Сайт о телевидении

Предлагаемая эталонная модель BPM (Business Process Management) основывается на цепочке следующих предпосылок:

Повышение производительности предприятия как сложной системы требует ее рационального построения, а процессное управление является наиболее современной концепцией для такого построения;

BPM (как дисциплина) предлагает системный подход к реализации процессного управления;

На каждом процессно-управляемом предприятии есть своя BPM-система - портфолио всех бизнес-процессов, а также методов и инструментов для руководства разработкой, исполнения и развития этого портфолио;

Гибкость BPM-системы предприятия является основным фактором ее успеха;

Специализированная программная платформа (BPM suite) для реализации BPM-системы предприятия необходима, но недостаточна, так как BPM занимает особое место в архитектуре предприятия.

Цель: повышение производительности предприятия

Для управления своей производительностью большинство предприятий используют принцип обратной связи (рис. 1), позволяющий адаптироваться к внешней бизнес-экосистеме путем выполнения определенной последовательности действий:

Измерение хода исполнения производственно-хозяйственной деятельности (обычно такие измерения представлены в форме различных метрик или индикаторов, например, процент возвращающихся клиентов);

Вычленение из внешней бизнес-экосистемы важных для предприятия событий (например, законов или новых потребностей рынка);

Определение стратегии развития бизнеса предприятия;

Реализация принятых решений (путем внесения изменений в бизнес-систему предприятия).

В соответствии с классической рекомендацией Эдварда Деминга, автора многочисленных работ в области управления качеством, в том числе известной книги «Выход из кризиса», все усовершенствования должны проводиться циклично, непрерывно и с проверкой на каждом цикле. Степень и частота этих усовершенствований зависят от конкретной ситуации, но рекомендуется делать такие циклы достаточно компактными. Различные усовершенствования могут затрагивать различные аспекты работы предприятия. Вопрос в том, как предприятие может достигнуть наилучших результатов в каждом конкретном случае? Существуют две объективные предпосылки для оптимизации деятельности предприятия как единого целого:

Обеспечение руководства надлежащей информацией и инструментами для принятия решения;

Гарантия того, что бизнес-система предприятия способна к осуществлению необходимых изменений в необходимом темпе.

Наиболее современная концепция организации работы предприятия - процессное управление, при котором процессы и службы становятся явными.

Процессное управление

Мир бизнеса давно понял (см. такие методики, как TQM, BPR, Six Sigma, Lean, ISO 9000, и др.), что службы и процессы - это основа функционирования большинства предприятий. Множество предприятий используют процессное управление для организации своей производственно-хозяйственной деятельности, как портфолио бизнес-процессов и методов управления ими.

Процессное управление, как управленческая концепция, постулирует целесообразность координации деятельности отдельных служб предприятия с целью получения определенного результата при помощи явно и формально определенных бизнес-процессов. При этом службы - это операционно независимые функциональные единицы; у предприятия может быть много элементарных нанослужб, которые организованы в мегаслужбу (собственно предприятие).

Использование явного определения координации позволяет формализовать взаимозависимости между службами. Наличие такой формализации дает возможность использовать различные методы (моделирование, автоматизированная проверка, контроль за версиями, автоматизированное выполнение и т.д.) для улучшения понимания бизнеса (для принятия более правильных решений) и повышения скорости развития бизнес-систем (для более быстрой реализации изменений).

Кроме процессов и служб, бизнес-системы предприятий работают с событиями, правилами, данными, индикаторами работы, ролями, документами и т.д.

Для реализации процессного управления предприятия используют три популярные дисциплины постоянного усовершенствования бизнес-процессов: ISO 9000, Six Sigma и «бережливое», или «экономное», производство (Lean production). Они воздействуют на различные области бизнес-системы предприятия, однако всегда предусматривается сбор данных о фактически проделанной работе и использование некой модели бизнес-процессов для принятия решений (хотя иногда эта модель находится только в чьей-то голове). В то же самое время они предлагают различные и взаимодополняющие методы для того, чтобы определить, какие именно изменения необходимы для улучшения функционирования бизнес-системы предприятия.

