Сетевые службы модель взаимодействия открытых систем. Модель Взаимодействия Открытых Систем

Сетевая модель OSI (англ.open systems interconnection basic reference model - базовая эталонная модельвзаимодействия открытых систем) -сетевая модельстекасетевых протоколовOSI/ISO.

В связи с затянувшейся разработкой протоколов OSI, в настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, он был разработан ещё до принятия модели OSI и вне связи с ней.

Модель OSI
Тип данных	Уровень (layer)	Функции
	7. Прикладной (application)	Доступ к сетевым службам
	6. Представительский (presentation)	Представление и шифрование данных
	5. Сеансовый (session)	Управление сеансом связи
Сегменты / Дейтаграммы	4. Транспортный (transport)	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
	3. Сетевой (network)	Определение маршрута и логическая адресация
	2. Канальный (data link)	Физическая адресация
	1. Физический (physical)	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

Уровни модели osi

В литературе наиболее часто принято начинать описание уровней модели OSI с 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем - физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.),

тип модуляции сигнала,

сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже - вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню с некоторой долей условности соответствует свой операнд - логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица - бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом - в пакеты (датаграммы), на транспортном - в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи - кадр, пакет, датаграмма - считается сообщением. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней.

К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (уровень приложений) - верхний уровень модели, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

позволяет приложениям использовать сетевые службы:

• удалённый доступ к файлам и базам данных,

  пересылка электронной почты;

отвечает за передачу служебной информации;

предоставляет приложениям информацию об ошибках;

формирует запросы к уровню представления.

Протоколы прикладного уровня: RDP HTTP (HyperText Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), SNMP (Simple Network Management Protocol), POP3 (Post Office Protocol Version 3), FTP (File Transfer Protocol), XMPP, OSCAR,Modbus, SIP,TELNETи другие.

Представительский уровень

Представительский уровень (уровень представления; англ.presentation layer ) обеспечивает преобразование протоколов и шифрование/дешифрование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений. 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 представлений 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 бытьмейнфреймкомпанииIBM, а другая - американский стандартный код обмена информациейASCII(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 на уровне представлений, должны выполнить преобразование данных.

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. Другим форматом представлений является тэгированный формат файлов изображенийTIFF, который обычно используется для растровых изображений с высокимразрешением. Следующим стандартом уровня представлений, который может использоваться для графических изображений, является стандартJPEG.

Существует другая группа стандартов уровня представлений, которая определяет представление звука и кинофрагментов. Сюда входят интерфейс электронных музыкальных инструментов (MIDI) для цифрового представления музыки, разработанный Экспертной группой по кинематографии стандартMPEG.

Протоколы уровня представления: AFP - Apple Filing Protocol, ICA -Independent Computing Architecture, LPP - Lightweight Presentation Protocol, NCP -NetWare Core Protocol, NDR -Network Data Representation, XDR -eXternal Data Representation, X.25 PAD -Packet Assembler/Disassembler Protocol.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (англ.session layer ) модели обеспечивает 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.

Протоколы сеансового уровня: ADSP, ASP, H.245, ISO-SP (OSI Session Layer Protocol (X.225, ISO 8327)), iSNS, L2F, L2TP, NetBIOS, PAP (Password Authentication Protocol), PPTP, RPC, RTCP, SMPP, SCP (Session Control Protocol), ZIP (Zone Information Protocol), SDP (Sockets Direct Protocol)..

Транспортный уровень

Транспортный уровень (англ.transport layer ) модели предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю. При этом уровень надёжности может варьироваться в широких пределах. 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. Например, UDPограничивается контролем целостности данных в рамках одной датаграммы и не исключает возможности потери пакета целиком или дублирования пакетов, нарушения порядка получения пакетов данных;TCPобеспечивает надёжную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и, наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

Протоколы транспортного уровня: ATP, CUDP, DCCP, FCP, IL, NBF, NCP, RTP, SCTP, SPX, SST, TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сетевой уровень

Сетевой уровень (англ.network layer ) модели 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.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства (маршрутизаторы) условно называют устройствами третьего уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX, X.25, CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколы маршрутизации - RIP, OSPF.

Канальный уровень

Канальный уровень (англ.data link layer ) предназначен для обеспечения взаимодействия сетей по физическому уровню и контролем над ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.

Спецификация IEEE 802разделяет этот уровень на два подуровня:MAC(англ.media access control ) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC(англ.logical link control ) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают коммутаторы,мостыи другие устройства. Эти устройства используют адресацию второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы канального уровня- ARCnet,ATMEthernet,Ethernet Automatic Protection Switching(EAPS),IEEE 802.2,IEEE 802.11wireless LAN,LocalTalk, (MPLS),Point-to-Point Protocol(PPP),Point-to-Point Protocol over Ethernet(PPPoE),StarLan,Token ring,Unidirectional Link Detection(UDLD),x.25.

Физический уровень

Физический уровень (англ.physical layer ) - нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства (компьютера) к другому. Осуществляют 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.

На этом уровне также работают концентраторы,повторителисигнала имедиаконвертеры.

