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.

ВВЕДЕНИЕ

Раздел 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Раздел 2. Уровень сетевого взаимодействия интерфейсов сети

Раздел 3. Стек протокола TCP/IP

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной проблемой, она включает много аспектов, начиная с согласования уровней электрических сигналов, формирования кадров, проверки контрольных сумм и кончая вопросами аутентификации приложений. Для ее решения используется универсальный прием - разбиение одной сложной задачи на несколько частных, более простых задач. Средства решения отдельных задач упорядочены в виде иерархии уровней. Для решения задачи некоторого уровня могут быть использованы средства непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы средств некоторого уровня могут быть переданы только средствам соседнего вышележащего уровня.

Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют две машины, то есть в данном случае необходимо организовать согласованную работу двух «иерархий». При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать способ кодирования электрических сигналов, правило определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи битов до самого высокого уровня, предоставляющего услуги пользователям сети.

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

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другое в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет услуги, предоставляемые данным уровнем соседнему уровню.

В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы - модулей соседних уровней в одном узле.

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средства протоколы верхних уровней, как правило, чисто программными средствами.

Раздел 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

В начале 80-х годов - ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU-T и некоторые другие - разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System interconnection, OSI), или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

В модели OSI (рис. 1) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств .

Рис. 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

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 в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.

) Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи кадров, помещая для выделения каждого кадра специальную последовательность бит в его начало и конец, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру.

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.

В глобальных сетях, которые в отличие от локальных сетей редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов «точка-точка» (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР и LAP-B.

) Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной; структурой связей.

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 сообщения сетевого уровня, или, как их принято называть, пакеты (packets), от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня.

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

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

) Транспортный уровень

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 (Transport layer) заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов услуг, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды услуг отличаются качеством: 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.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

) Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session layer) 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 с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

) Уровень представления

Уровень представления (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда будет понятна прикладному уровню в другой системе. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия кодов символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрирование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

) Прикладной уровень

Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня. Приведем в качестве примеров протоколов прикладного уровня хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, 8MB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

кодирование коммуникационный протокол интерфейс

Раздел 2. Уровень сетевого взаимодействия интерфейсов сети

Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Именно этот уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Этот уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию - передачу данных через составную сеть.

Основным протоколом сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Так как протокол IP является дейтаграммным протоколом, он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Основной уровень

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу - обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами - решает основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части - сегменты, и передает их ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.

Прикладной уровень

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.

Уровень сетевых интерфейсов

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой организации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня - уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей, причем задача ставится так: сеть TCP/IP должна иметь средства включения в себя любой другой сети, какую бы внутреннюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Для каждой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны собственные интерфейсные средства. К таким интерфейсным средствам относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных технологий. Например, документ RFC 1042 определяет способы инкапсуляции IP-пакетов в кадры технологий IEEE 802. Для этих целей должен использоваться заголовок LLC/SNAP, причем в поле Type заголовка SNAP должен быть указан код 0х0800. Только для протокола Ethernet в RFC 1042 сделано исключение - помимо заголовка LLC/SNAP разрешается использовать кадр Ethernet DIX, не имеющий заголовка LLC, зато имеющий поле Type. В сетях Ethernet предпочтительным является инкапсуляция IP-пакета в кадр Ethernet DIX.

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции IP-пакетов в ее кадры (спецификация RFC 1577, определяющая работу IP через сети АТМ, появилась в 1994 году вскоре после принятия основных стандартов этой технологии) .

Раздел 3. Стек протокола TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей.

Стандарты TCP/IP опубликованы в серии документов, названных Request for Comment (RFC). Документы RFC описывают внутреннюю работу сети Internet. Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения. Стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC определяют стандарты.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.

Большой вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Широкое распространение ОС UNIX привело и к широкому распространению протокола IP и других протоколов стека. На этом же стеке работает всемирная информационная сеть Internet, чье подразделение Internet Engineering Task Force (IETF) вносит основной вклад в совершенствование стандартов стека, публикуемых в форме спецификаций RFC .

Итак, лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами:

·Это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю.

·Почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP.

·Это метод получения доступа к сети Internet.

