Модель OSI. Введение в протоколы и архитектуру сетей. Модель OSI и протоколы. Модели Ethernet, TokenRing, FDDI и их протоколы. Модель X.25 и Frame Relay и их прото

Лекция 3. Модель OSI. Введение в протоколы и архитектуру сетей. Модель OSI и протоколы. Модели Ethernet, TokenRing, FDDI и их протоколы. Модель X.25 и  Frame Relay и их протоколы. Протоколы ISDN, ATM,  SONET,  SDH,  INTERNET.

 

3.1. Теоретическая модель цифровой связи

 

Для определения задач, поставленных перед сложным объектом (цифровой сетью связи), а также для выделения главных характеристик и параметров, которыми она должна обладать, создаются общие модели цифровых сетей. В целях борьбы со сложностью сеть, как правило, организована в виде иерархии слоев или уровней. В разных сетях число уровней, их название, содержание и функции могут быть разными. Однако, во всех сетях назначение каждого уровня одно и тоже:

• обеспечить определенный сервис верхним уровням;
• сделать независимыми эти верхние уровни от деталей реализаций сервиса на нижнем уровне.

Для упорядочения разработки архитектуры сети и обеспечения возможности взаимодействия любых цифровых систем Международная Организация по Стандартизации (International Standart Organization – ISO) разработала Эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System interconnection – OSI) в начале 80-х годов.

В OSI цифровая сеть рассматривается как совокупность функций, которые делятся на группы, называемые уровнями. Это позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники.

Модель OSI как единый комплекс стандартов является основой для взаимной совместимости оборудования и программ различных поставщиков.

Телекоммуникационные технологии в архитектуре OSI обычно охватывают 4 нижних уровня, где формируются функции:

• Связи,
• формирования блоков/кадров/пакетов,
• защита от ошибок,
• мультиплексирование соединений.

Главное достоинство семиуровневой модели OSI упрощение процесса модернизации системы.

Изменение одного уровня не влечет за собой изменение другого уровня, т.е. существует независимость уровней друг от друга.

Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре (адаптеры, мультиплексоры, сетевые платы и др.).

Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей - драйверов.

 

Критерии открытости сетевых технологий:

1. Уровень стандартизации
2. Доступность
3. Фактическое использование
4. Зрелость
5. Переносимость программ
6. Взаимодействие
7. Мобильность

Таблица 1. Оценка сетевых технологий

Сетевая технология	1	2	3	4	5	6	7
Internet	++	++	++	++	++	++	++
ATM	++	++	+	++	+	+	+
SDH	++	++	++	++	+	+	+
DWDM	+-	+	+	+	+	+	+
Ethernet	++	++	++	++	++	++	++
Gigabit Ethernet	+	-	-	+	++	++	++
Optical Ethernet	-	-	-	+	++	++	++

++ высокая оценка, + средняя, - низкая

 

Рис. 1. Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем Open systems interconnection.

 

7-й уровень - прикладной (Application): включает средства управления прикладными процессами конечных пользователей. Эти процессы могут объединяться для выполнения поставленных заданий, обмениваться между собой данными. Другими словами, на этом уровне определяются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети.

6-й уровень - представительный (Presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование).  Этот уровень имеет дело с информацией, а не с потоком битов.  Он гарантирует представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе. Например, согласует формы представления информации (изображение, текст). Чтобы машины с разной кодировкой  (ASCII, Unicode) могли взаимодействовать, структуры данных определяются специальным абстрактным способом, не зависящим от кодировки, используемой при передаче. 6-ой уровень преобразует структуры данных в абстрактной форме во внутреннюю для конкретной машины и из внутреннего, машинного представления в стандартное представление для передачи по сети.

5-й уровень - сеансовый (Session): обеспечивает организацию сеансов связи на период взаимодействия сетевых узлов. На этом уровне по запросам в сети создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения – логические каналы.

4-й уровень - транспортный (Transport): предназначен для управления логическими каналами в сети передачи данных. Основная функция транспортного уровня это: принять данные с предыдущего уровня, разделить, если надо, на более мелкие единицы, передать на сетевой уровень и позаботиться, чтобы все они дошли в целостности до адресата. На этом уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (чаще всего точка-точка). К функциям транспортного уровня относятся мультиплексирование и демультиплексирование (сборка-разборка пакетов), обнаружение и устранение ошибок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (например, заказанной скорости и надежности передачи).