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 виды сред передачи данных как оптоволокно,витая пара,коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются:V.35,RS-232,RS-485, RJ-11,RJ-45, разъемыAUIиBNC.

Протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth),IRDA,EIARS-232,EIA-422,EIA-423,RS-449,RS-485,DSL,ISDN,SONET/SDH,802.11Wi-Fi,Etherloop,GSMUm radio interface,ITUиITU-T,TransferJet,ARINC 818,G.hn/G.9960.

Семейство TCP/IP

Семейство TCP/IPимеет три транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий OSI, обеспечивающий проверку получения данных;UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмендатаграммамимежду приложениями, не гарантирующий получения данных; иSCTP, разработанный для устранения некоторых недостатков TCP, в который добавлены некоторые новшества. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является служебный протоколICMP, используемый для внутренних нужд обеспечения работы; остальные также не являются транспортными протоколами).

Семейство IPX/SPX

В семействе IPX/SPXпорты (называемые сокетами или гнёздами) появляются в протоколе сетевого уровня IPX, обеспечивая обмендатаграммамимежду приложениями (операционная система резервирует часть сокетов для себя). Протокол SPX, в свою очередь, дополняет IPX всеми остальными возможностями транспортного уровня в полном соответствии с OSI.

В качестве адреса хоста IPX использует идентификатор, образованный из четырёхбайтного номера сети (назначаемого маршрутизаторами) и MAC-адреса сетевого адаптера.

Модель TCP/IP (5 уровней)

Прикладной (5) уровень (Application Layer) или уровень приложений обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например, программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет всеми остальными уровнями. Например, если пользователь работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своей директории на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает перемещение файла с рабочего компьютера на сетевой диск прозрачно для пользователя.

Транспортный (4) уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, а также в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка на блоки передаваемых данных, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Доставка пакетов возможна как с установлением соединения (виртуального канала), так и без. Транспортный уровень является пограничным и связующим между верхними тремя, сильно зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, сильно привязанными к конкретной сети.

Сетевой (3) уровень (Network Layer) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен (логических адресов, например, IP-адресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно). На этом же уровне решается задача выбора маршрута (пути), по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов). На сетевом уровне действуют такие сложные промежуточные сетевые устройства, как маршрутизаторы.

Канальный (2) уровень или уровень управления линией передачи (Data link Layer) отвечает за формирование пакетов (кадров) стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи путем подсчета контрольных сумм, и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов. Канальный уровень делится на два подуровня: верхний LLC и нижний MAC. На канальном уровне работают такие промежуточные сетевые устройства, как, например, коммутаторы.

Физический (1) уровень (Physical Layer) – это самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в используемой среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д. На физическом уровне работают такие сетевые устройства, как трансиверы, репитеры и репитерные концентраторы.

Архитектура открытых систем

Термин «архитектура связи» подразумевает, что отдельные подзадачи сети выполняются различными архитектурными элементами, между которыми устанавливаются пути передачи информации (каналы связи и интерфейсы). Способ, с помощью которого сообщение обрабатывается структурными элементами и передаются по сети, называется сетевым протоколом . Проблемы совмещения и стыковки различных элементов ВС привели Международную организацию стандартизации (ISO - International Organization for Standards) к созданию модели архитектуры вычислительной сети, которая называется моделью взаимодействия открытых систем 1977 г. (ВОС/OSI).

Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем

Цель разработки этой модели заключалась в определении логических ограничений для сетевых стандартов, приемлемых для всех изготовителей, что позволило бы им создавать уникальные и конкурентоспособные изделия, которые тем не менее стыковались с изделиями других изготовителей. Модель OSI является обобщенной и применима как к глобальным, так и к локальным ВС.

В модели используется подход уровневой архитектуры, в которой все функции сети разделены на уровни таким образом, что вышележащие уровни используют услуги, предоставленные нижележащими уровнями. Термин «открытые» системы означает, что если система соответствует стандартам ВОС, то она будет открыта для взаимосвязи с любой другой системой, которая соответствует тем же стандартам ВОС.

Услуги каждого уровня ВОС определяют в абстрактном виде интерфейс между двумя смежными уровнями, не задавая при этом способа его реанимации. Услуги уровня определяют его функциональные возможности. Запрос услуг и оповещение о результатах их выполнения происходит путем обмена примитивами - элементарными абстрактными единицами взаимодействия между П. и исполнителем (И) услуг. Определено 4 типа примитивов:

Запрос - выдается П. для инициации услуги;

Индикация - выдается И. Для указания на то, что удаленный П. инициировал выполнение услуги;

Ответ - выдается П. как реакция на примитив индикация;

Подтверждение - выдается И. Для сообщения о результатах выполнения услуги.

Протоколы определяют логику взаимодействия удаленных логических объектов одного уровня. При этом задается формат и кодирование протокольных блоков данных (ПБД), с помощью которых осуществляется такое взаимодействие - интерпретация запросов на услуги от верхнего уровня и правила пользования услугами нижележащего уровня.

Модель OSI - это набор протоколов для определения и стандартизации всего процесса передачи данных, разработанного Международной организацией стандартизации (ISO).

