Общая характеристика модели OSI

Пример

Пример

Пример

Пример

ПРИМЕР

Пример

Пусть первое слагаемое Х записано в регистрах R0 и R1:

X = 256*(R1) + (R0),

а второе — Y — в регистрах R2 и R3:

Y = 256*(R3) + (R2),

т.е. в регистрах с четными номерами хранятся младшие байты.

Составить фрагмент программы суммирования с записью суммы на место первого слагаемого, т.е. в регистры R1 и R0.

mov	A,	R0	;Взять младший байт первого слагаемого в аккумулятор
add	A,	R2	;Сложить с младшим байтом второго слагаемого
mov	R0,	A	;Запомнить младший байт суммы
mov	A,	R1	;Взять старший байт первого слагаемого в аккумулятор
addc	A,	R3	;Сложить со старшим байтом второго слагаемого;и возможным переносом
mov	R1,	A	;Запомнить старший байт суммы

Этот фрагмент можно оформить в виде подпрограммы:

Add_16:				;Метка или имя подпрограммы
	push	Acc		;Сохранить аккумулятор
	mov	A,	R0	;Взять младший байт первого слагаемого в;аккумулятор
	add	A,	R2	;Сложить с младшим байтом второго слагаемого
	mov	R0,	A	;Запомнить младший байт суммы
	mov	A,	R1	;Взять старший байт первого слагаемого в;аккумулятор
	addc	A,	R3	;Сложить со старшим байтом второго;слагаемого и возможным переносом
	mov	R1,	A	;Запомнить старший байт суммы
	pop	Acc		;Восстановить аккумулятор
	ret			;Возврат из подпрограммы

Составим возможный фрагмент основной программы, использующей подпрограмму Add_16.

Пусть 2-х байтовые числа X и Y находятся в памяти данных по адресам c метками М_х и М_у соответственно. Вычислить с помощью подпрограммы Add_16 сумму этих чисел и результат поместить в память по адресу с меткой Sum.

Память данных

	...
	Старший байт суммы	35h
Sum:	Младший байт суммы	34h
	Y(1)	33h
M_y:	Y(0)	32h
	X(1)	31h
M_x:	X(0)	30h
	...

...
My_Data	SEGMENT	DATA		;
	RSEG	My_Data		;
...
	ORG	30h		;
M_x:	DS			;
M_y:	DS			;
Sum:	DS			;
...
My_Code	SEGMENT	CODE		;
	RSEG	My_Code		;
...
	mov	R0,	M_x	;
	mov	R1,	M_x+1	;
	mov	R2,	M_y	;
	mov	R3,	M_y+1	;
	call	Add_16		;
	mov	Sum,	R0	;
	mov	Sum+1,	R1	;
...
Add_16:				;Метка или имя подпрограммы
	push	Acc		;Сохранить аккумулятор
	mov	A,	R0
	add	A,	R2
	mov	R0,	A
	mov	A,	R1
	addc	A,	R3
	mov	R1,	A
	pop	Acc		;Восстановить аккумулятор
	ret			;Возврат из подпрограммы
	END

Подпрограмму Add_16 можно оформить в виде отдельного модуля, который будет храниться в отдельном файле, например, с именем Add_16.asm, а после трансляции в файле с именем Add_16.obj.

My_Code	SEGMENT	CODE		;
Add_16	PUBLIC			;
	RSEG	My_Code
Add_16:				;Метка или имя подпрограммы
	push	Acc		;Сохранить аккумулятор
	mov	A,	R0
	add	A,	R2
	mov	R0,	A
	mov	A,	R1
	addc	A,	R3
	mov	R1,	A
	pop	Acc		;Восстановить аккумулятор
	ret			;Возврат из подпрограммы
	END

Тогда основная программа примет вид:

...
My_Data	SEGMENT	DATA		;
EXTRN	CODE	(Add_16)		;
	RSEG	My_Data		;
...
	ORG	30h		;
M_x:	DS			;
M_y:	DS			;
Sum:	DS			;
...
My_Code	SEGMENT	CODE		;
	RSEG	My_Code		;
...
	mov	R0,	M_x	;
	mov	R1,	M_x+1	;
	mov	R2,	M_y	;
	mov	R3,	M_y+1	;
	call	Add_16		;
	mov	Sum,	R0	;
	mov	Sum+1	R1	;
...
	END			;

и тоже будет храниться в отдельном файле, например с именем My_Prog_1.asm, а после трансляции в файле с именем My_Prog_1.obj. Для того чтобы редактор связей Link мог собрать эти модули в единую программу, имена этих файлов должны присутствовать в файле проекта.