Что моделируете, то и выполняете

На рис. 2 приведена обобщенная модель процессно-управляемого предприятия.

В чем основная трудность оптимизации деятельности такого предприятия? Различные части бизнес-системы используют разные описания одного и того же бизнес-процесса. Обычно эти описания существуют отдельно и разработаны разными людьми, обновляются различными темпами, не обмениваются информацией, а некоторых из них просто нет в явном виде. Наличие единого описания бизнес-процессов предприятия позволяет устранить этот недостаток. Это описание должно быть явно и формально определено, чтобы одновременно служить моделью для моделирования, исполняемой программой и документацией, легко понимаемой всеми вовлеченными в бизнес-процесс сотрудниками.

Такое описание - основа дисциплины BPM, позволяющей моделировать, автоматизировать, выполнять, контролировать, измерять и оптимизировать потоки работ, охватывающие программные системы, сотрудников, клиентов и партнеров в пределах и вне границ предприятия. Дисциплина BPM рассматривает все операции с бизнес-процессами (моделирование, исполнение и т.п.) как единое целое (рис. 3).

На данный момент в индустрии BPM еще не сложилась надлежащая система стандартов на форматы формального описания бизнес-процессов. Три наиболее популярных формата: BPMN (Business Process Modelling Notation , графическое представление моделей бизнес-процессов), BPEL (Business Process Execution Language , формализация исполнения взаимодействия между Web-сервисами) и XPDL (XML Process Description Language, www.wfmc.org, спецификация по обмену моделями бизнес-процессов между различными приложениями) были разработаны различными группами и для различных целей и, к сожалению, адекватно не взаимодополняют друг друга.

Ситуация усугубляется тем, что за различными форматами стоят различные производители и каждый старается «протолкнуть» на рынок свое решение. Как это неоднократно повторялось, в подобной борьбе интересы конечного потребителя мало принимаются во внимание - сегодня нет достаточно мощной организации, представляющей интересы конечного потребителя BPM (по аналогии с группой стандартов для HTML , успех которой объясняется принятием всеми разработчиками Web-браузеров единого теста ACID3 для сравнения своих продуктов). Идеальной ситуацией в BPM было бы стандартное определение семантики исполнения для BPMN-подобного описания бизнес-процессов. Именно стандартная семантика исполнения гарантировала бы одинаковую интерпретацию бизнес-процессов любым ПО. Дополнительно такое описание должно позволять адаптацию степени описания бизнес-процессов для нужд конкретного потребителя (например, пользователь видит грубую диаграмму, аналитик - более подробную и т.п.).

Все это не означает, что BPEL или XPDL станут ненужными - их использование будет скрыто, как это происходит в сфере подготовки электронных документов. Один и тот же электронный документ может одновременно существовать в XML, PDF, PostScript и т.п., но только один основной формат (XML) используется для модификации документа.

Дисциплина BPM в культуре предприятия

Кроме процессов и служб, бизнес-системы предприятия работают с такими дополнительными артефактами, как:

события (events) - явления, происшедшие в пределах и вне границ предприятия, на которые возможна некая реакция бизнес-системы, например, при получении заказа от клиента необходимо начать бизнес-процесс обслуживания;

объекты (data and documents objects) - формальные информационные описания реальных вещей и людей, образующих бизнес; это информация на входе и выходе бизнес-процесса, например, бизнес-процесс обслуживания заказа получает на входе собственно формуляр заказа и информацию о клиенте, а на выходе формирует отчет о выполнении заказа;

деятельности (activities) - мелкие работы, преобразующие объекты, например автоматические деятельности типа проверки кредитной карты клиента или деятельности, осуществляемые человеком, такие как визирование документа руководством;

правила (rules) - ограничения и условия, при которых функционирует предприятие, например, выдача кредита на определенную сумму должна утверждаться генеральным директором банка;

роли (roles) - понятия, представляющие соответствующие навыки или обязанности, требуемые для выполнения определенных действий, например, только менеджер высшего звена может подписать конкретный документ;

аудиторские следы (audit trails) - информация о выполнении конкретного бизнес-процесса, например, кто сделал, что и с каким результатом;

основные индикаторы производительности (Key Performance Indicator, KPI) - ограниченное число показателей, измеряющих степень достижения поставленных целей.