Процесс передачи данных делится на 7 уровней, в пределах которых устанавливаются стандартные протоколы, разработанные ISO и некоторыми фирмами, причем количество этих протоколов велико.

Модель OSI не является единственным описанием процесса передачи данных, а говорит, что

1) есть способ разбиения процесса передачи данных на уровни и существуют определенные протоколы, которые можно применять на любые уровни.

2) любой последовательный уровень модели OSI взаимодействует с предыдущим.

3) любой уровень обладает свойством модульности: замена одного протокола другим в рамках уровня не влияет на работу протоколов верхнего или нижнего уровня.

Взаимосвязь между узлами сети:

уровни	Оконечная система 1	Протоколы уровней	Оконечная система 2	Основные функции уровней
	Прикладной процесс		Прикладной процесс
Прикладной (SMTP, FTP, TELM)				Службы пользователей, сетевые службы и т.д.
Представительный				Преобразование структурированных данных и манипулирование ими.
Сеансовый (BIOS)				Установление соединений, координация и синхронизация диалога.
Транспортный (TCP/IP)				Обеспечение независящего от передающей среды транспортного сервиса между оконечными системами.
Сетевой (X.25)				Коммутация и маршрутизация в сети.
Канальный (HDLC, SDLC, X.25)				Управление передачей данных по каналу. Контроль ошибок, возникающий из-за физической среды передачи.
Физический (IEEE 802.3, 802.4, 802.5)				Предоставление средств для управления физическими соединениями в канале.
Физическая среда для соединения систем

Уровни OSI реализуют следующие сетевые функции:

1. Физический уровень . Обеспечивает физический путь для электрических сигналов, представляющих биты переданной информации. Он также устанавливает характеристики этих сигналов (например, значения напряжения и тока). Он определяет механизм свойства кабелей и разъемов. Физический уровень представляет средства, позволяющие подсоединяться к физической предающей среде и управлять ее использованием. Это единственное реальное взаимосвязь между узлами сети.

Надо заметить, что физическая среда как таковая не входит в эталонную модель, хотя очень важна для ее реализации. Это каналы связи, модемы, канальное оборудование (мультиплексоры, ЭВМ, контроллеры, терминалы и т.д.), совокупность кабелей, повторителей сигналов.

1. Канальный уровень . Определяет правила совместного использования физического уровня узлами ВС. Информация передается адресованными порциями (кадрами) - по одному кадру в единицу времени. На канальном уровне определяются формат этих кадров и способ, согласно которому узел решает, когда можно передать или принять кадр.

Используется 2 основных типа кадров: пакеты и управляющие кадры.

Пакеты - кадры данных, которые содержат сообщения верхних уровней.

Управляющие кадры - маркеры, подтверждения.

Методы обнаружения и коррекции ошибок обеспечивают безошибочное прохождение пакетов от узлов источников к узлам назначения.

С точки зрения верхних уровней канального и физического уровней обеспечивают безопасную передачу пакетов данных.

1. Сетевой уровень. Отвечает за буферизацию и маршрутизацию в сети.

Реализует функции связи между 2-мя отдельными сетями. Преобразование логических адресов в физические.

4. Транспортный уровень . С передающей стороны делит длинные сообщения на пакеты данных. С принимающей стороны - должен правильно собрать сообщения из набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровень.

5. Сеансовый уровень . Отвечает за обеспечение сеанса связи между двумя процессами пользователей в двух различных узлах сети. Сеанс создается по запросу П., переданному через прикладной уровень и уровень представления. Сеансовый уровень отвечает за определение возможности начала сеанса, за его поддержание и окончание. Устанавливает соглашения относительно формы обмена.

6. Уровень представления . Является самым простым с точки зрения взаимосвязи. Его функция заключается в преобразовании сообщений П. из формы, используемой прикладным уровнем, в форму, используемую более низкими уровнями. Целью преобразования сообщения (кодирования) является сжатие данных и их защита. Гарантирует, что данные, которыми обмениваются устройства, поступают на прикладной уровень или к устройствам П. в понятном для них виде. Это позволяет использовать в различных комплектах оборудования различные форматы данных без ущерба для взаимопонимания.

7. Прикладной уровень. Является границей между процессами сети OSI и прикладными (пользовательскими) процессами. Непосредственно поддерживает обмен информацией между пользователями, прикладными программами или устройствами. На этом уровне требуется несколько типов протоколов:

1) для конкретных специфичных приложений (передачи файлов, электронная почта)

2) общие протоколы для поддержки пользователей и сети (например, для вычислений, управления доступом, проверки полномочий пользователей)

Прикладной уровень дает определить адресата, сформировать запрос и послать его через сеть, передать и получить запрошенные данные, сделать их доступными для запрашивающего процесса.

Отдельные уровни могут быть совмещены или отсутствовать.

Реальная связь: физический уровень физический уровень

Информация проходит от прикладного уровня к физическому в узле источника и от физического к прикладному в узле назначения.

Между процессами на одинаковых уровнях существуют виртуальные связи

Необходимо еще пояснить некоторые понятия, относящиеся к эталонной модели OSI:

· упаковка

· фрагментация

Структура сообщений

Многоуровневая организация управления процессами в сети пораждает необходимость модификации на любом уровне передаваемых сообщений.

