Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI. Основные функции уровневых подсистем

Понятия сетей ЭВМ. Физическая и логическая среда. Классификация сетей.

Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и прочих устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.

Сети ЭВМ представляют собой разновидность многомашинных систем слабосвязанного типа, которые в отличие сильносвязанных систем (кластеры, многопроцессорные и многомашинные комплексы) не имеют совместных полей адресуемой памяти, а соединяются между собой коммуникационным протоколом, т.е. набором соглашений, позволяющим частям сети взаимодействовать между собой посредством каналов связи.

Каждая сеть ЭВМ создается в интересах и для удобства пользователей. Для этого сеть должна быть открытой и прозрачной. Открытость сети – возможность легко добавлять, исключать и переконфигурировать вычислительные установки, каналы связи и программные средства без остановки работы сети. Прозрачность обеспечивает возможность работы пользователя с удаленным ресурсом, не вникая в устройство коммуникационных средств, местоположение используемого ресурса, тип ЭВМ и операционной среды, поддерживающих этот ресурс. Этого можно добиться только строя сеть в соответствии с едиными принципами – архитектурой сети.

Топология - способ соединения компьютеров в сети (геометрическая схема соединения). Локальные могут иметь топологию «шина» или «звезда», а также комбинацию их. Исторически более ранний Ethernet на коаксиальном кабеле соединял компьютеры подряд (шина), соединение по витой паре связывает компьютеры с концентратором (звезда). В свою очередь концентраторы можно соединять друг с другом, создавая "шину из звёзд".

В любой сети ЭВМ можно выделить два логических слоя: внешний абонентский и внутренний коммуникационный. Коммуникационный слой (коммуникационная сеть) опирается на физическую систему передачи данных. Абонентский же слой (абонентская сеть) образуется в среде совокупности всех подключенных к системе передачи данных физических абонентских установок. В качестве абонентских установок могут использоваться как полнофункциональные ЭВМ (независимо от класса и типа), так и различные специализированные устройства – терминалы, сетевые принтеры, библиотеки и так далее. Все эти устройства в какой-то мере являются компьютерами в сети, хотя и не имеют многих функциональных частей. Например, терминалы обычно не имеют накопителей, а сетевой библиотеке не нужны устройства общения с пользователем. Но с точки зрения сети – все они являются компьютерами.

Абонентские установки соединяются с системой передачи данных с помощью физической среды передачи данных, а сопряжение логических слоев в ЭВМ осуществляется с помощью логической среды, реализуемой работой специальных программ.

Физическая среда передачи данных включает:

• линии связи;
• сетевые адаптеры;
• повторители (repeater);
• концентраторы (hub).

Логическая среда передачи данных определяется:

• коммутаторами (switch);
• маршрутизаторами (router);
• шлюзами (gateway).

Линия связи – физическое устройство, позволяющее передачу сигналов. Электрический кабель, оптический кабель, радиоканал, оптическая беспроводная связь.

Сетевой адаптер – устройство, позволяющее подключить компьютер к линии связи. Обычно выполнен в виде устройства, подключающегося к шине данных компьютера (PCI) или универсальному интерфейсу (COM, USB) и к линии связи (разъём для кабеля, радиоантенна, инфракрасный излучатель с приёмником и т.п.). Нередко сетевой адаптер смонтирован на общей плате компьютера (встроенные Ethernet, Bluetooth, Wi-Fi адаптеры).

Повторитель (repeater) – устройство, соединяющее две линии связи, усиливающее сигнал или изменяющее среду передачи (соединение электрического и оптического кабеля) (mediaconverter).

Концентратор (hub) – устройство, соединяющее несколько линий связи. Часто является также коммутатором.

Коммутаторv (switch, switching hub) – в отличие от концентратора передаёт полученный сигнал не всем линиям связи, а только той, для которой он предназначен.

Маршрутизатор (router) – программно-аппратный комплекс, анализирующий приходящие пакеты и направляющий их по правилам, определённым в таблице маршрутизации. В отличие от коммутатора работает не с физическими, а с логическими адресами устройств (IP-адресами) и имеет гибкие возможности управления передачей пакетов. Может быть объединён в одном устройстве с концентратором или выполнен как отдельное устройство. Функции маршрутизатора может выполнять компьютер с сетевой операционной системой и соответствующим программным обеспечением.