·Этот стек служит основой для создания intranet- корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet.

·Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.

·Это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов.

·Это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке 2. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня .

Рис. 2. Стек TCP/IP

Самый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют «протоколом». При этом соотношение между протоколом-формально определенной процедурой и протоколом-программным модулем, реализующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.

Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно так же и протокол может иметь несколько программных реализации. Именно поэтому при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, в частности, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами - концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т.д. Действительно, в общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Бройдо В.Л. «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»: Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006 г.

Олифер В.Г., Олифер Н.А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы»: изд. 4-ое, Учебник для ВУЗов - Питер, 2010 г.

Таненбаум Э. «Компьютерные сети»: 4-е изд. - СПб.: Питер, 2003 г.

В сегодняшней статье я хочу вернуться к основам, и расскажу о модели взаимодействия открытых систем OSI . Данный материал будет полезен начинающим системным администраторам и всем тем, кто интересуется построением компьютерных сетей.

Все составляющие сети, начиная со среды передачи данных и заканчивая оборудованием, функционируют и взаимодействуют друг с другом согласно своду правил, которые описаны в так называемой модели взаимодействия открытых систем .

Модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection) разработана международной организацией по стандартам ISO (Inernational Standarts Organization).

Согласно модели OSI, данные, передаваемые от источника к адресату, проходят семь уровней . На каждом уровне выполняется определенная задача, что в итоге не только гарантирует доставку данных в конечный пункт, но и делает их передачу независимой от применяемых для этого средств. Таким образом, достигается совместимость между сетями с разными топологиями и сетевым оборудованием.

Разделение всех сетевых средств по уровням упрощает их разработку и применение. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает. Первые три уровня модели OSI (физический, канальный, сетевой ) тесно связаны с сетью и используемым сетевым оборудованием. Последние три уровня (сеансовый, уровень представления данных, прикладной ) реализуются средствами операционной системы и прикладных программ. Транспортный уровень выступает в качестве посредника между этими двумя группами.

Перед пересылкой через сеть, данные разбиваются на пакеты , т.е. порции информации, организованные определенным образом, чтобы они были понятны принимающим и передающим устройствам. При отправке данных пакет последовательно обрабатывается средствами всех уровней модели OSI, начиная с прикладного и заканчивая физическим. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (называемая заголовком пакета ), которая необходима для успешной передачи данных по сети.

В результате это сетевое послание начинает напоминать многослойный бутерброд, который должен быть “съедобным” для получившего его компьютера. Для этого необходимо придерживаться определенных правил обмена данными между сетевыми компьютерами. Такие правила получили названия протоколов .

На принимающей стороне пакет проходит обработку средствами всех уровней модели OSI в обратном порядке, начиная с физического и заканчивая прикладным. На каждом уровне соответствующие средства, руководствуясь протоколом уровня, читают информацию пакета, затем удаляют информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передают пакет средствами следующего уровня. Когда пакет дойдет до прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.

Теперь рассмотрим работу каждого уровня модели OSI подробнее:

Физический уровень – самый нижний, за ним находится непосредственно канал связи, через который осуществляется передача информации. Он участвует в организации связи, учитывая особенности среды передачи данных. Так, он содержит все сведения о среде передачи данных: уровень и частоту сигнала, наличие помех, уровень затухания сигнала, сопротивление канала и т.д. Кроме того, именно он отвечает за передачу потока информации и преобразование ее в соответствии с существующими методами кодирования. Работа физического уровня изначально возлагается на сетевое оборудование.
Стоит отметить, что именно с помощью физического уровня определяется проводная и беспроводная сеть. В первом случае в качестве физической среды используется кабель, во втором – любой вид беспроводной связи, например радиоволны или инфракрасное излучение.

Канальный уровень выполняет самую сложную задачу – обеспечивает гарантированную передачу данных с помощью алгоритмов физического уровня и проверяет корректность полученных данных.

