Основы взаимодействия открытых систем

Модель взаимодействия открытых систем – это концептуальная модель процесса коммуникации, основанная на разбиении процесса на функциональные уровни, каждый из которых взаимодействует со своими соседями. Такая модель позволяет предоставлять услуги, скрывая механизм из реализации, что в результате обеспечивает определенную степень совместимости и взаимозаменяемости.

Рис. 28. Модель взаимодействия открытых систем

Модель определяет различные уровни в сетях с коммутацией пакетов, дает уровням стандартные имена и указывает функции, которые должны выполняться каждым уровнем модели. Каждый уровень взаимодействует только с непосредственными соседями, запрашивая услуги у нижележащего и поставляя их вышележащему. Запрашивающий уровень передает данные и параметры на нижний уровень и ждет ответа, игнорируя детали того, каким образом осуществляется запрос. Объекты, расположенные на одном уровне, в разных узлах сети, называются одноранговыми. Они взаимодействуют между собой на основе протоколов, которые определяют формат сообщений и правила их передачи. Модель определяет услуги, которые каждый уровень должен предоставлять более высокому уровню. Услуги четко отделены от протоколов. Протоколы на каждом уровне совпадают, но только одноранговые объекты могут общаться друг с другом. Основные принципы эталонной модели можно сформулировать следующим образом: обеспечить взаимодействие одинаковых сущностей и не смешивать разные сущности.

Модель описывает системные средства взаимодействия, реализуемые операционными системами, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Она не включает средства взаимодействия конечных пользователей. Приложения пользователей реализуют собственные протоколы, обращаясь к системным средствам, поэтому необходимо различать прикладной уровень и уровень взаимодействия приложений пользователя, которые в модель не входят. Нумерация уровней идет снизу вверх. Рассмотрим их.

Уровень 1 – физический. Это физическая среда передачи данных, т.е. он обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию. Здесь осуществляется установление, поддержка и расторжение соединения с физической средой. Среда может быть электрической, оптической, радиоканалом с соответствующими интерфейсами к сопрягаемым объектам. Здесь рассматриваются вопросы, касающиеся среды передачи (витая пара, оптоволоконный кабель, радиотракт), их характеристики – волновое сопротивление, полоса пропускаемых частот, затухание и т.д. Определяются характеристики электрических или оптических сигналов, т.е. уровни напряжений и токов, значения несущих частот, крутизна фронтов и срезов импульсов, типы кодирования информации, скорости передачи сигналов и т.д. Сюда же входят типы разъемов, назначение их контактов. Таким образом, физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи. Примером протокола физической передачи может служить 10Base-T сети Ethernet, определяющий в качестве физической среды передачи данных неэкранированную витую пару с волновым сопротивление, равным 100 Ом, разъем типа RJ-45, максимальную длину сегмента – 100 м, манчестерский код для предоставления данных в среде и т.д.

Уровень 2 – канальный (уровень звена данных). Он обеспечивает функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на физическом уровне. Кадр – это сгруппированный на канальном уровне набор байтов, т.е. это пакет канального уровня. Пакет на последующих уровнях может состоять из одного или многих кадров. При появлении ошибки на канальном уровне производится выявление, исправление или запрашивается повторная передача искаженного кадра. Таким образом, канальный уровень обеспечивает верхние уровни модели услугами безошибочной передачи данных между узлами, помещая специальную последовательность битов в начало и конец кадра для его выделения, вычисляя контрольные суммы, обрабатывая все кадры определенным способом и добавляя к кадрам контрольные суммы. Получатель кадра – уровень 2 узла 2 – по полученным данным вычисляет контрольные суммы и сравнивает результаты. Контрольная сумма – это сумма (часто по модулю 2) всех элементов блока данных или байт, дополняющий до логического нуля сумму по модулю 256 всех байтов контролируемой области данных. Принятый кадр считается безошибочным, когда принятая и вычисленная контрольные суммы совпадают. Иначе фиксируется ошибка, исправляемая путем повторной передачи поврежденного кадра. Канальный уровень обеспечивает передачу поступающих от верхних уровней пакетов данных узлу назначения, адрес которого указывает протокол верхнего уровня. Протокол канального уровня оформляет принятые пакеты в кадры собственного формата, помещая указанный протоколом верхнего уровня адрес в одно из полей кадра и сопровождая его контрольной суммой. Таким образом, протокол канального уровня имеет локальный смысл. Он служит для доставки кадров данных в пределах сетей с однотипной технологией и простой топологией. Например, в односегментных сетях Ethernet, полевых сетях, многосегментных Ethernet -сетях, разделенных мостами и коммутаторами. Здесь адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла источника к узлу назначения. Если сети используют различные способы адресации, протоколу канального уровня требуется помощь сетевого протокола.