Схема модификации сообщений

Упаковка

Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится следующая информация:

1. указатели типа сообщений

2. адреса отправителя, получателя, канала, порта

3. код обнаружения ошибок

Каждый уровень оперирует с собственными З и К, а находящаяся между ними информация рассматривается как данные более высокого уровня. Засчет этого обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений.

Фрагментация

Дает возможность разделить сообщение на меньшие части, которые затем обрабатываются и предаются независимо. На принимающем конце эти части должны быть собраны для воссоздания в форме исходного сообщения.

(транспортый уровень - разбивка/сборка пакетов)

Использование небольших пакетов данных упрощает разработку протоколов нижних уровней.

В принципе не имеет значения, реализуется уровень аппаратным или программным способом (никаких требований OSI - модель не формирует) - лишь бы выполнялись функции, а формы соответствовали межуровневым интерфейсам.

Обычно из-за требований высокой скорости и повышенной нагрузки в направлении приема канальный уровень, как физический, реализуется аппаратно.

Более высокие уровни обычно реализуцется как процессы, принадлежащие ОС или активизируемые ОС.

(см. рис.)

Прикладной процесс в системе А (ур. 7) формирует сообщение прикладному процессу в системе В в соответствии с логикой взаимодействия этих двух прикладных процессов (но без учета организациии сети). Физически сообщения, формируемые процессом А, проходят последовательно через уровни 6,5,…,1, подвергаясь процедурам последовательного обрамления, предаются по каналу связи и затем через уровни 1,2,…,6, на которых с сообщений снимаются обрамления, поступают к процессу В. каждый уровень работает со своим заголовком и концевиком. Все, что между ними - рассматривается соответствующим уровнем как данные.

В заголовки помещаются команды для вызова функций в соответствующих уровнях другого узла связи:

Уровень N+1 вызывает функцию для формирования в передающем узле поле контроля последовательности.

Уровень N+1 принимающего узла производит проверку наличия ошибок при передаче на основе сравнения контрольного поля со значением счетчика приема.

Сервисная функция уровня N добавляет поле контроля последовательности в виде заголовка, который будет использоваться в принимающем N уровне для контроля ошибок.

На уровне N-1 производится сжатие данных. В принимающем узле эта функция (заголовок) используется как команда преобразования к исходнуму виду.

Заголовок - это управляющая информация протокола .

Концевик - управляющая информация интерфейса , кторый используется только между смежными уровнями одного и того же узла. Он содержит команды, которые должны быть выполнены нижележащим уровне. Например, это может быть команда обеспечить ускоренное прохождение через уровень, т.е. выполнить операции мультиплексирования на нижних уровнях.

При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики.

Логическая характеристика протокола - это структура (формат) и содеоржание (семантика) сообщений. Логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называется процедурной характеристикой протокола . Процедурная характеристика может представляться в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

Таким образом, логика организации сети определяется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки - реакцию на входящие сообщения и генерацию собственных сообщений.

Заключение

Протоколы, стандарты и интерфейсы нижних уровней относительно стабильны и отработаны. Они формируют устойчивую основу, на которой строятся верхние уровни.

Многие же протоколы высоких уровней находятся в различных стадиях разработки (хотя некоторые уже утверждены).

Завершить полностью разработку всех элементов верхних уровней вряд ли возможно из-за количества и разнообразия прикладных областей.

Общие положения. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС, модель OSI Open System s Interconnection) была разработана Международной орга­низацией по стандартизации (МОС, OSI) и принята в виде стандарта в 1983 г. Она поддержана Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ), ныне Международным союзом электросвязи, секция Телекоммуникаций (МСЭ-Т, ITU-T) Рекомендаци­ей Х. 200. Эта модель является основополагающей при рассмотрении любых вопросов, связанных с проектированием, строительством и эксп­луатацией систем связи. Она следует принципам АОС и имеет уровневую структуру.

Количество уровней может быть, в общем случае, произвольным. Од­нако при малом их числе дискредитируется идея упрощения понимания действия системы, а при их большом числе возникает потребность в большом количестве правил стыковки отдельных подсистем.

Стандартом № 7498 предусмотрена семиуровневая организация от­крытых систем. Каждый уровень имеет свое название и номер от У1 до У7 , изменяющийся снизу вверх (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Семиуровневая организация от­крытых систем

Международное и российскоенаи­менование уровней и принятые сокращения приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Классификация уровней открытых систем

Номер уровня	Международное наименование уровня	Сокращение	Российское наименование уровня	Сокращение
			Прикладной
			Представительный
			Сеансовый
			Транспортный
			Канальный
			Физический

При взаимодействии прикладных процессов между собой с использо­ванием открытых систем работа происходит посредством обмена спе­циальными командами в определенной последовательности, составляющими основу соответствующих уровневых протоколов.

Каждую открытую систему можно структурировать по некоторым при­знакам (рис. 1.14). С одной стороны, условно все уровни можно разбить на две группы: уровни сети связи (У1 –У4) и уровни пользователя (У5 –У7) .Первой группой уровней обеспечивается передача сообщений средства­ми электрической связи по сети. Вторая группа уровней составляет ин­формационное обеспечение передачи (приема) сообщений с точки зре­ния их содержания, формы и моментов представления.