Рис. 4 иллюстрирует распределение артефактов между различными частями бизнес-системы предприятия. Выражение «процессы (как шаблоны)» означает абстрактные описания (модели или планы) процессов;

выражение «процессы (как экземпляры)» означает фактические результаты выполнения этих шаблонов. Обычно шаблон используется для создания многих экземпляров (подобно незаполненному бланку, который многократно копируется для заполнения разными людьми). Выражение «службы (как интерфейсы)» означает формальные описания служб, которые доступны для их потребителей; выражение «службы (как программы)» означает средства выполнения служб - такие средства обеспечиваются поставщиками служб.

Для успешной работы со всей сложной совокупностью взаимозависимых артефактов у любого процессно-управляемого предприятия есть своя собственная BPM-система - это портфолио всех бизнес-процессов предприятия, а также методов и инструментов для руководства разработкой, исполнения и развития этого портфолио. Другими словами, BPM-система предприятия ответственна за синергетическое функционирование различных частей бизнес-системы предприятия.

BPM-система, как правило, не идеальна (например, некоторые процессы могут существовать лишь на бумаге, а некоторые детали «живут» только в умах определенных людей), но она существует. Например, любую реализацию ISO 9000 можно рассматривать как пример BPM-системы.

Улучшение BPM-системы предприятия, помимо чисто технических аспектов, должно учитывать социо-технические вопросы. У BPM-системы предприятия есть много заинтересованных лиц, каждое из которых решает свои задачи, воспринимает BPM-дисциплину своим образом и работает со своими артефактами. Для успешного развития BPM-системы предприятия необходимо обратить особое внимание на проблемы всех заинтересованных лиц и заранее объяснить им, как улучшение BPM-системы предприятия изменит их работу к лучшему. Крайне важно достигнуть единого понимания всех артефактов среди всех заинтересованных лиц.

Специализированное ПО для реализации BPM-систем

Растущая популярность и большой потенциал BPM вызвали появление нового класса корпоративного ПО - BPM suite, или BPMS, содержащего следующие типичные компоненты (рис. 5):

Инструмент моделирования (Process modelling tool) - графическая программа для манипулирования такими артефактами, как события, правила, процессы, активности, службы и т.д.;

Инструмент тестирования (Process testing tool) - среда функционального тестирования, которое позволяет «исполнять» процесс по различным сценариям;

Хранилище шаблонов (Process template repository) - база данных шаблонов бизнес-процессов с поддержкой различных версий одного и того же шаблона;

Исполнитель процессов (Process execution engine);

Хранилище экземпляров (Process instance repository) - база данных для выполняемых и уже выполненных экземпляров бизнес-процессов;

Список работ (Work list) - интерфейс между BPM suite и пользователем, выполняющим некоторые активности в рамках одного или нескольких бизнес-процессов;

Приборная панель (Dashboard) - интерфейс оперативного контроля за исполнением бизнес-процессов;

Инструмент анализа (Process analysis tool) - среда для изучения тенденции исполнения бизнес-процессов;

Инструмент имитационного моделирования (Process simulation tool) - среда для тестирования производительности бизнес-процессов.

Необходимость взаимодействия между BPM suite и корпоративным ПО, которое поддерживает другие артефакты, вызвала появление нового класса корпоративного ПО - Business Process Platform (BPP). Типичные технологии BPP (рис. 6):

Business Event Management (BEM) - анализ бизнес-событий в режиме реального времени и запуск соответствующих бизнес-процессов (BEM связан с Complex Event Processing (CEP) и Event Driven Architecture (EDA));

Business Rules Management (BRM) - явное и формальное кодирование бизнес-правил, которые могут модифицироваться пользователями;

Master Data Management (MDM) - упрощение работы со структурированными данными за счет устранения хаоса при использовании одних и тех же данных;

Enterprise Content Management (ECM) - управление корпоративной информацией, предназначенной для человека (обобщение понятия документ);