В глобальных сетях функции канального и сетевого уровней могут объединяться в одном протоколе. В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются усилиями сетевых адаптеров, их драйверов; в ПЛК – адаптерами ЦП, специальными коммуникационными процессорами и соответствующим программным обеспечением.

3-й уровень – сетевой. Устанавливает маршрут и контролирует прохождение сообщений от узла источника к узлу назначения. На этом уровне происходит управление передачей пакетов через промежуточные узлы и сети. Осуществляется контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок и маршрутизация пакетов, которая сводится к определению логических каналов. Логически каналом называется виртуальное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен данными. Понятию логического канала не обязательно соответствует физическое соединение линий, оно введено для абстрагирования от физической реализации соединения.

Основная задача сетевого протокола – прокладка в каждом физическом канале совокупности физических каналов. Объекты соединенные логическим каналом работают, как будто в их распоряжении есть физический канал. Таким образом, сетевой уровень модели образует единую транспортную систему, которая может объединить несколько сетей, использующих разные принципы передачи сообщений и обладающие произвольной структурой связи. Поэтому функции протоколов сетевого уровня разнообразны. Сетевой уровень введен, чтобы по средствам канального уровня иметь простые процедуры передачи данных для типовых топологий, а с другой стороны, иметь возможности использования произвольных топологий, то есть внутри сетей с типовой топологией доставка данных обеспечивается канальными уровнями, а доставку данных между сетями обеспечивает сетевой уровень. Сети типовой топологии соединяются между собой маршрутизаторами, которые представляют собой устройства собирающие информацию с топологий межсетевых соединений и передающие на их основе пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Сообщение от отправителя одной сети к получателю другой совершает несколько транспортных переходов, выбирая подходящий маршрут, то есть маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов.

Кратчайший маршрут не всегда лучший. Критерием выбора маршрута может быть минимальное время передачи данных, которое зависит от пропускной способности канала и интенсивности трафика. Может быть и другие критерии – надежность передачи.

Сообщения сетевого уровня – пакеты, содержащие адрес получателя, который состоит из старшей части – номера сети и младшей части – номера или адреса узла в этой сети. Таким образом, с точки зрения сетевого уровня сеть – это совокупность узлов с одним и тем же сетевым адресом. На сетевом уровне определяется два вида протоколов:

1. сетевые протоколы – они реализуют продвижение протоколов через сеть;

2. протоколы обмена маршрутной информацией – протоколы маршрутизации, с помощью которых маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.

Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а так же программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

Примером протокола сетевого уровня – протокол межсетевого взаимодействия IP, который входит в стек протоколов управления передачей TCP/IP.

На сетевом уровне могут работать протоколы еще одного типа отвечающие за отображение адреса узла используемого на сетевом уровне в локальный адрес сети. Их называют протоколами разрешения адресов. Протоколы этого типа иногда относят к протоколам канального уровня.

4-й уровень – транспортный. Управляет доставкой сообщений из конца в конец, то есть от узла источника к узлу приемника. Обеспечивая связь между коммуникационной подсетью, то есть между нижними 3-мя уровнями и верхними 3-мя уровнями модели. Таким образом, отделяя пользователя от физических и функциональных аспектов сети. Главная задача уровня – управление трафиком. При этом выполняются такие функции как деление сообщений поступающих с верхних уровней на пакеты данных и формирование первоначальных сообщений из набора пакетов полученных от нижних уровней.

Транспортный уровень является границей, ниже которой рассматриваемой единицей информации является пакет данных, а выше границы единицей информации является сообщение. Таким образом, на сетевом уровне обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети, а на транспортном – связь между оконечными узлами, то есть транспортный уровень управляет сквозными передачами данных от источника к приемнику.