Рис. 1.14. Структурирование открытой системы

С другой стороны, на двух верхних уровнях (У7, У6) происходят процессы подготовки сообщений к передаче (информационные про­цедуры), на двух последующих (У5, У4) - формирование процес­са передачи и "вхождение" сообщения в сеть связи (транспортные процедуры), а на трех нижних (У3, У2, У1) - выбор маршрута передачи,преобразование сообщений в электрические сигналы и обратно, контроль правильности передачи (сетевые процедуры).

Стандартизация ЭМ ВОС предусматривает три основных шага: независимость существования и развития уровней; определение функций (процедур) каждого уровня, определение порядка взаимодействия уровней внутри ОС и между ВС. Каждый из этих шагов предусматривает некоторые базовые понятия и определения.

К первому шагу относятся следующие понятия:

– система – совокупность технических, алгоритмических и программных средств, обеспечи­вающая возможность взаимодействия пользователей между собой через сеть связи;

– подсистема – часть системы, выполняющая определенные функции в общей стратегии работы всей системы;

– уровень – логическое понятие, определяющее порядок следования подсистем в системе.

Эти понятия определяют архитектуру ЭМ ВОС, утверждая основ­ной ее принцип – раздельность и независимость уровней. Это яркий пример использования принципа декомпозиции для упрощения понимания работы сложных систем.

Каждому из уровней присущи специфические функции, определяющие потребительские свойства подсистемы и положенные в основу наименования уровней. В случае необходимости предусматривается организация подуровней внутри каждого уровня. Их количество не оговорено.

Уровневая организация дает возможность независимого развития и изменения каждого слоя, модульного построения аппаратуры упрощение понимания работы отдельных подсистем. Вместе с тем она несколько увеличивает накладные расходы из-за необходимости повторения системных функций на каждом из уровней и иногда приводит к дублированию некоторых потребительских функций.

Второй шаг стандартизации включает в себя следующие понятия:

– процессы (механизмы, функции) – набор определенных логических процедур, специфичных для данной подсистемы, выполняемых ее активными элементами;

– услуга – результат логически законченных действий, который необходим надуровню для выполнения его функций. Совокупность услуг составляет сервис N-уровня для (N + 1)-уровня.

Эти понятия определяют внутренние процедуры на каждом уровне, его задачи и результат работы в общей совокупности задач ОС.

И, наконец, третий шаг стандартизации содержит следующие понятия:

– протокол – регламентированный набор команд и ответов, определя­ющий взаимодействие одноименных уровней разных ОС в штатных и нештатных ситуациях;

– интерфейс – совокупность устройств и логических процедур на стыке смежных подсистем, определяющая механическое, электрическое, фун­кциональное и логическое взаимодействие разных подсистем в одной ОС.

В противовес понятиям "подсистема" и "уровень", являющимися раз­деляющими, понятия "протокол" и "интерфейс" объединяющие, интег­рируют работу отдельных подсистем разных ОС; позволяя им осуще­ствить взаимосвязь на логическом и физическом уровнях.

Потребительские функции уровней ЭМ ВОС. Каждый уровень ЭМ ВОС выполняет свои задачи в общей стратегии работы всей системы. Любой уровень (кроме физического) пользуется выполненными функ­циями других уровней и решает свою задачу. Таким образом, потреби­тельские функции специфичны для каждого уровня, они гарантируют потребителю исполнение одного из этапов сложного процесса взаимо­действия его через сеть связи с аналогичной ОС и через нее – с удален­ным пользователем. Потребительские функции ясны и понятны пользователю и от их сущности и произошли названия уровней.

Рассмотрим вкратце эти функции, определяя для каждого уровня их суть и называя услугу, выдаваемую данным уровнем надуровню.

Физический уровень – взаимодействие ОС с физической средой, формирование и контроль сигнала, синхронизация, организация физи­ческого канала на звене и контроль за его целостностью.

Услуга уровню У2 – наличие физического канала на звене сети, воз­можность передачи информационного сигнала по нему.

Канальный уровень – форматирование блока данных (фазирова­ние), управление каналом на звене, контроль качества передачи на звене (исправление ошибок).

Услуга уровню У3 – наличие качественного канала передачи данных на звене, гарантия обеспечения требуемой точности передачи.

Сетевой уровень – выбор оптимального маршрута передачи сооб­щения, управление потоком информации, организация обходных марш­рутов.

Услуга уровню У4 – предоставление возможности организации оп­тимального маршрута, обеспечение заданного качества обслуживания пользователей, возможность управления потоками и нагрузкой.

Транспортный уровень – контроль качества обмена информацией между ОС на выбранном маршруте, контроль за соблюдением параметров соединения (обязательств перед пользователем), контроль передачи «из конца в конец».

Услуга уровню У5 – гарантия надежной передачи данных по сети от одного пользователя к другому, возможность выбора параметров соединения (верность, время доставки, приоритет и др.).

Сеансовый уровень – организация сеансов связи (начало, конец), синхронизация диалога между прикладными процессами.

