Сетевые модели

Передача данных по сети – это процесс отправки сообщений из одного места в другое. Этот процесс очень сложен, так как приложения, генерирующие сообщения, выдвигают различные требования, а также сеть – это соединение разного оборудования, а значит, существует проблема совместимости.

Без принятия всеми производителями общепринятых правил построения сетей, работа их была бы невозможна.

В компьютерных сетях основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия.

На основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем, ставшая международным стандартом и справочным руководством при проектировании сетей и называемым OSI (Open Systems Interconnect).

Справочная модель OSI – это модель, которой большинство реально используемых протоколов не придерживается в точности, но применяет ее в качестве основы.

Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню (в том числе и транспортной среде) отводится конкретная роль. Благодаря этому общая задача передачи данных рас­членяется на отдельные, легко обозримые задачи.

Необходимые соглашения для связи одного уровня свыше расположенными и нижерасположенными уровнями называют протоколом.

Большое число уровней, используемых в модели, обеспечи­вает декомпозицию информационно-вычислительного процесса на простые составляющие. В свою очередь, увеличение числа уровней вызывает необходимость включения дополнительных связей в соответствии с дополнительными протоколами и интер­фейсами.

Таким образом, эта многоуровневая модель представляет собой иерархию уровней, которая предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.

При пересылке данных от приложения на узле А к приложению на узле В они начинают свой путь на высшем уровне узла А и проходят через каждый последующий уровень этого узла, пока не достигнут физической сети. На этом пути к данным добавляется дополнительная управляющая информация (заголовок), призванная гарантировать, что они попадут на узел В в целостном виде. Информация передается по физической сети и попадает на низший уровень узла В, затем она проходит все уровни узла В, пока не достигнет приложения на этом узле.

На этом пути по уровням узла В управляющая информация, добавленная к данным на узле А, удаляется уровень за уровнем, пока приложение не получит данные в виде, в каком они были отправлены приложением узла А.

Такой способ представления информации называется инкапсуляцией данных.

Функциональные уровни рассматриваются как составные независимые части процессов взаимодействия ИС.

Основные функции, реализуемые в рамках уровневых протоколов, состоят в следующем:

1. Уровень 1, прикладной (уровень прикладных программ или приложений) — определяет протоколы обмена данными этих прикладных программ — в его ведении находятся прикладные сетевые программы, обслуживающие файлы, а также выполня­ются вычислительные, информационно-поисковые работы, ло­гические преобразования информации, передача почтовых сооб­щений и т. п. Одна из задач этого уровня — обеспечить удобный интерфейс пользователя.

2. Уровень 2, представления данных (представительский, уровень обмена данными с при­кладными программами) — управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, осуществляет генерацию и интерпретацию взаимодействия процессов, кодиро­вание/декодирование данных, в том числе компрессию и деком­прессию данных (преобразование данных из промежуточного формата сессии в формат данных приложения).

На рабочих станциях могут использоваться различные опера­ционные системы: Windows, DOS, UNIX, OS/2. Каждая из них имеет свою файловую систему, свои форматы хранения и обра­ботки данных. Задачей данного уровня является преобразование данных при передаче информации в формат, который использу­ется в информационной системе.

При приеме данных этот уро­вень представления выполняет обратное преобразование.

Таким образом, появляется возможность организовать обмен данными между станциями, на которых используются различные опера­ционные системы.

Форматы представления данных могут различаться по сле­дующим признакам:

• порядок следования битов и размерность символа в битах;

• порядок следования байтов;

• представление и кодировка символов;

• структура и синтаксис файлов.

Компрессия, или упаковка, данных сокращает время переда­чи данных. Кодирование передаваемой информации обеспечива­ет защиту ее от перехвата.

3. Уровень 3, сеансовый (уровень сессии) — на данном уровне осуществляется управление сеансами (сессиями) связи между двумя взаимодействующими прикладными пользовательскими процессами (пользователями). Определяется начало и окончание сеанса связи: нормальное или аварийное; определяется время, длительность и режим сеанса связи, точки синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных, восстанавливается соединение после ошибок во время се­анса связи без потери данных.