К задачам транспортного уровня обеспечение независимости верхних уровней модели от физической структуры сети, в частности от маршрута доставки сообщений. Транспортный уровень несет ответственность за проверку правильности передачи данных и доставку их к прикладным программам. Эталонная модель определяет пять классов сервиса предоставленных транспортным уровнем и отличающихся друг от друга качеством услуг:

1. Срочностью доставки сообщений;

2. Возможностью восстановления прерванной связи;

3. Наличием средств мультиплексирования, то есть сборки нескольких соединений между разными прикладными протоколами через общий транспортный протокол;

4. Способностью к обнаружению ошибок передачи;

5. Способностью к исправлению ошибок передачи, дублирование пакета.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, как тем насколько задача обеспечения надежности передачи данных решается протоколами более высоких уровней, так и насколько надежной является система транспортировки данных, обеспечиваемая ниже лежащими уровнями.

Пример: Если качество связи очень высокое, а, следовательно, и вероятность не обнаружения ошибок протоколами низких уровней не велика, целесообразно использовать один из облегченных сервисов транспортного уровня не имеющий многочисленных проверок, квитирования и других приемов повышения надежности. Если же средства нижних уровней не надежны, следует воспользоваться более развитым сервисом транспортного уровня, использующим максимум средств обнаружения и исправления ошибок включая предварительное установление логического соединения, контроль доставки сообщений по контрольным суммам и т.д.

Протоколы транспортного и выше лежащих уровней реализуются программными средствами конечных узлов сети, то есть компонентами операционных систем. В качестве примеров протоколов транспортного уровня являются TCP и UDP.

Обобщено четыре нижних уровней эталонной модели названных сетевым транспортом или транспортной подсистемой. Так как они полностью решают задачу передачи сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и разными технологиями. Три верхних уровня модели решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

5-й уровень – сеансовый. Отвечает за установку, поддержку синхронизации и управление соединением между объектами уровня представления данных. Сеанс связи создается по запросу приложения пользователя переданному через прикладной и представительный уровни.

Основные функции сеансового уровня: выбор типа связи (формы диалога), например дуплексная или полудуплексная; управление очередью передачи данных и их приоритетом; синхронизация отдельных событий. Средства синхронизации событий позволяют вставить в длинные передачи контрольные точки, чтобы при отказе связи вернуться к последней контрольной точке, а не к началу длинной передачи. На практике сеансовый протокол редко реализуется в виде отдельного протокола. Его функции часто выполняются в одном протоколе с функциями протокола прикладного уровня.

6-й уровень – представительный. Обеспечивает синтаксическую модель данных, то есть кодирование и преобразование неструктурированного потока битов в формат понятного приложению получателя. Восстанавливает исходный формат данных.

Пример: принятые в ASCII коде данные преобразовываются и выдаются на экран дисплея конкретного узла в виде страницы текста с заданным количеством строк и их длинной. Таким образом, поля данных выше представительного уровня имеют явную смысловую форму, а ниже представительного уровня они рассматриваются как передаточный груз и их смысловые значения не влияют на обработку. На представительном уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, что обеспечивает секретность обмена данными для всех служб сети. Примером протокола представительного уровня может быть: SSL, который обеспечивает секретный обмен данными (сообщениями) для протоколов прикладного уровня.

7-й уровень – прикладной. Где решаются прикладные задачи, т.е. передача файлов, удаленное управление объектами, операциями с распределенными БД и т.д. Таким образом, прикладной уровень занимается поддержкой приложений пользователя и имеет дело с семантикой данных (смысловая нагрузка). Он является границей между процессами сети и процессами пользователей. На нем выполняются вычислительные, информационно-поисковые, справочные работы, осуществляется логическое преобразование данных пользователя. Прикладной уровень – это набор разных протоколов, с помощью которых приложения пользователей получают доступ к сети, т.е. файлам, гипертекстовые страницы, а так же организуют свою совместную работу. Прикладной уровень оперирует сообщениями. На нем есть много служб, например файловых (наиболее известное ftp).

Анализ эталонной модели показывает, что физический уровень – это единственны уровень, имеющий материальное воплощение, остальные уровни – набор правил или описание вызовов функции, реализуемые программными средствами. Три нижних уровня называются сетевыми (коммуникационными), они отвечают за доставку сообщений. Три верхних уровня относятся к прикладному программному обеспечению, они связаны содержательной стороной сообщения. Центральный четвертый уровень (транспортный) осуществляет связь между коммуникационно-ориентированными нижним и проблемно-ориентированными верхними уровнями.