Модель OSI и протоколы обмена информацией

Передача данных — многоуровневый процесс. На практике для разработки протоколов и других средств связи между компьютерами разработчики пользуются моделью OSI (Open System Interconnection), определяющей семь уровней процесса обмена данными.

Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена (они приведены в предлагаемой табличке) и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

Модель OSI лежит в основе построения различных сетей. Общая модель вычислительной сети определяет характеристики сети в целом и характеристики и функции входящих в нее основных компонентов. В модели OSI сетевые функции распределены между 7-ю уровнями. Каждый из уровней представляет определенную группу функций, необходимых для работы компьютерной сети. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы.

Протокол — это набор правил, определяющих поведение функциональных блоков при передачи информации в сети. Протоколы определяют формат данных, а также всю необходимую информацию для правильной обработки передаваемых данных.

Прикладной уровень - он отвечает за доступ приложений (программ) в сеть. Задачами этого уровня является передача файлов, доступ к базам данных, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

Представительский уровень переводит поступающую от прикладного уровня информацию в формат для обмена данными между сетевыми компьютерами, обеспечивает преобразование данных (кодирование, шифрование данных, сжатие и т. п.), т.е. представительский уровень отвечает за возможность диалога между приложениями на разных компьютерах. Он гарантирует представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе. В некоторых системах этот уровень может быть объединен с прикладным.

Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между компьютерами через коммуникационную сеть. Он позволяет производить обмен данными в режиме, определенном прикладной программой, или предоставляет возможность выбора режима обмена. Сеансовый уровень поддерживает и завершает сеанс связи. Сеансовый уровень выполняет также функции по синхронизации и защите. Протоколы сеансового уровня являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Транспортный уровень - делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты), обеспечивает их маршрутизацию и передачу на сетевой уровень. Обеспечивает контроль за доставкой пакетов. Размер отдельного пакета измеряется в килобайтах (эквивалентно примерно одной странице текста). В пакет входит часть передаваемого файла и заголовок с информацией, необходимой для гарантированной доставки.

Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования (управляет потоком сообщений). Кроме того, транспортный уровень восстанавливает блоки данных, потерянные на нижних уровнях.

Компьютер -отправитель переупаковывает сообщения: а) длинные разбиваются на несколько пакетов; б) короткие объединяются. компьютер -получатель сообщения распаковывает, восстанавливает в первоначальном виде, и обычно посылает сигнал подтверждения приема.

Сетевой уровень отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов в физические. Решает задачи, связанные с коммутацией пакетов, маршрутизацией, реализует межсетевое взаимодействие.

Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, в которые упаковываются информационные пакеты, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных. Канальный уровень реализует процесс передачи информации по информационному каналу. Информационный канал - логический канал, он устанавливается между двумя компьютерами, соединенными физическим каналом, осуществляет подготовку данных к передаче по физическому соединению.

Физический уровень - получает кадры данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 или 1 бинарного потока. Его основная задача - управление аппаратурой передачи данных и подключенным к ней каналом связи.

Три верхних уровня объединяются под общим названием - процесс или прикладной процесс. Эти уровни определяют функциональные особенности вычислительной сети как прикладной системы (уровень прикладных программ). Четыре нижних уровня образуют транспортную службу компьютерной сети, которая обеспечивает передачу (транспортировку) информации между компьютерами, освобождая более высокие уровни от решения этих задач.

При передаче информации от прикладного процесса в сеть происходит ее обработка уровнями модели взаимодействия открытых систем. Смысл этой обработки заключается в том, что каждый уровень добавляет к информации процесса свой заголовок - служебную информацию, которая необходима для адресации сообщений и для некоторых контрольных функций. Канальный уровень, кроме заголовка, добавляет еще и концевик - контрольную последовательность, которая используется для проверки правильности приема сообщения из коммуникационной сети.

Физический уровень заголовка не добавляет. Сообщение, обрамленное заголовками и концевиком, уходит в коммуникационную сеть и поступает на абонентские компьютеры вычислительной сети. Каждая абонентская ЭВМ, принявшая сообщение, дешифрирует адреса и определяет, предназначено ли ей данное сообщение.

При этом в абонентской ЭВМ происходит обратный процесс - чтение и отсечение заголовков уровнями модели взаимодействия открытых систем. Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Заголовки верхних уровней нижними уровнями не воспринимаются и не изменяются - они "прозрачны " для нижних уровней. Так, перемещаясь по уровням модели OSI, информация, наконец, поступает к процессу, которому она была адресована. Функции, описываемые уровнями модели, должны быть реализованы либо в аппаратуре, либо в виде программ. Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, мультиплексоры передачи данных, сетевые платы и т.д. Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей - драйверов.

Итак, информация на компьютере- отправителе должна пройти через все нижележащие уровни. Затем она на физическом уровне передается по сетевому кабелю на компьютер - получатель и опять проходит все уровни, пока не достигнет того же уровня, с которого она была послана на ПК- отправителе.

Следует при этом сказать, что за исключением самого нижнего уровня сетевой модели, никакой иной уровень не может непосредственно посылать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Но при этом каждый уровень на компьютере отправителя работает так, будто он напрямую связан с таким же уровнем на компьютере получателя (виртуальная или логическая связь).

В чем же основное достоинство семиуровневой модели OSI? В процессе развития и совершенствования любой системы возникает потребность изменять ее отдельные компоненты. Иногда это вызывает необходимость изменять и другие компоненты, что существенно усложняет и затрудняет процесс модернизации системы.

Здесь и проявляются преимущества семиуровневой модели. Если между уровнями определены однозначно интерфейсы, то изменение одного из уровней не влечет за собой необходимости внесения изменений в другие уровни. Таким образом, существует относительная независимость уровней друг от друга.

