Архитектурная модель взаимодействия открытых систем (OSI)

Требования, предъявляемые к ЛС, реализуются за счет модульного принципа организации управления процессами в сети. Для обеспечения гибкости, открытости и эффективности сети управление в сетях реализуется по многоуровневой схеме. За каждым уровнем закреплены программные и аппаратные модули, которые реализуют определенные функции обработки и передачи данных [4, 9-11].

Разделение модулей на уровни осуществляется в соответствии со следующими принципами:

1 Каждый уровень реализует определенные сетевые задачи обработки и передачи данных и обеспечивает определенный набор услуг для уровня, расположенного в структуре над ним, в соответствии с применяемым интерфейсом. Совокупность правил взаимодействия объектов одноименных уровней списывается соответствующим протоколом.

2 Уровень N взаимодействует только с уровнями N—1 и N+1.

3 Функции соседних уровней не перекрываются и не совпадают.

4 Многоуровневая организация управления процессами в сети приводит к необходимости модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно только к функциям, реализуемым на этом уровне. При передаче данных между уровнями каждый из уровней добавляет некоторую служебную информацию в виде заголовка и концевика для данных, которые поступили от верхнего уровня управления (рис. 2.3). Эта информация адресуется другим одноименным уровням управления в сети и не рассматривается уровнями с другими названиями. На каждом этапе число передаваемых данных возрастает. И каждый более низкий уровень рассматривает всю информацию, поступившую от более высокого уровня, как данные. Чем больше создается уровней управления, тем гибче управление, но тем больше аппаратные затраты и время обработки. Гибкость организации и простота реализации достигаются за счет того, что обмен данными допускается только между объектами одного уровня.

5 Границы между уровнями располагаются таким образом, чтобы взаимовлияние смежных уровней было минимальным, и изменения внутри одного уровня не требовали перестройки других. То есть работа уровня N не зависит от функционирования верхних и нижних уровней управления.

Рисунок 2.3 - Вложенность сообщений различных уровней

С появлением необходимости объединения разнотипных ЭВМ возникла острая потребность в разработке некоторой идеологической концепции, которая позволила бы установить универсальные правила взаимодействия разнотипных машин. Таким образом, для того чтобы машина смогла войти в сеть, ее аппаратное и программное обеспечение должно удовлетворять некоторому набору универсальных соглашений, точное выполнение которых гарантирует возможность взаимодействия различных машин.

Для решения этих задач Международной организацией постандартизации ISO (International Standart Organization) принята в 1977 г. и рекомендована 7-уровневая модель OSI (Open System Interconnection) [4].

В модели OSI (рис. 2.4) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительский, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств [4, 10].

Физический уровень осуществляет управление физическим каналом связи (подключение, поддержание и разрыв физического соединения), параметры физического канала связи и формирование электрических сигналов, представляющих передаваемые данные. Уровень контролирует передачу потока битов, в виде которого передаются данные, через среду передачи и обеспечивает восстановление канала при отказах электрической цепи.

Рисунок 2.4 - Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Уровень определяет:

- параметры физической среды передачи;

- механизм кодирования битов;

- механизм передачи данных и способ синхронизации битов в канале;

- физическую топологию сети (шина, кольцо, звезда, сетка);

- тип соединения: точка с точкой (point to point) или многоточечное (multipoint);

- параметры аналоговых и цифровых сигналов (уровни напряжений, фронты сигналов, амплитуды сигналов, фазы, частоты);

- тип кабеля и способ передачи по нему (baseband — один канал в кабеле, broadband — несколько передающих каналов в одном кабеле);

- тип мультиплексирования в канале связи: частотное, временное, статистическое временное;

- тип передачи (асинхронная или синхронная, дуплексная или полудуплексная).

Канальный уровень обеспечивает управление каналом связи и передачу данных по физическому уровню, формирует кадры данных, следит за порядком подключения станций к сети.

Уровень определяет:

- логическую топологию сети;

- тип доступа (конкуренция, передача маркера, опрос и т. д.);

- передачу кадров по физическому пути;

- организацию битов в логические группы (или кадры — frames);

- синхронизацию передачи (указывает начало и конец кадра);

- синхронизацию кадра (определяет расположение и размер полей в кадре);

- обнаружение ошибок передачи кадров (потерю кадра, ошибку в заголовке, в контрольной сумме) и организацию повторной передачи кадра с обнаруженной ошибкой;

- разбивку длинного сообщения по кадрам, нумерацию кадров и контроль корректности обмена нумерованными кадрами;

- гарантированную доставку кадров (в зависимости от выбранной сетевой технологии);

- адресацию кадров и идентификацию станций в рамках одной сети;

- максимальную пропускную способность сети.

Сетевой уровень управляет передачей данных через сеть, осуществляет выбор маршрута передачи и его реализацию. Уровень обеспечивает установление, поддержание и разъединение логических (виртуальных) сетевых соединений между двумя пользователями, не информируя их о том, по каким физическим линиям идет их обмен. Сетевой уровень, в отличие от канального, описывает методы передачи информации между независимыми сетями через коммутаторы, адресацию сетевого уровня и алгоритмы маршрутизации.