Услуга уровню У6 – выбор временного отрезка для организации об­мена, контроль за началом и окончанием сеанса, Представительный уровень - определяет способ превращения ин­формации, представленной в произвольном виде, в стандартный: пер­вичное кодирование информации.

Услуга уровню У7 – возможность представления информации в про­извольном виде.

Прикладной уровень – определяет способ взаимодействия с прикладным процессом, предоставление прикладному процессу набора служб сети.

Услуга пользователю (прикладному процессу) – возможность выбора той или иной службы сети и возможность пользоваться услугами си­стемы связи.

Уважаемый читатель!
Публикация данного документа не преследует за собой никакой коммерческой выгоды. Но такие документы способствуют профессиональному и духовному росту читателей и являются рекламой бумажных изданий таких документов. Все авторские права сохраняются за правообладателем.
За содержание статьи ответственность несут ее авторы.

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection , OSI ), предложенная Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization , ISO ) . Модель ISO / OSI предполагает, что все сетевые приложения можно подразделить на семь уровней, для каждого из которых созданы свои стандартыи общие модели. В результате задача сетевого взаимодействия делиться на меньшие и более легкие задачи, обеспечивается совместимость между продуктами разных производителей и упрощается разработка приложений за счёт создания отдельных уровней и использования уже существующих реализаций.

Рисунок 1. Семиуровневая модель

Теоретически, каждый уровень должен взаимодействовать с аналогичным уровнем удаленного компьютера. На практике каждый из них, за исключением физического, взаимодействует с выше – и нижележащими уровнями – представляет услуги вышележащему и пользуется услугами нижележащего. В реальной ситуации на одном компьютере независимо друг от друга иногда выполняется несколько реализаций одного уровня. Например, компьютер может иметь несколько сетевых адаптеров стандарта Ethernet или адаптеры стандартов Ethernet и Token -Ring и.т.д.

Рассмотрим подробнее каждый из семи уровней и их применение.

Физический уровень

Физический уровень описывает физические свойства (например, электромеханические характеристики) среды и сигналов, переносящих информацию. Это физические характеристики кабелей и разъемов, уровни напряжений и электрического сопротивления и.т.д., в том числе, например, спецификация кабеля «неэкранированная витая пара» (unshielded twisted pair , UTP )

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает перенос данных по физической среде. Он поделен на два подуровня: управления логическим каналом (logical link control , LLC ) и управления доступом к среде (media access control , MAC ). Такое деление позволяет одному уровню LLC использовать различные реализации уровня MAC . Уровень MAC работает с применяемым в Ethernet и Token -Ring физическими адресами, которые «вшиты» в сетевые адаптеры их производителями. Следует различать физические и логические (например, IP ) адреса. С последним работает сетевой уровень.

Сетевой уровень

В отличии от канального уровня, имеющего дело с физическими адресами, сетевой уровень работает с логическими адресами. Он обеспечивает подключение и маршрутизацию между двумя узлами сети. Сетевой уровень предоставляет транспортному уровню услуги с установлением соединения (connection -oriented ), например Х.25, или без установления такового (connectionless ) например IP (internet protocol ). Одна из основных функций сетевого уровня – маршрутизация.

К протоколам сетевого уровня относиться IP и ICMP (Internet Control Massage Protocol ).

Транспортный уровень

Транспортный уровень предоставляет услуги, аналогично услугам сетевого уровня. Надежность гарантируют лишь некоторые (не все) реализации сетевых уровней, поэтому ее относят к числу функций, выполняемых транспортным уровнем. Транспортный уровень должен существовать хотя бы потому, что иногда все три нижних уровня (физический, канальный и сетевой) предоставляет оператор услуг связи. В этом случае, используя соответствующий протокол транспортного уровня, потребитель услуг может обеспечить требуемую надежность услуг. TCP (Transmission Control Protocol) – широко распространенный протокол транспортного уровня.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень обеспечивает установление и разрыв сеансов, и управление ими. Сеанс – это логическое соединение между двумя конечными пунктами. Наилучший пример этой модели – телефонный звонок. При наборе номера Вы устанавливаете логическое соединение, в результате на другом конце провода звонит телефон. Когда один из собеседников говорит «аллё», начинается передача данных. После того как один из абонентов вешает трубку, телефонная компания выполняет некоторые действия для разрыва соединения. Сеансовый уровень следит также за очередностью передачи данных. Эту функцию называют «управление диалогом» (dialog management ). Вот примеры протоколов сеансового, представительного и прикладного уровней – SMTP (Simple Mail Transfer Protocol ), FTP (File Transfer Protocol ) и Telnet .

Представительный уровень

Представительный уровень позволяет двум стекам протоколов «договариваться» о синтаксисе (представлении) передаваемых друг другу данных. Поскольку гарантий одинакового представления информации нет, то этот уровень при необходимости переводит данные из одного вида в другой.

Прикладной уровень

Прикладной уровень – высший в модели ISO / OSI . На этом уровне выполняться конкретные приложения, которые пользуются услугами представительного уровня (и косвенно – всех остальных). Это может быть обмен электронной почтой, пересылка файлов и любое другое сетевое приложение.

