Конспект лекций по дисциплине «Сетевые технологии»

Но, в сетевом взаимодействии участвуют как минимум два компьютера, т.е. необходимо смоделировать согласованную работу двух "иерархий". Задача усложняется необходимостью принять множество соглашений между этими узлами. Это соглашения и об уровне и форме электрических сигналов, способе определения длины информации, методах контроля ее достоверности. Другими словами, правила должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого - уровня передачи битов информации - до самого высокого, реализующего сервис пользователя сети.

Наибольшее распространение получила  эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), разработанная в 80-х годах Международной Организацией по Стандартам (International Organization for Standardization - ISO). Следует заметить, что и на нынешний момент все, что касается сетевого взаимодействия, прямо или косвенно использует только эту модель.

 

3.2. Эталонная многоуровневая модель OSI

 

В модели OSI средства сетевого взаимодействия делятся на семь уровней, для которых определены стандартные названия и функции. Модель OSI не является вещью, которую можно потрогать. Она представляет собой архитектурный каркас и самые общие рекомендации для сетевых коммуникаций.

Термин открытая система - означает система не замкнута в себе и может наращиваться до бесконечности. В ней нет никакой привязки к конкретной аппаратуре либо программному обеспечению. OSI – абстрактная система.

В широком смысле открытой системой может быть названа любая систем (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), предоставляющая или потребляющая сетевые ресурсы, которая построена в соответствии с открытыми спецификациями. Под термином "спецификация" в вычислительной технике понимают описание аппаратных или программных компонентов: способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик.

Под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом, "открыты" лишь некоторые части, поддерживающие внешние интерфейсы. Например, открытость семейства операционных систем Unix заключается, кроме всего прочего, в наличии стандартизованного программного интерфейса между ядром и приложениями, что позволяет легко переносить приложения из среды одной версии Unix в среду другой версии. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем борее открытой она является.

В модели OSI под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.

Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это 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 сети развиваться с минимальными затратами;
• возможность легкого объединять одну сеть с другой;
• простота освоения и обслуживания сети.

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. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста. Поэтому в этом разделе дано краткое описание сути модели.

В модели OSI средства взаимодействия делят на семь уровней.

7-й - прикладной (Application),

6-й - представительный (Presentation),

5-й - сеансовый (Session),

4-й - транспортный (Transport),

3-й - сетевой (Network),

2-й - канальный (Data Link)

1 -й - физический (Physical)

Каждый уровень имеет дело с одним определенной стороной взаимодействия сетевых устройств. Модель OSI описывает взаимодействие двух сетевых компьютеров. Передача данных от одного компьютера к другому начинается с седьмого уровня; данные передаются с уровня на уровень. При приеме данные передаются вверх от первого уровня. Два компьютера устанавливают сетевое взаимодействие тогда, когда их программное обеспечение соответствующего уровня модели OSI может взаимодействовать между собой.

При  сетевом взаимодействии вышестоящие уровни выполняют более сложные глобальные задачи. Нижестоящие уровни выполняют более простые и более конкретные функции. Каждый уровень взаимодействует только с теми уровнями, которые находятся выше и ниже его через некоторые точки входа – интерфейс. Каждый уровень работает с абонентом так, как будто он имеет прямую и непосредственную связь с соответствующим уровнем другого абонента, т.е. между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная связь, регламентируемая некоторыми протоколами

 

Рис. 3.3 Модель взаимодействия открытых систем

 

3.3 Взаимодействие между уровнями OSI

Основу модели OSI составляет концепция многоуровневой организации протоколов. Особенностью модели взаимодействия открытых систем является разработка и использование единого подхода к организации протоколов и интерфейсов различных уровней. В соответствии с данной концепцией каждому уровню ставится в соответствие набор определенных функций, связанных с решением конкретной задачи по организации взаимодействия открытых систем. Нумерация уровней осуществляется относительно физических средств соединения, т.е. первый уровень присваивается физическому уровню, а наибольший - прикладному (пользовательскому) уровню. Каждый уровень с меньшим номером считается вспомогательным для смежного с ним более высокого уровня и предоставляет ему определенный набор услуг, называемый сервисом. Эталонная модель не определяет средства реализации протоколов, а только специфицирует их. Т.е. каждый уровень может быть реализован различными аппаратными и программными средствами. Основным условием при этом является то, что взаимодействие между любыми смежными уровнями должно быть четко определенным, т.е осуществляться через точки доступа посредством стандартного межуровневого интерфейса. Точка доступа является портом, в котором объект N-го уровня предоставляет услуги N+1 уровню. Это условие определяет возможность изменения протоколов отдельных уровней без изменения системы в целом. В случае программной реализации межуровневого интерфейса в качестве портов выступают адреса, по которым заносятся межуровневые сообщения.

Средства каждого уровня обрабатывает протокол своего уровня и интерфейсы соседних уровней. Набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия в сети называется стеком коммуникационных протоколов.

   Структурной  единицей информации, передаваемой между уровнями,  является протокольный блок данных.

Блоки информации, передаваемые между уровнями, имеют стандартный формат:  заголовок,  данные, концевик.

