Сетевая модель OSI/ISO

Функционирование сетевого оборудования невозможно без взаимоувязанных стандартов. Согласование стандартов достигается как за счет непротиворечивых технических решений, так и за счет группирования стандартов. Каждой конкретной сети присуща своя базовая совокупность протоколов – «языка» передачи данных. Протокол – формализованные правила взаимодействия нескольких компьютеров, которые могут быть описаны в виде набора процедур, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах.

Международной организацией по стандартизации ISO (International Standards Organization) была предложена модель архитектуры вычислительной сети OSI (Open System Interconnection – связь открытых сетей). Эта модель, которой стараются придерживаться большинство пользователей, разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней. Обмен данными происходит путём их перемещения на компьютере отправителя с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки по каналу связи и обратным преобразованием на компьютере получателя с нижнего уровня на верхний.

Самый высокий уровень – уровень приложений (Application Layer – прикладной) является интерфейсом между прикладными программами и процессами модели OSI.

Уровень представления (Presentation Layer) определяет формат для обмена данными, служит для шифрования, сжатия и кодового преобразования данных.

Сеансовый уровень (Session Layer) выполняет функции координации связи между рабочими станциями. Уровень обеспечивает создание сеанса связи, управление передачей и приемом пакетов сообщений и завершение сеанса.

Транспортный уровень (Transport Layer) осуществляет разделение или сборку сообщений на пакеты в том случае, когда в процессе передачи или приема находится более одного пакета, а также контроль очередности прохождения компонент сообщения. Кроме того, на этом уровне через шлюзы выполняется согласование сетевых уровней различных несовместимых сетей. Гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования с подтверждением приема.

Сетевой уровень (Network Layer) обеспечивает перевод логических имен адресов в физические. На основании конкретных сетевых условий, приоритета услуги осуществляется маршрутизация, то есть выбор маршрута передачи пакета данных в сети, и управление потоком данных в сети (буферизация данных, контроль ошибок при установлении соединения).

Канальный уровень (Data Link) определяет правила использования физического уровня узлами сети. Этот уровень подразделяется на два подуровня: Контроль доступа к среде (Media Access Control), связанный с доступом к сети и ее управлением, и Логический контроль связи (Logical Link Control), связанный с передачей и приемом пользовательских сообщений. Именно на уровне Data Link обеспечивается передача данных кадрами, которые представляют собой блоки данных, содержащие дополнительную управляющую информацию. Исправление ошибок осуществляется автоматически путем повторной посылки кадра. Кроме того, на этом уровне обеспечивается и правильная последовательность передаваемых и принимаемых кадров.

Самый низкий – физический уровень (Physical Layer) определяет физические, механические и электрические характеристики линий связи. На этом уровне выполняется преобразование данных, поступающих от канального уровня, в сигналы, которые затем передаются по линиям связи. В локальных сетях это преобразование осуществляется с помощью сетевых адаптеров, в глобальных сетях для этой цели используются модемы.

Каждый уровень реально взаимодействует только с соседними уровнями (верхним и нижним), виртуально – только с аналогичным уровнем на конце линии. Реальное взаимодействие – непосредственная передача информации, при которой данные остаются неизменными. Виртуальное взаимодействие – опосредованное взаимодействие и передача данных, причем данные в процессе передачи могут видоизменяться.

Физическая связь реально имеет место только на самом нижнем уровне. Горизонтальные связи между всеми остальными уровнями являются виртуальными, реально они осуществляются передачей и преобразованием информации сначала вниз, последовательно до самого нижнего уровня, где происходит реальная передача, а потом на другом конце – обратная передача вверх последовательно до соответствующего уровня.

Сетевое оборудование

Минимальный набор оборудования, необходимый для организации сети между двумя компьютерами, включает в себя адаптеры (сетевые карты, контроллеры) и соединительный кабель (линию передачи данных). С увеличением числа компьютеров, расстояний между ними, в зависимости от применяемой топологии и типа сети расширяется и номенклатура необходимого оборудования.

Сетевой контроллер или карта, адаптер (Network Interface Card – NIC) – устройство сопряжения компьютера со средой передачи данных. В современных моделях компьютеров адаптер обычно интегрирован на материнской плате.

В качестве физической среды передачи данных в ЛВС используют коаксиальный кабель, витую (скрученную) пару проводов, волоконно-оптический кабель. Альтернативой кабелю в беспроводных сетях является связь с помощью инфракрасного излучения и радиосвязь.

Концентраторы предназначены для объединения в сеть многих узлов. Такие концентраторы создают общую среду передачи данных без разделения трафика. Другое название концентратора – многопортовый повторитель.

Коммутаторы в отличие от концентраторов предназначены для объединения в сеть многих узлов или подсетей с возможностью создания одновременно нескольких соединений. Они называются также переключателями (свитчами – switch). Коммутаторы используются также для связи нескольких ЛВС с территориальной сетью. Коммутатор может объединять несколько как однотипных, так и разнотипных ЛВС.

Использование коммутаторов вместо маршрутизаторов (там, где это возможно) позволяет существенно повысить пропускную способность сети. Коммутатор работает с локальными MAC-адресами, в нем имеется таблица соответствия MAC-адресов и портов. Корме того, между разными портами коммутатора образуется несколько соединений, по которым пакеты могут передаваться одновременно. MAC-адрес – уникальный серийный номер, присваиваемый каждому сетевому устройству Ethernet для идентификации его в сети. MAC-адрес присваивается адаптеру его производителем.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами и шлюзами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Маршрутизатор оперирует IР-адресами и таблицами маршрутизации и выполняет сложные алгоритмы маршрутизации.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту, оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.

Шлюзы – устройства, оперирующие на верхних уровнях модели OSI (сеансовом, представления и приложений). Это компьютеры, объединяющие несколько сетей. Необходимость в применении шлюзов появляется, когда объединяют две системы с совершенно различной архитектурой, работающих по разным протоколам для преобразования потока данных, проходящих между этими системами