Таблица 1. модель ISO / OSI и некоторые протоколы соответствующих уровней.

ПРИКЛАДНОЙ УРОВЕНЬ	SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol)
ПРЕДСТАВИТЕЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ
СЕАНСОВЫ УРОВЕНЬ
ТРАНСПОРТНЫЙ УРОВЕНЬ

11. Архитектура взаимодействия открытых систем. Основы передачи дискретных сообщений

11. Архитектура взаимодействия открытых систем

Появление компьютерных сетей привело к необходимости создания стандартов, определяющих принципы взаимодействия внешних пользователей с сетями и сетей между собой (т.е. стандартов взаимодействия открытых систем, ВОС).

По своей сути сеть это соединение оборудования от разных производителей. Для решения проблем совместимости все производители должны придерживаться общепринятых правил построения оборудования. Эти правила закрепляются в стандартах.

Идеологической основой стандартизации в компьютерных сетях является многоуровневый подход.

Взаимодействие между сетевыми устройствами является сложной, технической задачей. Для решения сложных задач часто используют декомпозицию, т.е. разбиение сложной задачи на несколько простых задач-модулей.

Декомпозиция предполагает:

• четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу;

• определение правил взаимодействия между модулями.

Многоуровневый подход при декомпозиции предполагает следующее:

• все множество модулей разбивается на уровни (при этом функции всех уровней четко определены);

• уровни образуют иерархию (т.е. существуют верхние и нижние);

• для решения своих задач каждый уровень обращается с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижнего уровня;

• результаты работы модулей уровня могут быть переданы только соседнему, вышележащему.

В процессе работы сети взаимодействуют узлы, каждый из которых представляет собой иерархическую систему. Процедура взаимодействия этих узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих (равноправных) уровней участвующих сторон.

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называется ПРОТОКОЛОМ.

Уровни, находящиеся в одном узле в процессе работы, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами. Эти правила принято называть ИНТЕРФЕЙСОМ.

Т.о. средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Следует отметить, что протокол каждого уровня может быть изменен независимо от протокола другого уровня. Эта независимость и делает многоуровневый подход привлекательным.

Эталонная модель ВОС является наиболее общим описанием структуры построения стандартов. Она определяет принципы взаимосвязи между отдельными стандартами и является основой обеспечения возможности параллельной разработки различных стандартов для ВОС.

Изначально определяется структура построения стандартов ВОС.

Затем описание услуг, которые должны предоставляться отдельными компонентами (уровнями) открытой системы.

Последний уровень детализации стандартов ВОС – разработка в рамках определенной услуги ВОС набора протоколов.

При этом под протоколом понимается документ, определяющий процедуры и правила взаимодействия одноименных уровней работающих друг с другом систем.

Таким образом, стандарт ВОС должен определять:

• Эталонную модель ВОС;

• Конкретный набор услуг, удовлетворяющих эталонной модели;

• Набор протоколов, обеспечивающих удовлетворение услуг, для реализации которых они разработаны.

Исходя из вышесказанного, система является открытой, если она соответствует эталонной модели ВОС, стандартному набору услуг и стандартным протоколам.

Семиуровневая модель ВОС

Сетевые модели OSI и IEEE Project 802

В 1978 г. Международная организация по стандартизации ISO (International Standards Organization) выпустила набор спецификаций описывающих архитектуру сетей с неоднородными устройствами. (Прообраз модели ВОС).

В 1984 г. ISO, выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью ВОС. (Open System Interconnection reference model, OSI.)

Структура эталонной модели ВОС

В данной модели все процессы, реализуемые открытой системой, разбиты на семь взаимно подчиненных уровней. Уровень с меньшим номером представляет услуги смежному с ним верхнему уровню и пользуется для этого услугами смежного с ним нижнего уровня. Самый верхний (7) уровень только потребляет услуги, а самый нижний (1) только их предоставляет.

Семь уровней модели :

Физический уровень осуществляет передачу неструктурированного "сырого" потока битов по физической среде (без учета деления на кодовые комбинации). Реализуется электрический, оптический, механический и функциональный интерфейсы с кабелем. Формирует сигналы, которые переносят данные от верхних уровней. Устанавливает длительность каждого бита и способ перевода каждого бита в соответствующие электрические и оптические сигналы.

К этому уровню имеют отношение:

• характеристики физических сред передачи данных (полоса пропускания, волновое сопротивление, помехозащищенность…);
• характеристики электрических (оптических) сигналов (уровни, тип кодирования, скорость модуляции…);
• тип разъема и назначение каждого контакта (BNC, RJ-45, RS-232c…).

Пример спецификация 10BaseT .

Канальный уровень

К основным задачам решаемым на канальном уровне относятся:

• организация доступа к среде передачи;
• реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.

Если на физическом уровне рассматривается просто поток битов, то на канальном биты группируются в кодовые комбинации (фреймы). Фреймы защищаются помехоустойчивым кодированием обеспечивающим обнаружение или исправление ошибок.

В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации (только для строго определенной топологии сети).

