Многоуровневый подход сетевого взаимодействия

Контрольные вопросы

1. Какие методы коммутации используются в сетях связи?
2. В чём отличие метода коммутации сообщений и метода коммутации пакетов?
3. Каким главным недостатком обладает метод коммутации каналов? В чём его достоинство?
4. Какая величина потерь (блокировок) не замечается абонентами?
5. Каковы принципы пространственной коммутации?
6. К чему сводится работа схемы временной коммутации?
7. Приведите пример трёхзвенной коммутационной схемы.
8. В чём преимущество многозвенных (многоступенных) коммутационных схем по сравнению с однозвенными?

Средства сетевого взаимодействия могут быть представлены на основе многоуровневого подхода. При этом все множество модулей разбивается на уровни, образующие иерархию, т.е. имеются вышележащие и нижележащие уровни. Преимуществом такого подхода является возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы. Модули нижнего уровня могут, например, обеспечивать надежную передачу электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, используя средства нижележащих уровней. На верхнем уровне функционируют модули, обеспечивающие пользователям доступ к различным службам.

На рис. 4.26 показана модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимодействия этих двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон. 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 другом в соответствии с четко

определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов

сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс

определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему. 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.

Рисунок 4.26 – Иерархия взаимодействия двух узлов

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.

При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ 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, реализующего сервис для пользователей сети.

Процедура взаимодействия отдельных узлов системы, может быть

описана в виде набора правил.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для

организации взаимодействия узлов сети, называется стеком

коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть

реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней

иерархии часто реализуются комбинацией аппаратных и программных

средств, а протоколы верхних уровней, как правило, чисто программными средствами.

В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации

разработали модель взаимодействия открытых систем, OSI (Open System

Interconnection). Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель OSI была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей, в основном глобальных, в 70-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней иерархии:

1. Физический уровень.

2. Канальный уровень.

3. Сетевой уровень

4. Транспортный уровень

5. Сеансовый уровень.

6. Представительский уровень.

7. Прикладной уровень.

Модель взаимодействия открытых систем OSI приведена на рис.4.27.

Рисунок 4.27 - Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

В рамках данной модели под открытостью понимается готовность сетевых устройств взаимодействовать между собой с использованием стандартных правил. Примером открытой системы является международная сеть Internet.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.

1. Физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим

каналам связи, таким как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный

кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют

отношение характеристики физических сред передачи данных; определяются

характеристики электрических сигналов, тип кодирования, скорость

передачи и т.д. Функции физического уровня реализуются во всех

устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции

физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным

портом.

На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы.

Сетевой концентратор или Хаб (жарг. от англ. hub — центр

деятельности) — сетевое устройство, предназначенное для объединения

нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства

подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или

оптоволокна. Термин концентратор (хаб) применим также к другим

технологиям передачи данных: USB, FireWire и пр.

USB (USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная

последовательная шина», произносится ю-эс-би) — последовательный

интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных

периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг,

треугольник, квадрат), FireWire (EEE 1394 (FireWire, i-Link) —

последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена

цифровой информацией между компьютером и другими электронными

устройствами) и пр.

Повторитель (жарг. —; англ. repeater) — cетевое оборудование. Предназначен для увеличения расстояния сетевого соединения путѐм повторения электрического сигнала «один в один». Бывают однопортовые повторители и многопортовые.

Медиаконвертер (также преобразователь среды) — это устройство, преобразующее среду распространения сигнала из одного типа в другой. Чаще всего средой распространения сигнала являются медные провода и оптические кабели. Под средой распространения сигнала может пониматься любая среда передачи данных, однако в современной терминологии медиаконвертер работает как связующее звено только между двумя средами — оптическим и медным кабелями.

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах,

подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня

выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К

физическому уровню относятся физические, электрические и механические

интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие

свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара,

коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п.

2. Канальный уровень осуществляет проверку доступности среды

передачи, так как физическая среда передачи может быть занята, а также

обеспечивает реализацию механизма обнаружения и коррекции ошибок. Для

канального уровня биты группируются в наборы, называемые кадрами.

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра,

обнаружение ошибок с использованем контрольных сумм, повторную

передачу кадров в случае обнаружения ошибок.

Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы,

проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает

повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень.

Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

Сетевой коммутатор или свитч, свич (жарг. от англ. switch переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких

узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от

концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного

устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только

непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный

трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает

производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети

от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не

предназначались.

Мост (англ. Bridge) — сетевое устройство 2 уровня модели OSI

предназначенное для объединения сегментов компьютерной сети (или

подсети) (разных топологий и архитектур). Мост, при получении кадра из

сети, сверяет MAC-адрес последнего и если он не принадлежит данной

под/сети передает (транслирует) кадр дальше в тот сегмент, которому

предназначался данный кадр. Если кадр принадлежит данной подсети, мост

ничего не делает.

3. Сетевой уровень 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. Если внутри

сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем,

то доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и

поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи

сообщения.

Сети соединяются между собой специальными устройствами -

маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает

информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании

пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать

сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю,

находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество

транзитных передач между сетями (хопов, hop), каждый раз выбирая

подходящий маршрут. Проблема выбора наилучшего пути называется

маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого

уровня.

На рис. 4.28 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегают два маршрута: первый через маршрутизаторы 1 и 3, а второй через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Решение задачи маршрутизации является одной из главных задач 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.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей.

Рисунок 4.28 -Пример составной сети

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.