Configuration Management Data Base (CMDB) - централизованное описание всей информационно-вычислительной среды предприятия, используемое для привязки BPM к информационно-вычислительным ресурсам предприятия;

Role-Based Access Control (RBAC) - управления доступом к информации с целью эффективного разделения контрольных и исполнительских полномочий (separation of duty);

Business Activity Monitoring (BAM) - оперативный контроль функционирования предприятия;

Business Intelligence (BI) - анализ характеристик и тенденций работы предприятия;

Service-Oriented Architecture (SOA) - архитектурный стиль для построения сложных программных систем в виде набора универсально доступных и взаимозависимых служб, который используется для реализации, выполнения и управления службами;

Enterprise Service Bus (ESB) - среда коммуникаций между службами в рамках SOA.

Таким образом, дисциплина BPM способна обеспечить единое, формальное и выполнимое описание бизнес-процессов, которое может использоваться в различных инструментах BPM suite, причем реальные данные собираются во время выполнения бизнес-процессов. Вместе с тем высокая гибкость BPM-системы предприятия не гарантируется автоматически после покупки BPM suite или BPP - способность конкретной BPM-системы развиться в необходимом темпе должна проектироваться, реализовываться и постоянно контролироваться. Как и здоровье человека, все это нельзя купить.

BPM в архитектуре предприятия

Необходимость вовлечения практически всего корпоративного ПО в единую логику улучшения BPM-системы предприятия поднимает вопрос о роли и месте BPM в архитектуре предприятия (Enterprise Architecture, EA). EA является на сегодня устоявшейся практикой ИТ-департаментов по упорядочению информационно-вычислительной среды предприятия. В основе EA лежат следующие правила:

Текущая ситуация с информационно-вычислительной средой предприятия тщательно документируется как исходная точка as-is;

Желаемая ситуация документируется как конечная точка to-be;

Строится и исполняется долгосрочный план по переводу информационно-вычислительной среды предприятия из одной точки в другую.

Все это, казалась бы, вполне разумно, но сразу видна разница с подходом, предусматривающим небольшие улучшения, который лежит в основе процессного управления. Как совместить эти два противоположных подхода?

Дисциплина BPM может решить основную проблему EA - дать объективную оценку производственно-хозяйственных возможностей (а не только информационно-вычислительных) того, что будет в точке to-be. Несмотря на то что EA описывает полную номенклатуру артефактов предприятия (его генотип), она не может достоверно сказать, какие изменения в этом генотипе влияют на конкретные производственно-хозяйственные характеристики предприятия, то есть на фенотип предприятия (cовокупность характеристик, присущих индивиду на определенной стадии развития).

Со своей стороны, дисциплина BPM структурирует взаимозависимости между артефактами в виде явных и исполняемых моделей (бизнес-процесс - это пример взаимозависимости между такими артефактами, как события, роли, правила и т.п.). Наличие таких исполняемых моделей позволяет с некоторой степенью достоверности оценить производственно-хозяйственные характеристики предприятия при изменении генотипа предприятия.

Естественно, чем больше взаимозависимостей между артефактами смоделировано и чем достовернее эти модели, тем точнее такие оценки. Потенциально симбиоз номенклатуры артефактов предприятия и формально определенных взаимозависимостей между ними дает исполняемую модель предприятия на конкретный момент времени. Если строить такие исполняемые модели на единых принципах (например, krislawrence.com), то появляется возможность для сравнения эффекта от применения различных стратегий развития предприятия и появления более систематических и предсказуемых технологий по преобразованию одних исполняемых моделей в другие.

В некотором смысле комбинация EA+BPM может стать своего рода навигатором, который обеспечивает руководство и практическую помощь в развитии бизнеса и ИТ при реализации генеральной линии предприятия.

Не секрет, что сегодня производители ПО определяют и развивают BPM по-разному. Однако, более перспективный путь развития BPM - это BPM, ориентированный на нужды конечных потребителей, и эталонная модель BPM - первый шаг по созданию единого понимания BPM среди всех заинтересованных лиц.