Поставим задачу сложения двух положительных чисел с форматом 5 байтов. Для ее решения потребуется организовать цикл. Цикл организуем с помощью команды передачи управления:

Декремент регистра и переход, если не нуль	DJNZ Rn, rel	(PC) ¬ (PC) + 2, (Rn) ¬ (Rn) - 1, если (Rn) ≠ 0, то (PC) ¬ (PC) + rel
...
My_Data	SEGMENТ	DATA		;
	RSEG	My_Data		;
...
	ORG	30h		;
M_x:	DS			;5 байтов для первого слагаемого
M_y:	DS			;5 байтов для второго слагаемого
Считая, что запись слагаемых осуществлена в другой части программы, напишем фрагмент сложения первого числа со вторым и с записью суммы на место первого числа.
My_Code	SEGMENT	CODE		;
	RSEG	My_Code		;
...
	mov	R0,	#M_x	;указатель адреса байта первого;числа
	mov	R1,	#M_y	;указатель адреса байта второго;числа
	mov	R3,	#5	;счетчик байтов
	clr	C		;очистка бита переноса
M_add:	mov	A,	@R0	;взять байт первого числа
	addc	A,	@R1	;прибавить байт второго числа
	mov	@R0,	A	;запомнить байт суммы
	inc	R0		;указать на следующий байт;первого числа
	inc	R1		;указать на следующий байт;второго числа
	djnz	R3,	M_add	;подсчет количества;необработанных байтов
...

2. Вычитание.

Пусть уменьшаемое Х записано в регистрах R0 и R1:

X = 256*(R1) + (R0),

а вычитаемое — Y — в регистрах R2 и R3:

Y = 256*(R3) + (R2),

т.е. в регистрах с четными номерами хранятся младшие байты.

Составить фрагмент программы вычитания с записью разности на место уменьшаемого, т.е. в регистры R1 и R0.

clr	C		;Очистить бит заëма (переноса)
mov	A,	R0	;Взять младший байт уменьшаемого в аккумулятор
subb	A,	R2	;Вычесть младший байт вычитаемого
mov	R0,	A	;Запомнить младший байт разности
mov	A,	R1	;Взять старший байт уменьшаемого в аккумулятор
subb	A,	R3	;Вычесть старший байт уменьшаемого
mov	R1,	A	;Запомнить старший байт разности

3. Умножение

4.2 Умножение на целую степень двойки

Умножение двоичного числа, состоящего из нескольких байтов, на целую степень двойки осуществляется при помощи сдвига всех байтов этого числа влево. Для умножения на 2 нужен сдвиг влево на 1 разряд, для умножения на 4 — на 2 разряда и т.д.

00000001₂ = 1₁₀,

¬

00000010₂ = 2₁₀,

¬

00000100₂ = 4₁₀.

Вспомним, какие команды сдвигов влево имеются в нашем распоряжении.

Сдвиг аккумулятора влево циклический	RL A	(An+1) ¬ (An), n=0÷6, (A0) ¬ (A7)
Сдвиг аккумулятора влево через перенос	RLC A	(An+1) ¬ (An), n=0÷6 (A0) ¬ (C), (C) ¬ (A7)

Видим, что для сдвига байта его нужно предварительно поместить в аккумулятор.

Пусть число Х записано в регистрах R0 и R1: X = 256*(R1) + (R0).

Умножить число на 2 и записать на прежнее место.

clr C;Очистить флаг переноса

mov a, R0;Взять мл. байт

rlc a;Умножить на 2

mov R0, a;Положить на место

mov a,R1;Взять ст. байт

rlc a;Умножить на 2

mov R1, a;Положить на место

Умножить число на 8 и записать на прежнее место.

mov R2, #3;Счетчик сдвигов

Repeat: clr C;Очистить флаг переноса

mov a, R0;Взять мл. байт

rlc a;Умножить на 2

mov R0, a;Положить на место

mov a, R1;Взять ст. байт

rlc a;Умножить на 2

mov R1, a;Положить на место

djnz R2, Repeat;Подсчет числа сдвигов

4.2 Перемножение произвольных положительных чисел

При перемножении чисел, каждое из которых представлено двумя байтами, произведение может занять 4 байта.

Вспомним команду умножения.

Умножение аккумулятора на регистр В

MUL AB

(B)(A) ¬ (A)*(В)

Если результат произведения больше чем 0FFh (255), то устанавливается флаг переполнения OV, в противном случае он сбрасывается. Флаг переноса С всегда сбрасывается.

Обозначим:

X = 2⁸ *Х(1) + Х(0) = 256*X(1) +X(0) — первое двухбайтовое число,

Y = 2⁸ *Y(1) + Y(0) = 256*Y(1) +Y(0) — второе двухбайтовое число,

где

Х(1), Y(1) — старшие байты, Х(0), Y(0) — младшие байты чисел;

Умножение проведем «столбиком»

256*X(1) + X(0)

256*Y(1) + Y(0)

256*X(1)*Y(0) + X(0)*Y(0)

65536*X(1)Y(1) + 256*Y(1)*X(0)

65536*X(1)*Y(1) + 256*[X(1)*Y(0) + X(0)*Y(1)] + X(0)*Y(0)

Два байта

Два байта

Два байта

Два байта

Положим для определенности, что байт Х(0) находится в R0 и т.д.