Уровень обеспечивает:

- адресацию в рамках нескольких объединенных сетей;

- управление маршрутизацией пакетов по логическим каналам между машинами, но без оптимизации нагрузок по маршрутам;

- разбиение сообщений на пакеты для уменьшения времени их доставки и уменьшения требований к буферам. Каждый пакет имеет адрес назначения и порядковый номер. Существуют пакеты с данными и управляющие пакеты (запрос на соединение или разъединение, готовность приема, подтверждение соединения...). В процессе передачи последовательность пакетов может быть нарушена, и уровень обеспечивает, что они будут доставлены пользователю в том порядке, в каком они были посланы;

- применение алгоритмов исследования маршрутов в сети;

- обход поврежденных узлов по альтернативным маршрутам (маршрутизацию);

- управление потоками сообщений с целью избежания заторов трафика и нехватки буферов для приема и сборки пакетов;

- восстановление при неполадках в виртуальной цепи.

Транспортный уровень обеспечивает оптимизацию использования ресурсов сети и передачи пакетов в сети, выбирая наиболее выгодные маршруты и учитывая все заявки и ресурсы, имеющиеся в системе. Уровень использует динамическую маршрутизацию, при этом различные пакеты одного сеанса могут следовать разными маршрутами для уменьшения заторов и выравнивания интенсивности трафика. При необходимости могут использоваться параллельные маршруты для передачи одного и того же пакета.

Уровень гарантирует:

- отсутствие пропаданий (потерь) пакетов;

- оптимизацию маршрута передачи;

- доставку сообщений в порядке их отправления, отправку извещения о не­возможности передачи или выполняет повторную передачу при возникновении ошибок;

- контроль ошибок в средствах доступа к сети;

- предотвращение перегрузок.

Сеансовый уровень стандартизует процессы установления, поддержки и завершения сеанса обмена. В момент установления сеанса определяется правило ведения диалога и осуществляется администрирование сеанса. Таким образом, уровень занимается организацией и синхронизацией диалога.

Диалог может быть следующих типов: однонаправленный (один узел сети передает, а другие только принимают), полудуплексный (устройство может передавать и принимать, но в текущий момент времени передача идет в одном направлении по одному каналу) и полнодуплексный (одновременная передача в обоих направлениях по двум каналам связи).

Уровень выполняет:

- обмен информацией о протоколах диалога, который будет использован в работе;

- администрирование сеанса:

а) проверка login-имени и паролей;

б) установление связи с узлом, получение его согласия на сеанс;

в) определение необходимого сервиса соединения;

г) проверка наличия на узле необходимых для взаимодействия ресурсов;

д) контроль и восстановление протокольных ошибок и ошибок выполнения функций;

е) продолжение сеанса без потерь в случае сбоя или его завершение;

ж) определение условий окончания сеанса.

Представительский уровень обеспечивает представление данных пользователя в унифицированной форме, понятной для сетевого программного обеспечения (ПО).

Уровень может осуществлять следующие виды трансляций для обеспечения работы компьютеров разного типа в сети:

- битов (если компьютеры в сети имеют разное представление данных — 7 и 8-битовое);

- байтов (если компьютеры в сети имеют разный порядок выдачи байтов в канал связи, т.е. первым может выдаваться или старший, или младший бит, кроме того, на стороне абонента могут по разным правилам определяться младший и старший значащие биты в слове);

- символов (если компьютеры в сети имеют разное представление символов, отличное от ASCII);

- файлов (если компьютеры в сети работают с разными локальными операционными системами, в которых различаются форматы представления файлов, например, в MS DOS, UNIX и т.д.).

Основные задачи уровня:

- пользовательские данные делятся на группы сообщений, по отношению к которым будут применяться те или иные методы восстановления;

- пользовательские данные редактируются, перекодируются, шифруются, уплотняются и реорганизовываются в сеансовые сообщения;

- определяются форматы представления данных, используемых для пользовательского и сетевого ПО;

- выполняет контроль и восстановление при ошибках в прикладном ПО.

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 Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты.

Этот уровень пользователя обеспечивает доступ ПО пользователя к сетевому ПО, поддержку команд пользователя или прикладных программ в «сетевой архитектуре».

Уровень обеспечивает поддержку различных служб сервиса в сети:

- File service (обмен, хранение, создание резервных копий файлов);

- Print service (доступ к одному ресурсу от многих пользователей, управление очередями, разделение ресурсов и назначение приоритетов доступа к ним);

- Message service (электронные средства общения, контроль совместной работы в рабочих группах);

- Directory service (позволяет сетевым приложениям общаться с другими приложениями, не «задумываясь», где они находятся, на каком устройстве, и о маршрутизации к этому устройству);

- Application service (координируют деятельность ПО, запуская ее на соответствующем оборудовании, управляют специализированными серверами, повышают вычислительную мощность сети);

- Database service (управление базами данных, распределение БД, защита информации, координация территориально распределенных БД, управление способом доступа и временем доступа для клиентов, репликация содержимого БД).

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием [4, 6]. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети.

Три верхних уровня – прикладной, представительский и сеансовый – ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet к высокоскоростной технологии 100 VG-AnyLAN не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного, представительского и сеансового уровней.

Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений.

Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, службами поддерживаемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