Предлагаемая в статье эталонная модель основана на практическом опыте автора по проектированию, разработке и сопровождению различных корпоративных решений. В частности, эта модель использовалась для автоматизации ежегодного производства более 3 тыс. сложных электронных продуктов со средним временем подготовки продукта в несколько лет. В результате обслуживание и развитие этой производственной системы потребовали в несколько раз меньше ресурсов, чем при традиционном подходе. n

Александр Самарин ([email protected]) - корпоративный архитектор ИТ-департамента правительства кантона Женева (Швейцария).

Process Frameworks для BPM

Подход к реализации технологий управления бизнес-процессами, упрощающий внедрение BPM-систем, подразумевает четкое определение бизнес-задачи и соответствующих ей бизнес-процессов; реализацию этих процессов за срок не более трех месяцев с целью демонстрации ценности данного подхода; дальнейшее расширение реализации на основные бизнес-задачи. Однако главная трудность на этом пути - недопонимание и отсутствие согласованности между бизнес- и ИТ-подразделениями. Значительно упростить проект внедрения и сократить затраты позволяют специализированные референсные модели (Process Frameworks).

Референсная модель - пакет аналитических и программных ресурсов, состоящий из описания и рекомендаций по организации высокоуровневой структуры бизнес-процесса, набора атрибутов и метрик оценки эффективности выполнения, а также программных модулей, созданных для быстрого построения прототипа бизнес-процесса для последующей его адаптации под специфику конкретной компании.

Референсные модели помогают в определении и установке требований и позволяют наладить бизнес-процессы, они основаны на отраслевых стандартах и включают в себя отраслевой опыт. Для типовых процессов референсные модели способны помочь при выборе и моделировании основных последовательностей работы, определении ключевых показателей эффективности (КPI) и параметров, позволяющих оценить результативность в ключевых областях, а также при управлении деятельностью и решением задач, анализе исходных причин и обработке исключительных случаев.

В структуру типичной референсной модели входят: рекомендации и описание предметной области; элементы композитных пользовательский интерфейсов (экранные формы и логически связные в цепочки портлеты); оболочки сервисов для быстрой реализации доступа к бизнес данным; примеры типовых бизнес-правил; ключевые показатели эффективности и элементы для их анализа; исполняемые модели процессов; модели данных и атрибуты процесса; адаптации к законодательной базе и специфике бизнеса в конкретной стране; рекомендации по этапам развертывания и реализации процессов. Такой набор ресурсов позволят быстрее адаптироваться к реализации процессного подхода в рамках конкретной системы управления бизнес-процессами, сократить время итераций цикла разработки, тестового исполнения и анализа процессов. При этом достигается максимальное соответствие технической реализации и существующей бизнес-задачи.

Однако, как отмечают аналитики AMR Research, «технологии и методы сами по себе не способны обеспечить каких-либо преимуществ - «больше» не всегда значит «лучше». Некоторые компании применяют множество различных решений, однако эффективность от этого только падает. Важна грамотность применения таких технологий». В референсных моделях в качестве основы используются принятые в отрасли стандарты и опыт компании Software AG по созданию эталонной модели для определения требований клиентов. На практике эта модель становится отправной точкой, с помощью которой клиенты могут создать нужную модель.

Process Framework, например, для бизнес-процесса обработки заказов, включает в себя базовую модель процесса со схемами действий для различных пользователей и ролей, избранные KPI из модели SCOR (The Supply-Chain Operations Reference-model) для процесса в целом и отдельных этапов, правила поддержки разных последовательностей обработки, например с учетом сегмента клиентов, целевые показатели для различных сегментов клиентов, типов продукции и регионов, а также панели индикации, помогающие контролировать особые ситуации.

Process Framework позволяет акцентировать внимание на необходимости и возможности коррекции KPI для конкретных групп клиентов и их конфигурирования с учетом появления новых товаров, выхода на новые регионы или сегменты рынка. Подобная информация позволит руководителям, отвечающим за цепочки поставок, торговые операции, логистику и производство, улучшить контроль над конкретной деятельностью, а руководителям ИТ-отделов быстро оценить реальную работоспособность ИТ-систем, поддерживающих обработку заказов.

