, что привело к появлению большого сообщества пользователей. Это вызвало исправления и улучшения реализации, в результате чего сообщество пользователей еще выросло. В данном случае обратная связь явно была положительной.
Неудачная политика
Из-за особенностей первоначальной реализации многие, особенно в университетских кругах, считали TCP/IP частью системы UNIX. А к системе UNIX в университетских кругах в 80-е годы испытывали чувства, средние между родительскими (в те времена некорректно по отношению к правам мужского населения называемые материнскими) и чувствами к яблочному пирогу.
С другой стороны, OSI считался детищем европейских телекоммуникационных министерств, Европейского сообщества и (позднее) правительства США. Все это было лишь отчасти верным, однако сама мысль о группе правительственных чиновников, пытающихся протолкнуть неудачный в техническом отношении стандарт в глотки бедных исследователей и программистов, прокладывавших компьютерные сети в траншеях, не способствовала продвижению этой модели. Кое-кто рассматривал это развитие в том же свете, что и заявления корпорации IBM, сделанные в 1960 году, о том, что PL/I будет языком будущего, или Министерства обороны, поправлявшего позднее это утверждение своим заявлением, что в действительности таким языком будет Ada.
Несмотря на все недостатки, модель OSI (кроме сеансового уровня и уровня представления) показала себя исключительно полезной для теоретических дискуссий о компьютерных сетях. Протоколы OSI, напротив, не получили широкого распространения. Для TCP/IP верно обратное: модель практически не существует, тогда как протоколы чрезвычайно популярны.