Прежде чем инициировать передачу данных, определяется доступность канала их передачи. Информация передается блоками, которые носят название кадров , или фреймов . Каждый такой кадр снабжается последовательностью бит в конце и начале блока, а также дополняется контрольной суммой. При приеме такого блока на канальный уровень получатель должен проверить целостность блока и сравнить принятую контрольную сумму с контрольной суммой, идущей в его составе. Если они совпадают, данные считаются корректными, иначе фиксируется ошибка и требуется повторная передача. В любом случае отправителю отсылается сигнал с результатом выполнения операции, и так происходит с каждым кадром. Таким образом, вторая важная задача канального уровня – проверка корректности данных.

Канальный уровень может реализовываться как аппаратно (например, с помощью коммутаторов), так и с помощью программного обеспечения (например, драйвера сетевого адаптера).

Сетевой уровень необходим для выполнения работы по передаче данных с предварительным определением оптимального пути движения пакетов. Поскольку сеть может состоять из сегментов с разными топологиями, главная задача сетевого уровня – определить кратчайший путь, попутно преобразовывая логические адреса и имена сетевых устройств в их физическое представление. Этот процесс носит название маршрутизации , и важность его трудно переоценить. Обладая схемой маршрутизации, которая постоянно обновляется в связи с возникновением разного рода “заторов” в сети, передача данных осуществляется в максимально короткие сроки и с максимальной скоростью.

Транспортный уровень используется для организации надежной передачи данных, которая исключает потерю информации, ее некорректность или дублирование. При этом контролируются соблюдение правильной последовательности при передаче-получении данных, деление их на более мелкие пакеты или объединение в более крупные для сохранения целостности информации.

Сеансовый уровень отвечает за создание, сопровождение и поддержание сеанса связи на время, необходимое для завершения передачи всего объема данных. Кроме того, он производит синхронизацию передачи пакетов, осуществляя проверку доставки и целостности пакета. В процессе передачи данных создаются специальные контрольные точки. Если при передаче-приеме произошел сбой, недостающие пакеты отправляются заново, начиная с ближайшей контрольной точки, что позволяет передать весь объем данных в максимально короткий срок, обеспечивая в целом хорошую скорость.

Уровень представления данных (или, как его еще называют, представительский уровень ) является промежуточным, его основная задача – преобразование данных из формата для передачи по сети в формат, понятный более высокому уровню, и наоборот. Кроме того, он отвечает за приведение данных к единому формату: когда информация передается между двумя абсолютно разными сетями с разным форматом данных, то прежде, чем их обработать, необходимо привести их к такому виду, который будет понятен как получателю, так и отправителю. Именно на этом уровне применяются алгоритмы шифрования и сжатия данных.

Прикладной уровень – последний и самый верхний в модели OSI. Отвечает за связь сети с пользователями – приложениями, которым требуется информация от сетевых служб всех уровней. С его помощью можно узнать все, что происходило в процессе передачи данных, а также информацию об ошибках, возникших в процессе их передачи. Кроме того, данный уровень обеспечивает работу всех внешних процессов, осуществляемых за счет доступа к сети – баз данных, почтовых клиентов, менеджеров загрузки файлов и т.д.

На просторах сети интернет я нашел картинку, на которой неизвестный автор представил сетевую модель OSI в виде бургера. Считаю, это очень запоминающийся образ. Если вдруг в какой-то ситуации (например, на собеседовании при устройстве на работу) вам понадобиться по памяти перечислить все семь уровней модели OSI в правильном порядке – просто вспомните данную картинку, и это вам поможет. Для удобства я перевел названия уровней с английского на русский язык:На сегодня это всё. В следующей статье я продолжу тему и расскажу про .

Лекция 3

Вопросы к лекции 2.

1.На какие подсистемы делится ТфОП?

2. Какие иерархические уровни имеет ТфОП?

3. Как связаны ТМгУС с ТМнУС?

4. Для чего служит индекс АВС в корпоративных сетях?

3. С помощью каких средств реализуется установление соединœения в системах с КК?

4. Каким является соединœение в сети с КК логическим или физическим?

5. Какие функции выполняет узел STP при сигнализации по ОКС №7?

6. Какой узел сети сигнализации устанавливается при обслуживании каналом ОКС №7 соединœения ЗУС- ТМгУС?