Владимир Аленцев ([email protected]) - консультант по BPM и SOA , представительство Software AG в России и СНГ (Москва).

Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов. Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточна, и не слишком гибка. Поэтому реальные сетевые средства, предлагаемые различными фирмами, не обязательно придерживаются принятого разделения функций. Однако знакомство с моделью OSI позволяет лучше понять, что же происходит в сети.

Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рис. 5.1). При этом вышестоящие уровни выполняют более сложные, глобальные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня – предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые и конкретные функции. В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше и ниже него). Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в данный момент приложению, нижний – непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Рис. 5.1. Семь уровней модели OSI

Модель OSI относится не только к локальным сетям, но и к любым сетям связи между компьютерами или другими абонентами. В частности, функции сети Интернет также можно поделить на уровни в соответствии с моделью OSI. Принципиальные отличия локальных сетей от глобальных, с точки зрения модели OSI, наблюдаются только на нижних уровнях модели.

Функции, входящие в показанные на рис. 5.1 уровни, реализуются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень на одном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента. Между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная (логическая) связь, например, между прикладными уровнями взаимодействующих по сети абонентов. Реальную же, физическую связь (кабель, радиоканал) абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне. В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Путь информации от абонента к абоненту

Данные, которые необходимо передать по сети, на пути от верхнего (седьмого) уровня до нижнего (первого) проходят процесс инкапсуляции (рис. 4.6). Каждый нижеследующий уровень не только производит обработку данных, приходящих с более высокого уровня, но и снабжает их своим заголовком, а также служебной информацией. Такой процесс обрастания служебной информацией продолжается до последнего (физического) уровня. На физическом уровне вся эта многооболочечная конструкция передается по кабелю приемнику. Там она проделывает обратную процедуру декапсуляции, то есть при передаче на вышестоящий уровень убирается одна из оболочек. Верхнего седьмого уровня достигают уже данные, освобожденные от всех оболочек, то есть от всей служебной информации нижестоящих уровней. При этом каждый уровень принимающего абонента производит обработку данных, полученных с нижеследующего уровня в соответствии с убираемой им служебной информацией.

Если на пути между абонентами в сети включаются некие промежуточные устройства (например, трансиверы, репитеры, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы), то и они тоже могут выполнять функции, входящие в нижние уровни модели OSI. Чем больше сложность промежуточного устройства, тем больше уровней оно захватывает. Но любое промежуточное устройство должно принимать и возвращать информацию на нижнем, физическом уровне. Все внутренние преобразования данных должны производиться дважды и в противоположных направлениях (рис. 5.3). Промежуточные сетевые устройства в отличие от полноценных абонентов (например, компьютеров) работают только на нижних уровнях и к тому же выполняют двустороннее преобразование.

Рис. 5.3. Включение промежуточных устройств между абонентами сети

Рассмотрим подробнее функции разных уровней.

• Прикладной (7) уровень (Application Layer) или уровень приложений обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например, программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет всеми остальными шестью уровнями. Например, если пользователь работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своей директории на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает перемещение файла с рабочего компьютера на сетевой диск прозрачно для пользователя.
• Представительский (6) уровень (Presentation Layer) или уровень представления данных определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, то есть выполняет функцию переводчика. Здесь же производится шифрование и дешифрирование данных, а при необходимости – и их сжатие. Стандартные форматы существуют для текстовых файлов (ASCII, EBCDIC, HTML), звуковых файлов (MIDI, MPEG, WAV), рисунков (JPEG, GIF, TIFF), видео (AVI). Все преобразования форматов делаются на представительском уровне. Если данные передаются в виде двоичного кода, то преобразования формата не требуется.
• Сеансовый (5) уровень (Session Layer) управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь). Этот уровень предусматривает три режима установки сеансов: симплексный (передача данных в одном направлении), полудуплексный (передача данных поочередно в двух направлениях) и полнодуплексный (передача данных одновременно в двух направлениях). Сеансовый уровень может также вставлять в поток данных специальные контрольные точки, которые позволяют контролировать процесс передачи при разрыве связи. Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.
• Транспортный (4) уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, а также в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Доставка пакетов возможна как с установлением соединения (виртуального канала), так и без. Транспортный уровень является пограничным и связующим между верхними тремя, сильно зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, сильно привязанными к конкретной сети.
• Сетевой (3) уровень (Network Layer) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен (логических адресов, например, IP-адресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно). На этом же уровне решается задача выбора маршрута (пути), по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов). На сетевом уровне действуют такие сложные промежуточные сетевые устройства, как маршрутизаторы.
• Канальный (2) уровень или уровень управления линией передачи (Data link Layer) отвечает за формирование пакетов (кадров) стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи путем подсчета контрольных сумм, и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов. Канальный уровень делится на два подуровня: верхний LLC и нижний MAC. На канальном уровне работают такие промежуточные сетевые устройства, как, например, коммутаторы.
• Физический (1) уровень (Physical Layer) – это самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в используемой среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д. На физическом уровне работают такие сетевые устройства, как трансиверы, репитеры и репитерные концентраторы.