X(0) à R0, X(1) à R1, Y(0) à R2, Y(1) à R3.

Результат умножения поместим в регистры R4, R5, R6 и R7. Причем старшие байты находятся в регистрах с большими номерами.

Обозначим: Z0 текущее содержимое регистра R4, т.е. Z0à R4, Z1 à R5,
Z2 à R6, Z3 à R7,

Z0 = МБ[X0·Y0] (МБ — младший байт произведения),

Z1 =СБ[X0·Y0]+МБ[X1·Y0]+МБ[X0·Y1] (СБ — старший байт произведения),

Z2 =СБ[X1·Y0]+СБ[X0·Y1]+МБ[X1·Y1],

Z3=СБ[X1·Y1].

Видим, что для получения результата надо выполнить 4 умножения и 4 сложения. Умножения будем проводить в следующем порядке:

1. X0·Y0

2. X1·Y1

3. X1·Y0

4. X0·Y1

Фрагмент программы умножения двухбайтовых положительных чисел имеет вид:

mov A, R0;забрали X0

mov B, R2;забрали Y0

mul AB;(A) = МБ[X0·Y0]; (B) = СБ[X0·Y0]

mov R4, A;получили Z0 и положили на место

mov R5, B;получили заготовку Z1¢

mov A, R1;забрали X1

mov B, R3;забрали Y1

mul AB;(A) = МБ[X1·Y1]; (B) = СБ[X1,Y1]

mov R6, A;получили заготовку Z2¢

mov R7, B;получили заготовку Z3’

mov A, R1;забираем X1 в А

mov B, R2;забираем Y0

mul AB;(A) = МБ[X1·Y0]; (B) = СБ[X1,Y0]

add A, R5;складываем

mov R5, A;получаем заготовку Z1’’

mov A, R6;забираем R6

addc A, B;(А) = СБ[X1·Y0]+МБ[X1,Y0] => Z2’’

jnc nc1;перейти, если нет переноса

inc R7;учли возможный перенос

nc1: mov R6, A;Z2’’

mov A, R0;забираем X0 в A

mov B, R3;забираем Y1

mul AB;(A) = МБ[X0·Y1]; (B) = СБ[X0,Y1]

add A, R5;

mov R5, A;Z1 на месте

mov A, R6;Z2’’ в A

addc A, B;в A находится Z2

jnc nc2;перейти если нет переноса

inc R7;учет переноса в Z3. Z3 на месте

nc2: mov R6, A;получили Z2 и положили на место

4. Деление

4.2 Деление на целую степень двойки

Деление двоичного числа, состоящего из нескольких байтов, на целую степень двойки осуществляется при помощи сдвига всех байтов этого числа вправо. Для деления на 2 нужен сдвиг вправо на 1 разряд, для деления на 4 — на 2 разряда и т.д.

00001000₂ = 8₁₀,

®

00000100₂ = 4₁₀,

®

00000010₂ = 2₁₀.

Вспомним, какие команды сдвигов вправо имеются в нашем распоряжении.

Сдвиг аккумулятора вправо циклический	RR A	(An) ¬ (An+1), n=0÷6, (A7) ¬ (A0)
Сдвиг аккумулятора вправо через перенос	RRC A	(An) ¬ (An+1), n=0÷6 (A7) ¬ (C), (C) ¬ (A0)

Видим, что для сдвига байта его нужно предварительно поместить в аккумулятор.

Пусть число Х записано в регистрах R0 и R1: X = 256*(R1) + (R0).

Разделить число на 2 и записать на прежнее место.

clr C;Очистить флаг переноса

mov a, R1;Взять ст. байт

rrc a;Разделить на 2

mov R1, a;Положить на место

mov a,R0;Взять мл. байт

rrc a;Разделить на 2

mov R0, a;Положить на место

Разделить число на 8 и записать на прежнее место.

mov R2, #3;Счетчик сдвигов

Repeat: clr C;Очистить флаг переноса

mov a, R1;Взять ст. байт

rrc a;Разделить на 2

mov R1, a;Положить на место

mov a, R0;Взять мл. байт

rrc a;Разделить на 2

mov R0, a;Положить на место

djnz R2, Repeat;Подсчет числа сдвигов

4.2 Деление произвольных чисел

Затруднено из-за отсутствия конечных формул для вычисления частного и остатка. В качестве примера рассмотрим деление двухбайтового числа Х = 256*Х(1) + Х(0) на однобайтовое Y = Y(0).

.

Операция целочисленного деления заключается в приведении неправильной дроби к правильной, при этом целая часть результата является частным, а числитель дробной части — остатком: .