Заголовок и концевик называются обрамлением сообщения (данных) и содержат информацию необходимую для обработки сообщений на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя и получателя, наименование канала, порта и т.д.

 Каждый  уровень при передаче блока  информации нижележащему уровню  снабжает его своими заголовками и концевиками.

Рис 3. 4. Структура сообщений на разных уровнях

 

При получении блока информации от нижележащего уровня заголовки и другая служебная информация текущего уровня отбрасываются. Данные обрабатываются, например, дешифруются.

Например, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, скажем к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение, состоящее из заголовка и поля данных, (возможно и концевика). Некоторые средства уровней помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого "концевика". Заголовок содержит служебную информацию (в нашем примере - информацию о месте нахождения файла и о том, что с ним нужно сделать). Эту информацию необходимо передать через сеть прикладному уровню компьютера-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу следует выполнить. Поле данных сообщения может быть или пустым или содержать какие-либо данные, например, какие-то данные, которые нужно записать в удаленный файл.

Прикладной уровень направляет сформированное сообщение (протокольный блок данных) вниз к представительному уровню. Программные средства представительного уровня читают заголовок (концевик) полученной информации из прикладного уровня, выполняют требуемые действия, потом добавляют к сообщению собственную служебную информацию - заголовок (концевик) представительного уровня. В заголовке представительного уровня содержатся указания для представительного уровня компьютера-адресата.

Далее сформированное таким образом сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т.д.

Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи компьютеру-адресату. К этому моменту сообщение "обрастает" заголовками (концевиками) всех уровней.

Сообщение по сети поступает к компьютеру-адресату. Оно принимается его физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню. В итоге, удаленный компьютер-адресат выполняет какие-то действия, которые были указаны в полученном сообщении, и посылает ответ-результат, и теперь он уже не компьютер-адресат, а компьютер-отправитель и так далее...

Осталось уточнить термины. Термин сообщение (message) имеет много синонимов, которые применяют сетевые специалисты в документации, в описании работы и т.п. для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определенных уровней часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).Эти термины используют при описании работы отдельного уровня модели OSI.

 

3.4. Функции уровней модели OSI

Рассмотрим основные функции уровней модели OSI.

3.4.1 Физический уровень

Физический (Physical) уровень занимается в буквальном значении этого слова - передачей данных по проводам. На этом уровне модели OSI определяются такие характеристики сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические топологии сети, способы передачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов), виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи. Этот уровень предполагает наличие некоторых знаний основ передачи данных.

Физический уровень передает биты по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. На этом уровне определяющими являются такие характеристики физических сред передачи данных, как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др, а также характеристики электрических сигналов, передающих информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов.

С физическим уровнем обычно ассоциируется подключение такого сетевого оборудования как:

• концентраторы и повторители, которые регенерируют электрические сигналы;
• соединительные разъемы среды передачи, обеспечивающие механический интерфейс для связи устройства со средой передачи;
• модемы и различные преобразующие устройства, выполняющие цифровые и аналоговые преобразования.

Этот уровень модели определяет физические топологии в сети, которые строятся с использованием базового набора стандартных топологий (См лекцию 2). Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

 

3.4.2 Канальный  уровень

Канальный (Data Link) уровень в общем виде выполняет следующие функции: проверяет доступность среды передачи и реализует механизмы обнаружения и коррекции ошибок.

Эти проблемы возникают потому, что на физическом уровне просто пересылаются биты, и не учитывается, кто передает информацию, кому ее нужно передать, когда, и занят ли канал связи или свободен и т.д.

Для работы на канальном уровне биты группируются в наборы. Эти наборы называются кадрами (frame). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра. Для этого канальный уровень используется метод подсчета контрольной суммы.

Итак, если на физическом уровне единица информации - биты, то на канальном уровне - кадры.

Специальная последовательность бит помещается в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляется контрольная сумма, все байты обрабатываются определенным способом, и добавляется контрольная сумма к кадру. В таком виде кадр приходит по сети к получателю, он снова вычисляет контрольную сумму полученных данных, сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, то кадр правильный и получатель его принимает. Если же контрольные суммы не совпадают, то о дальнейшей его обработке никакой речи и быть не может - фиксируется ошибка передачи. Вот таким способом обеспечивается контроль на правильность каждого кадра информации, но кроме этого канальный уровень может исправлять эти ошибки за счет повторной передачи кадров. Но надо оговорить, что в принципе исправление ошибок - это не обязательная функция канального уровня.

Если физический уровень определяет физическую структуру сети, то канальный уровень определяет логическую топологию этой же сети. Определяет правила получения доступа к среде передачи данных, решает вопросы, связанные с адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением передачей информации (синхронизация передачи и сервис соединений) между сетевыми устройствами.

Таким образом, канальный уровень определяет:

• правила организации битов физического уровня (двоичные единицы и нули) в логические группы информации, называемые кадрами или фреймами (frame).
• правила обнаружения (и иногда исправления) ошибок при передаче;
• правила управления потоками данных (для устройств, работающих на этом уровне модели OSI, например, мостов);
• правила идентификации компьютеров в сети по их физическим адресам.