Основная задача этого уровня: управление очерёдностью передачи данных и их приоритетом, выбор формы диалога пользователей (полудуплексная, дуплексная передача).

4. Уровень 4, транспортный — поддерживает непрерывную пе­редачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом удаленными пользовательскими процессами. Качество транс­портировки, безошибочность передачи, независимость вычисли­тельных сетей, сервис транспортировки из конца в конец, мини­мизация затрат и адресация связи гарантируют непрерывную и безошибочную передачу данных.

Транспортный протокол связывает нижние уровни (физиче­ский, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реали­зуются программными средствами. Этот уровень как бы разделя­ет средства формирования данных в сети от средств их передачи. Здесь осуществляется разделение информации по определенной длине и уточняется адрес назначения.

Сетевой уровень предоставляет услуги транспортному, который требует от пользователей запроса на качество обслуживания сетью.

После получения от пользователя запроса на качество обслу­живания транспортный уровень выбирает класс протокола, ко­торый обеспечивает требуемое качество обслуживания. При су­ществовании разных типов сетей транспортный уровень контро­лирует следующие параметры качества обслуживания:

• пропускную способность;

• надежность сети;

• задержку передачи информации через сеть;

• приоритеты;

• защиту от ошибок;

• мультиплексирование;

• управление потоком;

• обнаружение ошибок.

Транспортный уровень отвечает за надежность доставки данных: после проверки контрольной суммы принимается реше­ние о сборке сообщения в одно целое. Если сетевой уровень определяет только правила доставки информации, то транспорт­ный — отвечает за целостность доставляемых данных.

5. Уровень 5, сетевой - реализует функции буферизации и маршрутизации, т.е. прокладывает путь между отправителем информации и адресатом через всю сеть.

К сетевому уровню относятся протоколы, которые отвечают за отправку и получение данных, где определяются отправитель и получатель, и необходимая информация для доставки пакета по сети. На сетевом уровне работают сетевые устройства - маршрутизаторы.

Основная задача сетевого протокола – маршрутизация данных, прокладка в каждом физическом канале совокупности логических каналов, то есть два пользователя, соединённые логическим каналом работают так, как будто только в их распоряжении имеется физический канал. Каждый маршрут содержит адрес конечной сети, адрес следующего маршрутизатора и стоимость передачи данных по этому маршруту.

6. Уровень 6, канальный — представляет собой комплекс проце­дур и методов управления каналом передачи данных для передачи на следующий уровень, организу­ющий физическое соединение. При выполнении обратного преобразования канальный уровень формирует из данных, передаваемых физическим уровнем, так называе­мые «кадры», последовательности пакетов. Каждый пакет содер­жит адреса источника и места назначения, а также средства об­наружения ошибок. На этом уровне осуществляются:

• управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ;

• синхронизация;

• обнаружение и исправление ошибок.

К канальному уровню отнесены протоколы, определяющие соединение, — протоколы взаимодействия между драйверами устройств и устройствами, с одной стороны, а с другой — между операционной системой и драйверами устройств.

7. Уровень 7, физический уровень модели — определяет характери­стики физической сети передачи данных, которая используется для межсетевого обмена. Это такие параметры, как напряжение в сети, сила тока, число контактов на разъемах, электрические, ме­ханические, функциональные и процедурные параметры для фи­зической связи в системах. Физическая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 7-го уровня. В качестве среды передачи данных используют трехжильный медный провод (экранированная витая пара), коаксиальный кабель, оптоволоконный проводник и радиорелейную линию.

Физический уровень осуществляет как соединения с физиче­ским каналом, так и расторжение, управление каналом, а также определяет скорость передачи данных, топологию сети, механи­ческие и электрические характеристики, требуемые для подклю­чения, поддержания соединения и отключения физической цепи. Здесь определяются правила передачи каждого бита через физический канал. Канал может быть параллельным (передавать несколько бит сразу) или последовательным.