Обозначим частное — Q, остаток — R. Тогда задача целочисленного деления сводится к нахождению двух неотрицательных целых чисел, удовлетворяющих уравнению и неравенству

R < y

Это уравнение решается подбором частного, т. е. методом проб и ошибок. Например, это можно делать многократным вычитанием делителя из делимого до тех пор, пока остаток не будет меньше делителя. Тогда частное равно количеству операций вычитания. Недостаток — большое время выполнения.

Выполнить самостоятельно.

Из того, что протокол является соглашением, принятым двумя взаимодействующими узлами сети, совсем не следует, что он обязательно является стандартным. Но на практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты.

В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации, в частности International Organization for Standardization (ISO), часто называемая также International Standards Organization, а также International Telecommunications Union (ITU) - разработали стандартную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Эта модель сыграла значительную роль в развитии компьютерных сетей.

Назначение модели OSI состоит в обобщенном представлении средств сетевого взаимодействия. Она разрабатывалась в качестве своего рода универсального языка сетевых специалистов, именно поэтому ее называют справочной моделью.

Модель OSI определяет:

- уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов,

- стандартные названия уровней,

- функции, которые должен выполнять каждый уровень

Модель OSI не содержит описаний реализаций конкретного набора протоколов

В модели OSI (рисунок 15.1) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с совершенно определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными программными и аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Важно различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень семиуровневой модели.

Рисунок 15.1 - Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Приложения могут реализовывать собственные протоколы взаимодействия, используя для этих целей многоуровневую совокупность системных средств. Именно для этого в распоряжение программистов предоставляется прикладной программный интерфейс (Application Program Interface, API).

Итак, пусть приложение узла А хочет взаимодействовать с приложением узла В. Для этого приложение А обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата.

После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку уровню представления. Протокол уровня представления на основании информации, полученной из прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию — заголовок уровня представления, в котором содержатся указания для протокола уровня представления машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т. д. (Некоторые реализации протоколов помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце в виде так называемого концевика.) Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который, собственно, и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение «обрастает» заголовками всех уровней (рисунок 15.2).

Рисунок 15.2 – Вложенность сообщений различных уровней

Физический уровень помещает сообщение на физический выходной интерфейс компьютера 1, и оно начинает свое «путешествие» по сети (до этого момента сообщение передавалось от одного уровня другому в пределах компьютера 1).

Когда сообщение по сети поступает на входной интерфейс компьютера 2. оно принимается его физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Как видно из описания, протокольные сущности одного уровня не общаются между собой непосредственно, в этом общении всегда участвуют посредники — средства протоколов нижележащих уровней. И только физические уровни различных узлов взаимодействуют непосредственно.

В стандартах ISO для обозначения единиц обмена данными, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольная единица данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения единиц обмена данными конкретных уровней часто используются специальные названия, в частности: сообщение, кадр, пакет, дейтаграмма.

Физический уровень

Физический уровень (physical layer) имеет дело с передачей потока битов по физическим каналам связи, таким как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал.

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

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10BaseT 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.

Физический уровень не вникает в смысл информации, которую он перелает. Для него эта информация представляет однородный поток битов, которые нужно доставить без искажений и в соответствии с заданной тактовой частотой (интервалом между соседними битами).

Канальный уровень

Канальный уровень (data link layer) является первым уровнем (если идти снизу вверх), который работает в режиме коммутации пакетов. На этом уровне PDU (протокольный блок данных) обычно носит название кадр (frame).

Функции средств канального уровня определяются по-разному для локальных и глобальных сетей:

- В локальных сетях канальный уровень должен обеспечивать доставку кадра между любыми узлами сети. При этом предполагается, что сеть имеет типовую топологию, например общую шину, кольцо, звезду или дерево (иерархическую звезду). Примерами технологий локальных сетей, применение которых ограничено типовыми топологиями, являются Ethernet, FDDI, Token Ring.

- В глобальных сетях канальный уровень должен обеспечивать доставку кадра только между двумя соседними узлами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами двухточечных протоколов (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР (Point to Point Protokol) и HDLC. На основе двухточечных связей могут быть построены сети произвольной топологии.

Для связи локальных сетей между собой или для доставки сообщений между любыми конечными узлами глобальной сети используются средства более высокого сетевого уровня.

Одной из функций канального уровня является поддержание интерфейсов с ни­жележащим физическим уровнем и вышележащим сетевым уровнем. Сетевой уровень направляет канальному уровню пакет для передачи в сеть или принимает от него пакет, полученный из сети. Физический уровень используется канальным как инструмент, который принимает и передает в сеть последовательности битов.

Начнем рассмотрение работы канального уровня, начиная с момента, когда сетевой уровень отправителя передает канальному уровню пакет, а также указание, какому узлу его передать. Для решения этой задачи канальный уровень создает кадр, который имеет поле данных и заголовок. Канальный уровень помещает (инкапсулирует) пакет в поле данных кадра и заполняет соответствующей служебной информацией заголовок кадра. Важнейшей информацией заголовка кадра является адрес назначения, на основании которого коммутаторы сети будут продвигать пакет.