3-й уровень - сетевой (Network): обеспечивает передачу сообщений через магистральную сеть. Основной проблемой здесь является как маршрутизировать пакеты от отправителя к получателю. На этом уровне происходит формирование пакетов по правилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет, и маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Этот уровень отвечает за маршрутизацию пакетов в сети и за связи между сетями. Маршруты могут быть определены заранее и прописаны в статической таблице, могут определяться в момент установления соединения, могут строиться динамически в зависимости от загрузки сети.

Важной функцией сетевого уровня является контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок. Если в подсети циркулирует слишком много пакетов, то они могут использовать одни и те же маршруты, что приведет к заторам. За использование подсети предполагается оплата, поэтому имеются функции учета: как много байт, символов послал или получил абонент сети.

2-й уровень - канальный (Link, уровень звена данных): Основная задача - превратить несовершенную среду передачи в надежный канал, свободный от ошибок передачи. Эта задача решается разбиением данных отправителя на кадры (фреймы) (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч байтов), передачей фреймов последовательно и обработкой фреймов уведомления, поступающих от получателя. Задача определения границы кадра решается введением специальной последовательности битов, которая добавляется в начало и в конец кадра и всегда интерпретируется как его границы.

Помехи на линии могут разрушить кадр. В этом случае он должен быть передан повторно. Он будет повторен также и в том случае если будет потерян. На канальном уровне решаются вопросы: как бороться с дубликатами кадра, потерями или искажениями кадров.

1-й уровень - физический (Physical): отвечает за передачу последовательности битов через канал связи, предоставляет механические, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через физические среды. На физическом уровне осуществляются представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразования формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.

Рис. 2. Пример обработки сообщения по уровням модели OSI

 

Каждый уровень добавляет к данным свой заголовок - служебную информацию, которая необходима для адресации сообщений и для некоторых контрольных функций.

Канальный уровень кроме заголовка добавляет в конец контрольную последовательность, которая используется для проверки правильности приема сообщения в цифровой сети. Физический уровень никаких заголовков не добавляет.

Сообщение, обрамленное заголовками и контрольной последовательностью, поступает в сеть и передается получателю. На принимающей стороне дешифруется адрес и определяет, кому предназначено это сообщение. При приеме происходит обратный процесс - чтение и отсечение заголовков уровнями модели OSI. Каждый уровень реагирует только на свой заголовок.

 

Таблица 2. Основные свойства уровней модели OSI

Уровни	Назначение	Вид данных для передачи	Протоколы
7	Сетевой сервис с разделением ресурсов	Сообщение	SNMP, CMIP
6	Форматирование и трансляция данных	Пакет	FTP
5	Управление взаимодействием узлов сети	Пакет
4	Гарантированная доставка сообщения	Сегмент, дайтаграмма, кадр, пакет	TCP, UDP
3	Маршрутизация сообщений	Дайтаграмма	IP, ATM, ISDN, X.25
2	Формирование и передача кадров	Кадр, пакет	ATM, Frame Relay, FDDI, X.25, PPP
1	Передача битов информации	Биты	E0, E1, STM-N (n=1,4,16…)

 

Функции уровней модели OSI делятся на 2 группы:

• Зависящие от структуры и аппаратной реализации сети (1,2,3)
• Ориентированные на работу приложений и не зависящие от особенностей построения сети (5,6,7)

Телекоммуникационные устройства работают на 1,2,3 УРОВНЯХ и иногда захватывают транспортный уровень.

 

3.2. Сетевые протоколы и стандарты

 

Протокол обмена сообщениями – формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений на данном уровне.

Различают 2 вида протоколов:

• с установлением соединения,
• без предварительного установления соединения (дайтаграммные протоколы)

Стек коммуникационных протоколов – иерархически организованная совокупность протоколов.

Интерфейс – определяет набор и формат услуг, который может предоставлять нижележащий уровень вышележащему, т.е. Это правила, определяющие взаимодействие уровней друг с другом.