Большинство функций двух нижних уровней модели (1 и 2) обычно реализуются аппаратно (часть функций уровня 2 – программным драйвером сетевого адаптера). Именно на этих уровнях определяется скорость передачи и топология сети, метод управления обменом и формат пакета, то есть то, что имеет непосредственное отношение к типу сети, например, Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Более высокие уровни, как правило, не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3, 4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 никак не связаны с аппаратурой, замены одного типа аппаратуры на другой они не замечают.

Как уже отмечалось, в уровне 2 (канальном) нередко выделяют два подуровня (sublayers) LLC и MAC (рис. 5.4):

• Верхний подуровень (LLC – Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи. Строго говоря, эти функции не связаны с конкретным типом сети, но часть из них все же возлагается на аппаратуру сети (сетевой адаптер). Другая часть функций подуровня LLC выполняется программой драйвера сетевого адаптера. Подуровень LLC отвечает за взаимодействие с уровнем 3 (сетевым).
• Нижний подуровень (MAC – Media Access Control) обеспечивает непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети. Именно на подуровне MAC осуществляется взаимодействие с физическим уровнем. Здесь производится контроль состояния сети, повторная передача пакетов заданное число раз при коллизиях, прием пакетов и проверка правильности передачи.

Помимо модели OSI существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии), которую можно рассматривать как модификацию, развитие, уточнение модели OSI. Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации) относятся к нижним двум уровням модели OSI и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер:

Рис. 5.4. Подуровни LLC и MAC канального уровня

802.1 – объединение сетей с помощью мостов и коммутаторов

802.2 – управление логической связью на подуровне LLC.

802.3 – локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией шина (Ethernet).

802.4 – локальная сеть с топологией шина и маркерным доступом (Token-Bus).

802.5 – локальная сеть с топологией кольцо и маркерным доступом (Token-Ring).

802.6 – городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) с расстояниями между абонентами более 5 км.

802.7 – широкополосная технология передачи данных.

802.8 – оптоволоконная технология.

802.9 – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных.

802.10 – безопасность сетей, шифрование данных.

802.11 – беспроводная сеть по радиоканалу (WLAN – Wireless LAN).

802.12 – локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда (100VG-AnyLAN).

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.

Задачи компьютера ОТПРАВИТЕЛЯ:

• Взять данные из приложения
• Разбить их на мелкие пакеты, если большой объем
• Подготовить к передаче, то есть указать маршрут следования, зашифровать и перекодировать в сетевой формат.

Задачи компьютера ПОЛУЧАТЕЛЯ:

• Принять пакеты данных
• Удалить из него служебную информацию
• Скопировать данные в буфер
• После полного приема всех пакетов сформаровать из них исходный блок данных
• Отдать его приложению

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.

7. Прикладной уровень (Application Layer)

Его задача забрать у сетевого приложения данные и отправить на 6 уровень.

6. Уровень представления (Presentation Layer)

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.

5. Сеансовый уровень (Session Layer)

У него много задач.