Одной из задач канального уровня является обнаружение и коррекции ошибок. Для этого канальный уровень фиксирует границы кадра, помещая специальную последовательность битов в его начало и конец (преамбула (7 байт 10101010, 8-ой байт 10101011), флаг (01111110), необходимые для синхронизации кадра), а затем вставляет в кадр контрольную сумму, которая называется также контрольной последовательностью кадра (Frame Check Sequence, FCS). Контрольная сумма вычисляется по некоторому алгоритму как функция от всех байтов кадра. По значению FCS узел назначения сможет определить, были или нет искажены данные кадра в процессе передачи по сети.

Однако прежде, чем переправить кадр физическому уровню для непосредственной передачи данных в сеть, канальному уровню может потребоваться решить еще одну важную задачу. Если в сети используется разделяемая среда, то прежде чем физический уровень начнет передавать данные, канальный уровень должен проверить доступность среды.

Если разделяемая среда освободилась (когда она не используется, то такая проверка, конечно, пропускается), кадр передается средствами физического уровня в сеть, проходит по каналу связи и поступает в виде последовательности битов в распоряжение физического уровня узла назначения. Этот уровень в свою очередь передает полученные биты «наверх» канальному уровню своего узла. Последний группирует биты в кадры, снова вычисляет контрольную последовательность кадра полученных данных по тому же алгоритму и сравнивает результат с контрольной последовательностью, переданной в кадре. Если они совпадают, кадр считается правильным. Если же контрольные последовательности не совпадают, фиксируется ошибка. В функции канального уровня входит не только обнаружение ошибок, но и исправление их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Однако эта функция не является обязательной и в некоторых реализациях канального уровня она отсутствует, например в Ethernet, Token Ring, FDDI и Frame Relay.

Все вышеназванные функции канального уровня иногда выделяют в отдельный подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC), а функции интерфейса с вышележащим сетевым уровнем выделяют в подуровень управления логической связью (Logical Link Control)

Протоколы канального уровня реализуются компьютерами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

Протокол канального уровни обычно работает в пределах сети, являющейся одной из составляющих более крупкой составной сети, объединенной протоколами сетевого уровня. Адреса, с которыми работает протокол канального уровня, используются для доставки кадров только в пределах этой сети, а для перемещения пакетов между сетями применяются уже адреса следующего, сетевого, уровня.

В локальных сетях канальный уровень поддерживает весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня локальных сетей оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу непосредственно поверх себя протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Тем не менее, для качественной передачи сообщений в сетях с произвольной топологией функций канального уровня оказывается недостаточно.

Это утверждение в еще большей степени справедливо для глобальных сетей, в которых протокол канального уровня реализует достаточно простую функцию передачи данных между соседними узлами.

В качестве примера приведены на рисунке 15.3 приведены протоколы сетевых технологий семейств Ethernet и WLAN, а также технологии Token Ring, разработанных 802 комитетом Института инженеров по электронике и радиоэлектронике (IEEE).

Рисунок 15.3 – IEEE 802.x

Сетевой уровень (network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, называемой составной сетью, или интернетом.

Не следует путать интернет (со строчной буквы) с Интернетом (с прописной буквы). Интернет - это самая известная и охватывающая весь мир реализация составной сети, построенная на основе технологии TCP/IP.

Технология, позволяющая соединить в единую сеть множество сетей, в общем случае построенных на основе технологий, называется технологией межсетевого взаимодействия (internetworking)

На рисунке 15.4 показаны несколько сетей, каждая из которых использует собственную технологию канального уровня: Ethernet, FDDI, Token Ring, ATM, Frame Relay. На базе этих технологий каждая из указанных сетей может связывать между собой любых пользователей, но только своей сети, и не способна обеспечить передачу данных в другую сеть. Причина такого положения вещей очевидна и кроется в существенных отличиях одной технологии от другой. Даже наиболее близкие технологии LAN — Ethernet, FDDI, Token Ring, имеющие одну и ту же систему адресации (адреса подуровня MAC, называемые МАС- адресами), отличаются друг от друга форматом используемых кадров и логикой работы протоколов. Еще больше отличий между технологиями LAN и WAN. Во многих технологиях WAN задействована техника предварительно устанавливаемых виртуальных каналов, идентификаторы которых применяются в качестве адресов. Все технологии имеют собственные форматы кадров (в технологии ATM кадр даже называется иначе — ячейкой) и, конечно, собственные стеки протоколов.

Чтобы связать между собой сети, построенные на основе столь отличающихся технологий, нужны дополнительные средства, и такие средства предоставляет сетевой уровень.

