Модель взаимодействия открытых систем

Управление таким сложным, использующим многочисленную и разнообразную аппаратуру процессом, как передача и обработка данных в разветвленной сети, требует формализации и стандартизации процедур:

• выделения и освобождения ресурсов компьютеров и системы телекоммуникации;

• установления и разъединения соединений;

• маршрутизации, согласования, преобразования и передачи данных;

• контроля правильности передачи;

• исправления ошибок и т.д.

Необходимость стандартизации протоколов важна и для «понимания» сетями друг друга при их взаимодействии.

Указанные задачи решаются с помощью системы протоколов и стандартов, регламентирующих нормализованные процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных.

Протокол — это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети, охватывающий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети. Реализацией протокольных процедур обычно управляют специальные программы, реже аппаратные средства.

Протоколы для сетей — то же самое, что язык для людей. Говоря на разных языках, люди могут не понимать друг друга, — так же ведут себя и сети, использующие разные протоколы. Но и внутри сети протоколы обеспечивают разные варианты обращения с информацией, разные виды сервиса при работе с ней. От эффективности этих сервисов, их надежности, простоты, удобства и распространенности зависит то, насколько эффективна и комфортна вообще работа человека в сети.

Международной организацией по стандартизации (ISO — International Organization for Standardization) разработана система стандартных протоколов, получившая название модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection— OSI),, часто называемая также эталонной семиуровневой логической моделью открытых систем.

Открытая система — система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

Эта система протоколов базируется на технологии «разделяй и властвуй», то есть на разделении всех процедур взаимодействия на отдельные мелкие функциональные уровни, для каждого из которых легче создать стандартные алгоритмы их построения.

Модель OSI представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов, она же служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования, то есть эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей. В настоящее время модель взаимодействия открытых систем является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. Модель регламентирует общие функции, а не специальные решения, поэтому реальные сети имеют достаточно пространства для маневра. Итак, для упорядочения функций управления и протоколов вычислительной сети вводятся функциональные уровни. В общем случае сеть должна иметь 7 функциональных уровней (табл. 16.1).

Таблица 16.1. Уровни управления модели OSI

Кратко поясним назначение уровней модели OSI.

Прикладной уровень (уровень приложений, application) — управление терминалами сети и прикладными процессами, которые являются источниками и потребителями информации, передаваемой в сети. Ведает запуском программ пользователя, их выполнением, вводом-выводом данных, управлением терминалами, административным управлением сетью. На этом уровне обеспечивается предоставление пользователям различных услуг, связанных с запуском его программ, начиная от простой передачи данных и до формирования технологии виртуальной реальности. На этом уровне функционируют технологии, являющиеся как бы надстройкой над инфраструктурой собственно передачи данных: электронной почты, теле- и видеоконференций, удаленного доступа к ресурсам, работы в среде всемирной информационной паутины и т. п.

Уровень представления (presentation) — интерпретация и преобразование передаваемых в сети данных к виду, удобному для прикладных процессов. Обеспечивает представление данных в согласованных форматах и синтаксисе, трансляцию и интерпретацию программ с разных языков, шифрование данных. На практике многие функции этого уровня задействованы на прикладном уровне, поэтому протоколы уровня представлений не получили развития и во многих сетях практически не используются.

Сеансовый уровень (session) — организация и проведение сеансов связи между прикладными процессами (инициализация и поддержание сеанса между абонентами сети, управление очередностью и режимами передачи данных: симплекс, полудуплекс, дуплекс, например). Многие функции этого уровня в части установления соединения и поддержания упорядоченного обмена данными на практике реализуются на транспортном уровне, поэтому протоколы сеансового уровня имеют ограниченное применение.

Транспортный уровень (transport) — управление сегментированием данных (сегмент — блок данных транспортного уровня) и сквозной передачей (транспортировкой) данных от источника к потребителю. Обмен управляющей информацией и установление между абонентами логического канала, обеспечение качества передачи данных. На этом уровне оптимизируется использование услуг, предоставляемых на сетевом уровне, в части обеспечения максимальной пропускной способности при минимальных затратах. Протоколы транспортного уровня развиты очень широко и интенсивно используются на практике. Большое внимание на этом уровне уделено контролю достоверности передаваемой информации.

Сетевой уровень (network) — управление логическим каналом передачи данных в сети (адресация и маршрутизация данных, коммутация: каналов, сообщений, пакетов и мультиплексирование). На этом уровне реализуется главная телекоммуникационная функция сетей — обеспечение связи ее пользователей. Каждый пользователь сети обязательно использует протоколы этого уровня и имеет свой уникальный сетевой адрес, используемый протоколами сетевого уровня. На этом уровне выполняется структуризация данных — разбивка их на пакеты и присвоение пакетам сетевых адресов (пакет — блок данных сетевого уровня).

Канальный уровень (data-link) — формирование и управление физическим каналом передачи данных между объектами сетевого уровня (установление, поддержание и разъединение логических каналов), обеспечение прозрачности (кодонезависимости) физических соединений, контроля и исправления ошибок передачи). Имеется два локальных подуровня: логической передачи данных (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). Протоколы этого уровня весьма многочисленны и существенно отличаются друг от друга своими функциональными возможностями. На этом уровне действуют, например, протоколы доступа к моноканалу. Управление выполняется на уровне кадров (кадр — блок данных на канальном уровне).

Физический уровень (physical) — установление, поддержание и расторжение соединений с физическим каналом сети (обеспечение нужными физическими реквизитами подключения к физическому каналу). Управление выполняется на уровне битов цифровых (импульсы, их амплитуда, форма) и аналоговых (амплитуда, частота, фаза непрерывного сигнала).

Блоки (пакеты) информации, передаваемые между уровнями, имеют стандартный формат: заголовок (header), служебная информация, данные, концевик. Каждый уровень при передаче блока информации нижестоящему уровню снабжает его своим заголовком. В заголовке кодируются протоколы обработки данных на этом уровне. Таким образом, при получении пакета на одном из нижних уровней система имеет всю информацию о протоколах обработки этого пакета на всех вышестоящих уровнях. Заголовок вышестоящего уровня воспринимается нижестоящим как передаваемые данные. На рисунке 16.6 показана структура передачи данных модели OSI с добавленными заголовками.

Рис. 16.6. Структура передачи данных модели OSI

Средства каждого уровня отрабатывают протокол своего уровня и интерфейсы с соседними уровнями. Нижестоящие уровни обеспечивают возможность функционирования вышестоящих; при этом каждый уровень имеет интерфейс только с соседними уровнями и на каждом уровне управления оговаривается:

• спецификация услуг (что делает уровень?);

• спецификация протоколов (как это делается?).

Набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Указанные уровни управления можно по разным признакам объединять в группы:

• уровни 1, 2 и, частично, 3 реализуются в большей части за счет аппаратных средств; верхние уровни с 4 по 7 и, частично, 3 обеспечиваются программными средствами;

• уровни 1 и 2 обслуживают абонентскую подсеть, уровни 3 и 4 — коммуникационную подсеть, уровни 5–7 обслуживают прикладные процессы, выполняемые в сети;

• уровни 1 и 2 ответственны за физические соединения; уровни 3–6 заняты организацией передачи, передачей и преобразованием информации в понятную для абонентской аппаратуры форму; уровень 7 обеспечивает выполнение прикладных программ пользователя.