Для упорядочения принципов взаимодействия устройств в сетях международная организация стандартизации (Organization of Standardization - ISO) предложила семиуровневую эталонную коммуникационную модель ʼʼВзаимодействия Открытых Системʼʼ (ВОС) или (Open System Interconnection, OSI). Модель OSI стала основой для разработки стандартов на взаимодействие систем. Она определяет только схему выполнения необходимых задач, но не дает конкретного описания их выполнения. Это описывается конкретными протоколами или правилами, разработанными для определœенной технологии с учетом модели OSI. Уровни OSI могут реализовываться как аппаратно, так и программно.

Существует семь базовых уровней модели OSI (рис. 4.1). Οʜᴎ начинаются с физического уровня и заканчиваются прикладным. Каждый уровень предоставляет услуги для более высокого уровня. Седьмой уровень обслуживает непосредственно пользователœей.

Рис. 4.1 Модель OSI-ВОС.

Модель OSI послужила основой для стандартизации всœей сетевой индустрии. Вместе с тем, модель OSI является хорошей методологической основой для изучения сетевых технологий. Несмотря на то что были разработаны и другие модели большинство поставщиков сетевого оборудования определяет свои продукты в терминах эталонной модели OSI.

Эталонная модель OSI сводит передачу информации в сети к семи относительно простым подзадачам. Каждая из них соответствует своему строго определœенному уровню модели OSI. Тем не менее, в реальной жизни некоторые аппаратные и программные средства отвечают сразу за несколько уровней. Два самых низких уровня модели OSI реализуются как аппаратно, так и программно. Остальные пять уровней, в основном, программные.

Эталонная модель OSI определяет назначение каждого уровня и правила взаимодействия уровней (табл.).

№	Уровень	Ключевое слово	Данные	Ответственность
	Прикладной	Разделœение	Сообщение	Предоставление сетевого сервиса
	Представления	Формирова-ние (сжатие)	Пакет	Трансляция файлов. Шифрова-ние данных. Сжатие данных
	Сеансовый	Диалог	Пакет	Управление сессией. Диалоᴦ. Контроль за ошибками. Обработка транзакций.
	Транспортный	Надежность	Сегмент. Дейтаграм-ма. Пакет	Надежность передачи. Гарантированная доставка.
	Сетевой	Маршрутиза-ция. Коммутация.	Дейтаграм-ма. Ячейка. Пакет	Маршрутизация логических адресов. Ведение таблиц марш-рутизации. Неориентированная на соединœение доставка.
	Канальный	Кадр	Пакет	Доставка по физическому адресу. Синхронизация кадров. Доступ к среде передачи.
	Физический	Биты	Биты	Синхронизация битов. Электрические спецификации.

Рис. Уровни модели ВОС и их основные свойства.

Модель OSI описывает путь информации через сетевую среду от одной прикладной программы на одном компьютере до другой программы на другом компьютере. При этом пересылаемая информация проходит вниз через всœе уровни системы. Уровни на разных системах не могут общаться между собой напрямую. Это умеет только физический уровень. По мере прохождения информации вниз внутри системы она преобразуется в вид, удобный для передачи по физическим каналам связи. Для указания адресата к этой преобразованной информации добавляется заголовок с адресом. После получения адресатом этой информации, она проходит через всœе уровни наверх. По мере прохождения информация преобразуется в первоначальный вид. Каждый уровень системы должен полагаться на услуги, предоставляемые ему смежными уровнями.

Основная идея модели OSI в том, что одни и те же уровни на разных системах, не имея возможности связываться непосредственно, должны работать абсолютно одинаково. Одинаковым должен быть и сервис между соответствующими уровнями различных систем. Нарушение этого принципа может привести к тому, что информация, посланная от одной системы к другой, после всœех преобразований будет не похожа на исходную. Проходящие через уровни данные имеют определœенный формат. Сообщение, как правило, делится на заголовок и информационную часть. Конкретный формат зависит от функционального назначения уровня, на котором информация находится в данное время. К примеру, на сетевом уровне информационный блок состоит из сетевого адреса и следующими за ним данными. Данные сетевого уровня, в свою очередь, могут содержать заголовки более высоких уровней - транспортного, сеансового, уровня представления и прикладного. И, наконец, не всœе уровни нуждаются в присоединœении заголовков. Некоторые уровни просто выполняют преобразование получаемых физических данных к формату, подходящему для смежных уровней.