На сетевом уровне определяются два вида протоколов:

- сетевые протоколы (routed protocols) - реализуют продвижение пакетов

через сеть;

- протоколы маршрутизации (routing protocols) - c 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. Примерами протоколов сетевого уровня являются

протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол

межсетевого обмена пакетами IPX стека Novel.

4. Транспортный уровень обеспечивает приложениям или верхним

уровням стека - 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, а также способностью к обнаружению и

исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование

пакетов.

Протоколы транспортного уровня реализуются программными

средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых ОС. В качестве

транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека

TCP/IP и протокол SPX стека Novel.

Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым

транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают

задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в

составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями.

Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных

сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Существует множество классов протоколов транспортного уровня,

начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные

функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема),

и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт

назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности,

мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм

управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых

данных.

Некоторые протоколы сетевого уровня, называемые протоколами без

установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по

назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-

источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая

данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень.

Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных

(потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя

системами. Механизм управления потоком данных — это механизм,

позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной

системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию

контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему

отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

Описать работу протоколов с установкой соединения можно на

примере работы обычного телефона. Протоколы этого класса начинают

передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от

источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу

данных и затем по окончании передачи разрывают связь.

Протоколы без установки соединения, которые посылают данные,

содержащие полную адресную информацию в каждом пакете, работают

аналогично почтовой системе. Каждое письмо или пакет содержит адрес

отправителя и получателя. Далее каждый промежуточный почтамт или

сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о

маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного

промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено

получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют

поступление информации получателю в том порядке, в котором она была

отправлена. За установку данных в соответствующем порядке при

использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают

транспортные протоколы.

5. Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом: фиксирует,

какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет

средства синхронизации. На практике немногие приложения используют

сеансовый уровень, поэтому он редко реализуется в виде отдельных

протоколов, его функции часто объединяют с функциями прикладного

уровня и реализуют в одном протоколе.

5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя

приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень

управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией,

синхронизацией задач, определением права на передачу данных и

поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация

передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек,

начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.

6. Представительный уровень имеет дело с формой представления

передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. С

помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут

преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же

различия в кодах символов (например, кодов ASCII и EBCDIC).

На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование 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.

Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и

кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с

уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а

полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям.

На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или

кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов

другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI обычно представляет

собой промежуточный протокол для преобразования информации из

соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями

на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений

образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и

преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы

гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая

имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять

перевод из одного формата данных в другой. Уровень представлений имеет

дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается

структурами данных, которые используются программами. Таким образом,

уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы. Одна использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC, например, это может быть мэйнфрейм компании IBM, а другая — американский стандартный код обмена информацией ASCII (его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.

Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является

шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо

защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными

получателями. Чтобы решить эту задачу, процессы и коды, находящиеся науровне представлений, должны выполнить преобразование данных. На этом уровне существуют и другие подпрограммы, которые сжимают тексты и

преобразовывают графические изображения в битовые потоки, так что они

могут передаваться по сети.

Стандарты уровня представлений также определяют способы представления графических изображений. Для этих целей может использоваться формат PICT — формат изображений, применяемый для передачи графики QuickDraw между программами для компьютеров Macintosh и PowerPC.

Другим форматом представлений является тэгированный формат файлов

изображений TIFF, который обычно используется для растровых

изображений с высоким разрешением. Следующим стандартом уровня

представлений, который может использоваться для графических

изображений, является стандарт, разработанный Объединенной экспертной

группой по фотографии (Joint Photographic Expert Group); в повседневном

пользовании этот стандарт называют просто JPEG.

Существует другая группа стандартов уровня представлений, которая

определяет представление звука и кинофрагментов. Сюда входят интерфейс

электронных музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital

Interface) для цифрового представления музыки, разработанный Экспертной

группой по кинематографии стандарт MPEG, используемый для сжатия и

кодирования видеороликов на компакт-дисках, хранения в оцифрованном

виде и передачи со скоростями до 1,5 Мбит/с, и QuickTime — стандарт,

описывающий звуковые и видео элементы для программ, выполняемых на

компьютерах Macintosh и PowerPC.

7. Прикладной уровень - это совокупность разнообразных протоколов, с

помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым

ресурсам, таким как файлы, принтеры, Web-страницы, а также организуют

свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной

почты. Единица данных, с которой оперирует прикладной уровень,

называется сообщением. Существует очень большое разнообразие служб

прикладного уровня, например NCP в операционной системе Novel NetWare,

FTP стека TCP/IP.

Верхний уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалѐнный доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления.

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух

групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации

сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются

сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с

технической реализацией сети и используемым коммуникационным

оборудованием.

Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый -

сетенезависимы, т.к. ориентированы на приложения и мало зависят от

технических особенностей построения сети.

Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все

детали функционирования нижних уровней от верхних, что позволяет

разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств

непосредственной транспортировки сообщений. Итак, рассмотренная нами модель OSI описывает взаимосвязи открытых систем, т.е. систем, построенных в соответствии с открытыми

спецификациями. Примером такой системы является международная сеть

Internet.

Соблюдение принципов открытости дает следующие преимущества:

- возможность построения сети из аппаратных и программных средств

различных производителей, придерживающихся одного и того же

стандарта;

- возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети

другими, более совершенными, что позволяет развитие сети производить с

минимальными затратами;

- возможность легкого сопряжения одной сети с другой;

простота освоения и обслуживания сети.

Дата добавления: 2013-12-13