Маршрутизация – механизм направления пакета по лабиринту сетей, находящимся между источником и адресатом. Для осуществления маршрутизации каждый маршрутизатор имеет таблицу, где адресу пункта назначения (или IP-адресу) соответствует уточненный адрес, куда следует посылать далее эту информацию. Эти таблицы называются таблицами маршрутизации.

Шлюз (gateway) –программно-аппратный комплекс, связывающий между собой две сети. В отличие от маршрутизатора, меняет заголовки пакетов таким образом, чтобы они подходили для сети назначения.

Протокол – это перечень правил, определяющий сетевое взаимодействие. Существуют различные протоколы сетевого взаимодействия, используемые в различных сетях. В настоящее время в большинстве сетей используется семейство протоколов TCP/IP.

Пакет – блок данных, используемый для передачи данных по сети, имеющий строго определенную структуру, включающую в себя заголовок и поле данных. В Internet данные разбиваются на маленькие части, которые заключаются в пакеты; каждый пакет передаётся в сети самостоятельно, независимо от других.

Классификация сетей ЭВМ

Классифицировать сети можно по различным признакам – однородности компонентов, иерархичности, территориального размещения, принадлежности, среде передачи.

Однородность компонентов. Сеть может состоять как из однотипных устройств (гомогенные), так и из устройств различного типа (гетерогенные). Гомогенные сети были распространены в 70-80 годы, когда была характерна поставка "под ключ" единого комплекта сети от одного производителя. В настоящее время практически не встречаются.

Иерархичность. Одноранговые сети, все компьютеры в которых имеют одинаковые права, и иерархические (сети с выделенными серверами и управляющими устройствами). Применяются сети обоих типов, например, сеть небольшого офиса часто состоит из равноправных компьютеров без выделенного сервера, сетью здания удобнее управлять из единого центра, сеть Интернет – формально одноранговая.

Территориальное размещение. Чёткого критерия нет, особенно в настоящее время, когда сети всех типов строятся на общих принципах семейства протоколов TCP/IP, но принято различать локальные (комната, здание, типичное расстояние между компьютерами – от единиц до сотен метров), территориальные (крупное предприятие, небольшой город, типичные расстояния – единицы километров) и глобальные сети (сотни и тысячи километров). Также иногда выделяют городские сети (десятки километров) и личные сети (десятки метров).

Принадлежность. Частные, корпоративные, государственные и публичные сети. Классификация ясна из названия.

Среда передачи. Сети с общей средой передачи, когда все участники сети общаются через единое физическое пространство, или сети с коммутируемой средой передачи, когда в сети поддерживается множество отдельных каналов связи. Также по среде передачи можно различать проводные (электрические, оптические) и беспроводные (радио) сети.

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием - декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей. В результате достигается логическое упрощение задачи, а кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

Все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерархию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни. Множество модулей, составляющих каждый уровень, сформировано таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями.

В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены. Средства сетевого взаимодействия тоже могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей.

Без принятия всеми производи­те­ля­ми общих правил построения оборудования прогресс в деле строительства сетей был бы невозможен. Поэтому всё развитие компьютерной отрасли отражено в стандартах – любая новая технология только тогда может широко использоваться, когда ее содержание закрепляется в соответствующем стандарте, а пока стандарта нет – это не технология, а всего лишь экспериментальная разработка.

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная модель взаимодействия OSI (Open Systems Interconnection) – абстрактная сетевая модель коммуникации и разработки сетевых протоколов. Модель рассматривает сеть по уровням, каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.

Уровни нумеруются от низшего (физического) до высшего (прикладного), но рассмотрим мы их сверху вниз – по порядку использования.

7. Прикладной уровень (Application layer)

Верхний уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских программ – то есть собственно то, что нужно пользователю от сети.

6. Представительский уровень (Presentation layer)

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.

5. Сеансовый уровень (Session layer)

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.

4. Транспортный уровень (Transport layer)

Предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает.

3. Сетевой уровень (Network layer)

Предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети.

2. Канальный уровень (англ. Data Link layer)

Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. 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.

1. Физический уровень (Physical layer)

Самый нижний уровень модели предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов.

Семиуровневая модель OSI является теоретической, непосредственно на основе этой модели сети не строят, но она очень полезна для понимания построения сети.

Дата добавления: 2014-01-06