Эталонная модель OSI не определяет реализацию сети. Она только описывает функции каждого уровня и общую схему передачи данных в сети. Она служит основой сетевой стратегии в целом.

Протоколы и интерфейсы

Чтобы упростить проектирование, анализ и реализацию обмена сообщениями между компьютерами, эту процедуру разбивают на несколько иерархически связанных между собой подзадач.

При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны следовать множеству соглашений. К примеру, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определœения длины сообщений, договориться о методах контроля и т. п. Соглашения должны быть едиными для всœех уровней, от самого низкого уровня передачи битов до самого высокого уровня, определяющего интерпретацию информации. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений на одном уровне, называются протоколами. Иерархически организованная совокупность протоколов принято называть стеком коммуникационных протоколов.

Протоколы сосœедних уровней на одном узле взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определœенными правилами, описывающими формат сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижелœежащий уровень предоставляет вышелœежащему.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь пользовательских приложений. Приложения реализуют свои собственные схемы взаимодействия, обращаясь к системным средствам.

Приложение может использовать системные средства взаимодействия не только для организации диалога с другим приложением, выполняющимся на другой машинœе, но и для получения услуг того или иного сетевого сервиса, к примеру, доступа к удаленным файлам, передачу почты или печати на общем принтере.

Предположим, что приложение обращается с запросом к прикладному уровню, к примеру к файловому сервису. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата͵ в ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ помещает служебную информацию (заголовок) и необходимые данные. Далее это сообщение направляется уровню представления. Уровень представления добавляет к сообщению свой заголовок и передает результат вниз сеансовому уровню, который добавляет свой заголовок и т. д. Наконец, сообщение достигает самого низкого, физического уровня, который непосредственно передает его по линиям связи.

Когда сообщение по сети поступает на другую машину, оно последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет заголовок своего уровня, выполняет соответствующие функции и передает сообщение вышелœежащему уровню. Как правило, между взаимодействующими машинами оказываются промежуточные устройства различных типов.

В модели OSI различается два базовых типа протоколов. В протоколах с установлением соединœения (Connection-Oriented Network Service, CONS) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединœение и, возможно, выбрать протокол, который они будут использовать. После завершения диалога они должны разорвать соединœение.

Вторая группа протоколов - протоколы без предварительного установления соединœения (Connectionless Network Service, CLNS). Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово. В сетях используются как те, так и другие протоколы.

Уровни модели OSI

Понятие и виды. Классификация и особенности категории "Модель Взаимодействия Открытых Систем." 2017, 2018.

- Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI – Open Systems Interconnection)

Модель взаимодействия открытых систем состоит из семи уровней. Уровень Прикладной Представительный Сеансовый Транспортный Сетевой Канальный Физический 7-й уровень - прикладной - обеспечивает поддержку прикладных... .

- Модель взаимодействия открытых систем. Характеристика уровней.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем состоит из семи уровней: 1. Физический уровень – базовый уровень в иерархии протоколов модели взаимодействия открытых систем. Назначение физического уровня состоит в обеспечении механических, электрических,... .

- Модель взаимодействия открытых систем

Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и обеспечение совместимости информационных ресурсов (программ и данных) по системе кодирования и формату... .

- Модель взаимодействия открытых систем

Открытая система – система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами. В настоящее время модель взаимодействия открытых систем является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. В общем случае сеть должна иметь... .

- Тема 9. Модель взаимодействия открытых систем OSI

Контрольные вопросы 1. Перечислите способы соединения компьютеров и виды сетей. 2. Что представляет собой временная (простейшая) компьютерная сеть? 3. Что такое нуль-модем? 4. Назначение выделенных каналов связи. Как они реализуются физически? 5. Что называется... .

- Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Обмен информацией в телекоммуникационных сетях осуществляться по определенным, заранее оговоренным правилам (стандартам). Эти правила разрабатываются рядом международных организаций. Взаимодействие в современных телекоммуникационных сетях организуется в... .

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

Рис. 1.5.

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

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

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

Рис. 1.6.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1.7.

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

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

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

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

Рис. 1.8.

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

Рис. 1.9.

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

Краткие итоги

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