Основные протоколы компьютерной сети. Как было показано ранее, при обмене информацией в сети каждый уровень модели OSI реагирует на свой заголовок. Иными словами, происходит взаимодействие между одноименными уровнями модели в различных абонентских компьютерах. Такое взаимодействие должно выполняться по определенным правилам.

Как уже отмечалось, протокол - набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных абонентских ЭВМ.

Протокол - это не программа. Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы в программе. Обычно функции протоколов различных уровней реализуются в драйверах для различных вычислительных сетей.

Компьютеры, подключенные к сети Интернет, могут быть различной архитектуры и с различным программным обеспечением. Их совместимость достигается за счет использования коммуникационных протоколов.

Стек протоколов - это разделенный на уровни набор протоколов, которые работают совместно, реализуя определенную коммуникационную архитектуру. Обычно задачи того или иного уровня реализуются одним или несколькими протоколами.

Стек Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - промышленный стандарт стека протоколов, разработанных для обеспечения взаимосвязи различных устройств в глобальных сетях. Стек TCP/IP поддерживают все современные операционные системы, и он служит основой для создания сети Интернет.

Протокол TCP (протокол управления передачей) разбивает информацию на порции (пакеты) и нумерует их. Затем протокол IP (протокол Интернета) добавляет к каждой порции служебную информацию с адресами отправителя и получателя и обеспечивает доставку всех пакетов.

Благодаря такому способу передачи информации в Интернете, каждый компьютер может одновременно принимать пакеты от большого числа других компьютеров. В этом случае нет необходимости устанавливать отдельный канал связи между двумя компьютерами.

Протоколы и службы Интернета можно использовать и в рамках локальной сети. В терминах модели OSI в стеке протоколов TCP/IP используются протоколы следующих типов. Это основные принятые в мире протоколы.

1. Telnet (протокол эмуляции терминала) - протокол доступа к удаленному компьютеру и обработки данных на нем.

2. FTP (File Transmission Protocol) - протокол пересылки файлов (предоставляет возможность интерактивной работы с удаленной машиной, выполняет аутентификацию пользователей и др.).

3. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол передачи почтовыми серверами электронной почты. Сервер I IS поддерживает работу с протоколами SMTP для обработки почтовых сообщений.

4. DNS (Domain Name System) - протокол поддержки сетевого адреса.

5. RIP (Routing Internet Protocol) - протокол межсетевого взаимодействия, предназначенный для сбора маршрутной информации.

6. SNPM (Simple Network Management Protocol) - протокол централизованного управления узлами сети, например серверами, рабочими станциями, маршрутизаторами, мостами и концентраторами. Кроме того, SNPM можно использовать для конфигурирования удаленных устройств, мониторинга производительности сети, выделения ошибок сети и попыток НСД, а также аудита использования сети.

7. TCP (Transmission Control Protocol) - протокол управления передачей, который обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений.

8. UDP (User Datagram Protocol) - протокол дейтаграмм пользователя, который обеспечивает передачу прикладных процессов дейтаграммным способом (каждый пакет из набора пакетов, содержащего данные пользователя, передается между узлами независимо друг от друга) и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

9. IP (Internet Protocol) - основной протокол сетевого уровня. IP первоначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого числа локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными сетями.

10. ARP (Address Resolution Protocol) - вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для определения аппаратного адреса узла назначения по заданному IP- адресу.

11. ICMP (Internet Control Message Protocol) - вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для обмена информацией об ошибках передачи данных протоколом IP, а также для обмена управляющей информацией на сетевом уровне.

12. GMP (Internet Group Management Protocol) - протокол, используемый для отправки данных определенной группе получателей.

Как сетевые функции распределены по всем уровням модели OSI, так и протоколы совместно работают на различных уровнях стека протоколов. Уровни в стеке протоколов соответствуют уровням модели OSI. В совокупности протоколы дают полную характеристику функциям и возможностям стека.

Протоколы Telnet, FTP, SMPT, DNS, RIP, SNMP реализуются на уровнях 5 - 7 модели OSI; протоколы TCP и UDP обеспечивают транспортный уровень; протоколы IP, ARP, ICMP используются на сетевом уровне. На физическом и канальном уровнях модели OSI. стек протокола TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay.

Как же действуют компьютер-отправитель и компьютер-получатель в соответствии с указанными протоколами?

Компьютер-отправитель в соответствии с протоколами выполняет следующие действия:

· разбивает данные на небольшие блоки, называемые пакетами, с которыми может работать протокол;

· добавляет к пакетам адресную информацию, чтобы компьютер-получатель мог определить, что эти данные предназначены именно ему;

· подготавливает данные к передаче через плату сетевого адаптера и далее - по сетевому кабелю.

Компьютер-получатель в соответствии с протоколами выполняет те же действия, но только в обратном порядке:

· принимает пакеты данных из сетевого кабеля;

· через плату сетевого адаптера передает пакеты в компьютер;

· удаляет из пакета всю служебную информацию, добавленную компьютером- отправителем;

· копирует данные из пакетов в буфер - для их объединения в исходный блок данных;

· передает приложению этот блок данных в том формате, который оно использует.

И компьютеру-отправителю, и компьютеру-получателю необходимо выполнять каждое действие одинаковым способом, с тем чтобы пришедшие по сети данные совпадали с отправленными. Кроме того, эти действия (шаги) должны быть выполнены в одной и той же последовательности на каждом сетевом компьютере. На компьютере-отправителе эти действия выполняются в направлении сверху вниз, а на компьютере-получателе - снизу вверх.