Уровень управления каналом (второй уровень) или канальный представляет собой комплекс процедур и методов управления каналом передачи данных (установление соединения, его поддержание и разъединение), организованный на основе физического соединения, он обеспечивает обнаружение и исправление ошибок.

Осуществляет передачу кадров данных от Сетевого к Физическому уровню. На приеме упаковывает "сырой" поток битов, поступающих от физического уровня, в кадры данных.

В целом КУ представляет собой законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях могут допускать непосредственную работу с прикладным уровнем.

Пример: Ethernet, Token ring.

Сетевой уровень (Network) отвечает за адресацию сообщений и перевод логических имен и адресов в физические адреса. Исходя из конкретных сетевых условий, здесь определяется маршрут от ПК отправителя к ПК получателя.

Основной задачей третьего (сетевого) уровня является маршрутизация сообщений, кроме этого он обеспечивает управление информационными потоками, организацию и поддержание транспортных каналов, а так же учитывает предоставленные услуги.

Если сетевой адаптер маршрутизатора не может передавать большие блоки данных, посланные ПК отправителя, на Сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие. На Сетевом уровне получателя происходит обратный процесс переупаковки в исходное состояние.

Рассмотренные три нижних уровня определяют функционирование узла сети. Протоколы этих уровней обслуживают так называемую транспортную сеть. Как любая транспортная система, эта сеть транспортирует информацию, не интересуясь ее содержанием. Главной задачей этой сети является быстрая и надежная доставка информации.

Пример: IP (стек TCP/IP), IPX (стек IPX/SPX).

Транспортный уровень (Transport) Этот уровень принимает от вышестоящего уровня некоторый блок данных и должен обеспечить его транспортировку через сеть связи к удаленной системе. Уровни, лежащие выше транспортного, не учитывают специфику сети, через которую передаются данные, они "знают" лишь удаленные системы, с которыми взаимодействуют. Транспортный же уровень должен "знать", как работает сеть, какие размеры блоков данных она принимает, и т.п.

Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования.

На этом уровне сообщения также могут переупаковываться: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На транспортном уровне ПК получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и обычно посылается сигнал подтверждения.

Если качество канала хорошее, то используется облегченный сервис. Датаграмный режим (UDP).

Если качество канала плохое, то используется максимум средств – установление предварительного логического соединения, организация обратной связи, циклическая нумерация пакетов, квитирование, проверка контрольных сумм и т.д. (Режим виртуальных каналов TCP).

Сеансовый уровень (Session)

Следующий пятый уровень протоколов называют уровнем сессий или сеансовым. Его основным назначением является организация способов взаимодействия между прикладными процессами:

• соединение прикладных процессов для их взаимодействия,

• организация передачи информации между процессами во время взаимодействия

• "рассоединения" процессов.

На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети.

Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек (chekpoints). Таким образом, в случае сетевой ошибки, потребуется заново передать только данные, следующие за последней контрольной точкой.

Представительский уровень (Presentation) определяет синтаксис передаваемой информации, т.е. набор знаков и способы их представления, которые являются понятными для всех взаимодействующих открытых систем.

Сам процесс согласования определяется протоколом уровня представления, по которому взаимодействующие системы договариваются о той форме, в которой будет передаваться информация.

Представительский уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование, смену и преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы) и расширение графических команд. Может управлять сжатием данных.

На этом уровне работает редиректор, переадресовывающий операции ввода вывода к ресурсам сервера.

Прикладной уровень (Application) эталонной модели ВОС определяет семантику, т.е. смысловое содержание информации, которой обмениваются ОС в процессе решения некоторой заранее известной задачи. Взаимодействующие системы должны одинаково интерпретировать получаемые данные.

Прикладной (пользовательский) уровень является основным, именно ради него существуют все остальные уровни. Он называется прикладным, поскольку с ним взаимодействуют прикладные процессы системы, которые должны решать некоторую задачу совместно с прикладными процессами, размещенными в других открытых системах.

Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие как, программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных, электронной почты. (FTP, TFTP…)

Модель IEEE Project 802. Расширение модели OSI.

В феврале 1980 г. был выпущен IEEE Project 802. Хотя публикация данного проекта опередила стандарты ISO данные работы велись параллельно, при полном обмене информации поэтому полностью совместимы.

IEEE Project 802 – установил стандарты для физических компонентов сети – интерфейсных плат и кабельной системы с которыми имеют дело Физический и Канальный кровни модели OSI .

Данные стандарты распределяются:

• на платы сетевых адаптеров;

• компоненты глобальных вычислительных сетей;

• компоненты сетей на коаксиале и витой паре.

802-спецификации определяют способы, в соответствии с которыми сетевые карты осуществляют доступ к физической среде и передают по ней данные.

В модели IEEE Канальный уровень делится на два подуровня:

• управление логической связью (контроль ошибок и управление потоком данных);

• Управление доступом к среде. (контроль несущей, передача маркера,…).

Эталонная модель ВОС является удобным средством для распараллеливания разработки стандартов для взаимосвязи открытых систем. Она определяет лишь концепцию построения и взаимосвязи стандартов между собой и может служить базой для стандартизации в различных сферах передачи, хранения и обработки информации.

Контрольные вопросы