Функции сетевого уровня реализуются:

- группой протоколов;

- специальными устройствами - маршрутизаторами.

Рисунок 15.4 – Необходимость сетевого уровня

Одной из функций маршрутизатора является физическое соединение сетей. Мар­шрутизатор имеет несколько сетевых интерфейсов, подобных интерфейсам компьютера, к каждому из которых может быть подключена одна сеть. Таким образом, все интерфейсы маршрутизатора можно считать узлами разных сетей. Маршрутизатор может быть реализован программно, на базе универсального компьютера (например, типовая конфигурация Unix или Windows включает программный модуль маршрутизатора). Однако чаще маршрутизаторы реализуются на базе специализированных аппаратных платформ. В состав программного обеспечения маршрутизатора входят протокольные модули сетевого уровня.

Чтобы связать сети, показанные на рисунке 15.4. необходимо соединить все эти сети маршрутизаторами и установить протокольные модули сетевого уровня на все конечные узлы пользователей, которые хотели бы связываться через составную сеть (рисунок 15.5).

Рисунок 15.5 – Пример Internet

Данные, которые необходимо передать через составную сеть, поступают на сетевой уровень от вышележащего транспортного уровня. Эти данные снабжаются заголовком сетевого уровня. Данные вместе с заголовком образуют пакет — так называется PDU сетевого уровня. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в составную сеть, и несет наряду с другой служебной информацией данные об адресе назначения этого пакета.

Для того чтобы протоколы сетевого уровня могли доставлять пакеты любому узлу составной сети, эти узлы должны иметь адреса, уникальные в пределах данной составной сети. Такие адреса называются сетевыми, или глобальными. Каждый узел составной сети, который намерен обмениваться данными с другими узлами составной сети, должен иметь сетевой адрес наряду с адресом, назначенным ему на канальном уровне. Например, на рисунке 15.5 компьютер в сети Ethernet, входящей в составную сеть, имеет адрес канального уровня МАС1 и адрес сетевого уровня NET-A1; аналогично в сети ATM узел, адресуемый идентификаторами виртуальных каналов ID1 и ID2, имеет сетевой адрес NET-A2. В пакете в качестве адреса назначения должен быть указан адрес сетевого уровня, на основании которого определяется маршрут пакета. Определение маршрута является важной задачей сетевого уровня. Маршрут описывается последовательностью сетей (или маршрутизаторов), через которые должен пройти пакет, чтобы попасть к адресату. Например, на рисунке 15.5 штриховой линией показано 3 маршрута, по которым могут быть переданы данные от компьютера А к компьютеру Б. Маршрутизатор собирает информацию о топологии связей между сетями и на ее основании строит таблицы коммутации, которые в данном случае носят специальное название таблиц маршрутизации.

В соответствии с многоуровневым подходом сетевой уровень для решения своей задачи обращается к нижележащему канальному уровню. Весь путь через составную сеть разбивается на участки от одного маршрутизатора до другого, причем каждый участок соответствует пути через отдельную сеть.

Для того чтобы передать пакет через очередную сеть, сетевой уровень помещает его в поле данных кадра соответствующей канальной технологии, указывая в заголовке кадра канальный адрес интерфейса следующего маршрутизатора. Сеть, используя свою канальную технологию, доставляет кадр с инкапсулированным в него пакетом по заданному адресу. Маршрутизатор извлекает пакет из прибывшего кадра и после необходимой обработки передаст пакет для дальнейшей транспортировки в следующую сеть, предварительно упаковав его в новый кадр канального уровня в общем случае другой технологии. Таким образом, сетевой уровень играет роль координатора, организующего совместную работ) сетей, построенных на основе разных технологий.

На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид — маршрутизируемые протоколы — реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Пример: межсетевой протокол (Internet Protocol, IP). В его задачу входит продвижение пакета между сетями - от одного маршрутизатора до другого до тех пор, пока пакет не попадет и сеть назначения.

Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых маршрутизирующими протоколами, или протоколами маршрутизации. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений, на основании которой осуществляется выбор маршрута продвижения пакетов. Пример: протоколы маршрутизации RIP, OSPP, BGP.

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.

Транспортный уровень (transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека — прикладному, представления и сеансовому — передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется.

Модель OSI определяет пять классов транспортного сервиса от низшего класса 0 до высшего класса 4. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединении между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное — способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется:

- С одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней.

- С другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного, — сетевым, канальным и физическим.

Так, если качество каналов передачи связи очень высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства нижних уровней очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок, включая предварительное установление логического соединения, контроль доставки сообщений по контрольным суммам и циклической нумерации пакетов, установление тайм-аутов доставки и т. п.

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 NetWare разработки фирмы Novell.