1. Установить сеанс связи с получателем. ПО предупреждает компьютер-получатель о том, что сейчас ему будут отправлены данные.
2. Здесь же происходит распознавание имен и защита:
   • идентификация — распознавание имен
   • аутентификация — проверка по паролю
   • регистрация — присвоение полномочий
3. Реализация того, какая из сторон осуществляет передачу информации и как долго это будет происходить.
4. Расстановка контрольных точек в общем потоке данных для того, чтобы в случае потери какой-то части легко было установить, какая именно часть потеряна и следует отправить повторно.
5. Сегментация — разбивка большого блока на маленькие пакеты.

4. Транспортный уровень (Transport Layer)

Обеспечивает приложениям необходимую степень защиты при доставке сообщений. Имеется две группы протоколов:

• Протоколы, которые ориентированы на соединение — они отслеживают доставку данных и при необходимости запрашивают повторную отправку при неудаче. Это TCP — протокол контроля передачи информации.
• Не ориентированные на соединение (UDP) — они просто отправляют блоки и дальше не следят за их доставкой.

3. Сетевой уровень (Network Layer)

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).

2. Канальный уровень (Data Link Layer)

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.

1. Физический уровень (Transport layer)

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.

Стеки протоколов

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.

1. Прикладной (по OSI — прикладной, представления и сеансовый)
   За данный уровень отвечают протоколы:
   • TELNET — удаленный сеанс связи в виде командной строки
   • FTP — протокол передачи файлов
   • SMTP — протокол пересылки почты
   • POP3 и IMAP — приема почтовых отправлений
   • HTTP — работы с гипертекстовыми документами
2. Транспортный (по OSI то же самое) — это уже описанные выше TCP и UDP.
3. Межсетевой (по OSI — сетевой) — это протокол IP
4. Уровень сетевых интерфейсов (по OSI — канальный и физический)За работу этого уровня отвечают драйверы сетевых адаптеров.

Терминология при обозначении блока данных

• Поток — те данные, которыми оперируются на прикладном уровне
• Дейтаграмма — блок данных на выходе с UPD, то есть у которого нет гарантированной доставки.
• Сегмент — гарантированный для доставки блок на выходе с протокола TCP
• Пакет — блок данных на выходе с протокола IP. поскольку на данном уровне он еще не гарантирован к доставке, то тоже может называться дейтаграммой.
• Кадр — блок с присвоенными MAC адресами.

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.

Эталонная модель OSI являет собой 7-уровневую сетевую иерархию созданную международной организацией по стандартам (ISO). Представленная модель на рис.1 имеет 2 различных модели:

• горизонтальная модель на основе протоколов, реализующую взаимодействие процессов и ПО на разных машинах
• вертикальную модель на основе услуг, реализуемых соседними уровнями друг другу на одной машине

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.

Физический уровень

На физическом уровне данные представлены в виде электрических или оптических сигналов, соответствующие 1 и 0 бинарного потока. Параметры среды передачи определяются на физическом уровне:

• тип разъемов и кабелей
• разводка контактов в разъемах
• схема кодирования сигналов 0 и 1

Самые распространенные виды спецификаций на этом уровне:

• — параметры несбалансированного последовательного интерфейса
• — параметры сбалансированного последовательного интерфейса
• IEEE 802.3 —
• IEEE 802.5 —

На физическом уровне нельзя вникнуть в смысл данных, так как она представлена в виде битов.

Канальный уровень

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:

• IEEE 802.2 LLC и MAC
• Ethernet
• Token Ring

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.

Сетевой уровень

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

Транспортный уровень

На этом уровне потоки информации делятся на пакеты для передачи их на сетевом уровне. Самые распространенные протоколы этого уровня:

• TCP — протокол управления передачей

Сеансовый уровень

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.

Уровень представления

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

Прикладной уровень реализует доступ приложения в сеть. Уровень управляет переносом файлов и управление сетью. Используемые протоколы:

• FTP/TFTP — протокол передачи файлов
• X 400 — электронная почта
• Telnet
• CMIP — управление информацией
• SNMP — управление сетью
• NFS — сетевая файловая система
• FTAM — метод доступа для переноса файлов