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. Оставшиеся три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов, используя нижележащую транспортную подсистему.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает управление взаимодействием сто­рон: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, и пре­доставляет средства синхронизации сеанса. Эти средства позволяют в ходе длинных передач сохранять информацию о состоянии этих передач в виде контрольных точек, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов. Функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного и представительного уровней и реализуют в одном протоколе.

Уровень представления

Уровень представления (presentation layer), как явствует из его названия, обес­печивает представление передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. 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 могут выполняться шифрование и дешифрирование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол SSL (Secure Socket Layer — слой защищенных сокетов), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (application layer) - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые веб-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, по протоколу электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением.

Существует очень большое разнообразие протоколов и соответствующих служб прикладного уровня. Приведем в качестве примера несколько наиболее распространенных реализаций сетевых файловых служб: NFS и FTP в стеке TCP/IP. SMB в Microsoft Windows. NCP в операционной системе Novell NetWare.

Модель OSI и сети с коммутацией каналов

Как уже было упомянуто, модель OSI описывает процесс взаимодействия устройств в сети с коммутацией пакетов.

Для представления структуры средств межсетевого взаимодействия сетей с коммутацией каналов также используется многоуровневый подход, в соответствии с которым существуют протоколы нескольких уровней, образующих иерархию. Однако обшей справочной модели, подобной модели OSI, для сетей с коммутацией каналов не существует. Например, различные типы телефонных сетей используют собственные стеки протоколов, отличающиеся количеством уровней и распределением функций между уровнями. Первичные сети, такие как PDH, SDH или DWDM, также обладают собственной иерархией протоколов. Ситуация усложняется еще и тем, что практически все типы современных сетей с коммутацией каналов задействуют эту технику только для передачи пользовательских данных, а для управления процессом установления соединений в сети и общего управления сетью применяют технику коммутации пакетов. Такими сетями являются, например, сети ISDN, PDH, SDH,DWDM.

Для сетей с коммутацией пакетов сети с коммутацией каналов предоставляют сервис физического уровня, несмотря на то, что сами они устроены достаточно сложно и поддерживают собственную иерархию протоколов.

Рассмотрим, к примеру, случай, когда несколько локальных пакетных сетей связываются между собой через цифровую телефонную сеть. Очевидно, что функции создания составной сети выполняют протоколы сетевого уровня, поэтому мы устанавливаем в каждой локальной сети маршрутизатор. Маршрутизатор должен быть оснащен интерфейсом, который может установить соединение через телефонную сеть с другой локальной сетью. После того как такое соединение установлено, в телефонной сети образуется поток битов, передаваемых с постоянной скоростью. Это соединение и предоставляет сервис физического уровня для маршрутизаторов. Для того чтобы организовать передачу данных, маршрутизаторы используют поверх этого физического канала какой-либо двухточечный протокол канального уровня.

Сетевая технология Ethernet.

Стандарт Ethernet был принят в 1984 году. Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).

Ethernet - Базовая технология локальной вычислительной сети, использующая метод множественного доступа к среде передачи с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple-Access/Collision Detection). Топология - общая шина (рисунок 15.6). Скорость передачи 10 Мб/с. Протокол стандартизован в спецификации IEEE 802.3. Основа стандарта разработка компаний DEC, Intel, Xerox, 1980 г.

Стандарт разработан институтом инженеров по электронике и радиоэлектронике - (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) - национальной организацией США, определяющей сетевые стандарты локальных вычислительных сетей. В 1981 году рабочая группа 802 этого института сформулировала основные требования, которым должны удовлетворять локальные вычислительные сети. Группа 802 определила множество стандартов, из них самыми известными являются стандарты 802.1, 802.2, 802.3, 802.5, 802.11 которые описывают общие понятия, используемые в области локальных сетей, а также стандарты на два нижних уровня сетей Ethernet, Token Ring, WLAN.

Несколько слов о стандарте 802.11. Это стандарт беспроводных сетей (WLAN - Wireless/Wale Local Area Network), в котором используется метод множественного доступа с прослушиванием несущей и исключением коллизий (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Этот метод требует от станции отправителя положительного подтверждения (АСК) каждого принятого кадра.

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» (рис. 15.6). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.

Рисунок 15.6 - сети Ethernet

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывает» среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра.

Кадр - это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в локальных сетях. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например, адрес получателя и адрес отправителя.

Максимальная длина кадра технологии Ethernet 1518 байт, минимальная длина кадра 64 байт.

Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, имеющих значения 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для определения начала и конца кадра (синхронизации кадра).

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Иногда может возникать ситуация, когда одновременно два и более компьютера решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.

Еще одним свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.

Стек TCP/IP

Стек TCP/IP был разработан но инициативе Министерства обороны CША (DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPANET с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным протоколам IP и TCP, внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии сетевой ОС Unix. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров в Интернете, а также в огромном числе корпоративных сетей.

Поскольку стек TCP/IP изначально создавался для Интернета, он имеет много особенностей, дающих ему преимущество перед другими протоколами, когда речь заходит о построении сетей, включающих глобальные связи. В частности, очень полезным свойством, делающим возможным применение этого протокола в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Действительно, большая составная часть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в сеть с меньшей максимальной длиной может возникнуть необходимость деления пере­даваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека TCP/IP эффективно решает эту задачу.

Другой особенностью технологии TCP/IP является гибкая система адресации, позволяющая проще, чем другие протоколы аналогичного назначения включать в составную сеть сети разных технологий. Это свойство также способствует применению стека TCP/IP для построения больших гетерогенных сетей.

В стеке TCP/IP очень экономно используются широковещательные рассылки. Это свойство совершенно необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.

Однако, как и всегда, за получаемые преимущества надо платить, и платой здесь оказываются высокие требования к ресурсам и сложность администрирования IP-сетей. Мощные функциональные возможности протоколов стека TCP/IP требуют для своей реализации больших вычислительных затрат. Гибкая система адресации и отказ от широковещательных рассылок приводят к наличию в IP-сети разнообразных централизованных служб типа DNS, ARP и т. п. Каждая из этих служб направлена на облегчение администрирования сети, но в то же время сама требует пристального внимания со стороны администраторов

Можно приводить и другие доводы за и против стека протоколов Интернета, однако факт остается фактом — сегодня это самый популярный стек протоколов, широко используемый как в глобальных, так и локальных сетях.

На рисунке 15.7 приведена структура стека TCP/IP. Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели ISO/OS1. то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Рисунок 15.7 – Архитектура стека TCP/IP

В стеке TCP/IP определены 4 уровня.

Прикладной уровень стека TCP/IP соответствует трем верхним уровням модели OSI: прикладному, представления и сеансовому. Он объединяет 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. К ним относятся такие распространенные протоколы, как протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP), протокол эмуляции терминала (telnet), простой протокол передачи электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol, SMTP), протокол передачи гипертекста (HyperText Transfer Protocol, HTTP) и многие другие. Протоколы прикладного уровня развертываются на хостах. В Интернете конечный узел традиционно называют хостом, а маршрутизатор — шлюзом. Транспортный уровень стека TCP/IP может предоставлять вышележащему уров­ню два типа сервиса:

1. Гарантированную доставку обеспечивает протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP);

2. Доставку по возможности, или с максимальными усилиями, обеспечивает про­токол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP).

Для того чтобы обеспечить надежную доставку данных протокол TCP предусматривает установление логического соединения, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае потери организовывать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты, доставлять прикладному уровню пакеты в том порядке, в котором они были отправлены. Этот протокол позволяет объектам на компьютере отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP дает возможность без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байтов в любой другой компьютер, входящий в составную сеть, TCP делит поток байтов на фрагменты и передает их нижележащему уровню межсетевого взаимодействия. После того как эти фрагменты будут доставлены средствами уровня межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байтов.

Второй протокол этого уровня — UDP — является простейшим дейтаграммным протоколом, который используется и том случае, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня — прикладным уровнем или пользовательскими приложениями.

В функции протоколов транспортного уровня TCP и UDP входит также исполнение роли связующего звена между прилегающими к ним прикладным уровнем и уровнем межсетевого взаимодействия. От прикладного протокола транспортный уровень принимает задание на передачу данных с тем или иным качеством, а после выполнения рапортует ему об этом. Нижележащий уровень межсетевого взаимодействия протоколы TCP и UDP рассматривают как своего рода инструмент, не очень надежный, но способный перемещать пакет в свободном и рискованном путешествии по составной сети.

Программные модули, реализующие протоколы TCP и UDP, подобно модулям протоколов прикладного уровня, устанавливаются на хостах.

Сетевой уровень, называемый также уровнем интернета, является стержнем всей архитектуры TCP/IP. Именно этот уровень, функции которого соответствуют сетевому уровню модели OS1, обеспечивает перемещение пакетов в пределах составной сети, образованной объединением множества сетей. Протоколы сетевого уровня поддерживают интерфейс с вышележащим транспортным уровнем, получая от него запросы на передачу данных по составной сети, а также с нижележащим уровнем сетевых интерфейсов, о функциях которого мы расскажем далее.

Основным протоколом сетевого уровня является межсетевой протокол (Internet Protocol, IP). В его задачу входит продвижение пакета между сетями — от одного маршрутизатора до другого до тех пор, пока пакет не попадет и сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней протокол IP развертывается не только на хостах, но и на всех шлюзах. Протокол IP — это дейтаграммный протокол, работающий без установления соединений по принципу доставки с максимальными усилиями.

К сетевому уровню TCP/IP часто относят протоколы, выполняющие вспомогательные функции по отношению к IP. Это, прежде всего, протоколы маршрутизации R1P и OSPF, занимающиеся

Дата добавления: 2013-12-13