КОЛБАНЁВ МИХАИЛ ОЛЕГОВИЧ доктор технических наук, профессор Открытые инфокоммуникационные системы 1 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ Лекция о том, что представляют собой аппаратные и программные средства цифровых технологий на логическом уровне. Цель лекции: Рассмотреть основные принципы стандартизации технических решений, принимаемых при создании инфокоммуникационных сетей и систем. Рассматриваемые вопросы: 1. Суть концепции открытых сетей и систем. 2. Примеры эталонных моделей сетей и систем. Стандартизацией в области инфокоммуникации занимается множество различных организаций, в том числе: Международная электротехническая комиссия Internet Activities Board Стандартизация является неотъемлемым элементом любого массового производства. Первая организация по стандартизации информационных систем появилась в 1865 г. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 2 МЕЖДУНАРОДНЫЙ СОЮЗ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ (МСО - ITU) ITU – это МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ В ОБЛАСТИ СТАНДАРТИЗАЦИИ ПРИ ООН. Отвечает за разработку стандартов для телекоммуникационного оборудования и услуг. Включает три подразделения: ITU-T (телекоммуникационный сектор, ранее Международный консультативный комитет по телефонной и телеграфной связи - CCITT) отвечает за коммуникационные стандарты. Эта группа является наиболее активным разработчиком стандартов в сфере передачи данных по сетям. CCIR - международный консультативный комитет по радиосвязи. IFRB - международный комитет по регистрации частот, отвечающий за выделение радиочастот для телекоммуникаций. Состав комиссий МСЭ, активно действующих в настоящее время, дает представление о круге вопросов, подлежащих стандартизации: SG2 - Operational aspects SG3 - Economic and policy issues SG5 - Environment and climate change SG9 - Broadband cable and TV SG11 - Protocols and test specifications SG12 - Performance, QoS and QoE SG13 - Future networks (& cloud) SG15 - Transport, Access and Home SG16 - Multimedia SG17 - Security SG20 - IoT and applications, smart cities Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. http://www.itu.int/en/Pages/default.aspx 3 INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION (ISO) ПРЕДСТАВЛЯЕТ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ в качестве комитета – члена ISO. Объединяет около 200 стран. РОССИЮ ПО Деятельность ISO касается всех областей стандартизации, кроме электротехники и электроники, где стандарты готовит Международная электротехническая комиссия (IEC). К числу задач ISO относятся следующие: - содействие развитию стандартизации и смежных видов деятельности в мире с целью обеспечения международного обмена товарами и услугами; - развитие сотрудничества в интеллектуальной, научно-технической и экономической сферах. Международный стандарт ISO является результатом КОНСЕНСУСА МЕЖДУ УЧАСТНИКАМИ ОРГАНИЗАЦИИ. Он может использоваться или непосредственно как стандарт ISO, или путем внедрения в национальные стандарты заинтересованной страны. Международные стандарты разрабатывают технические комитеты и подкомитет ISO. Процесс принятия включает 6 стадий: СТАДИЯ 1: Стадия предложения. СТАДИЯ 2: Подготовительная стадия. СТАДИЯ 3: Стадия комитета. СТАДИЯ 4: Стадия вопросов. СТАДИЯ 5: Стадия одобрения. СТАДИЯ 6: Стадия публикации. Некоторые стандарты, популярные на сегодняшний день: ISO 9000 Управление качеством. ISO 14000 Экологический менеджмент. ISO 3166 Коды стран. ISO 26000 Социальная ответственность. ISO 50001 Энергетический менеджмент. ISO 31000 Управление рисками. ISO 22000 Управление безопасностью продуктов питания. ISO 27001 Управление информационной безопасностью. ISO 20121 Экологическая самоокупаемость мероприятий. И др. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. http://www.iso.org/iso/ru/ 4 IEEE (INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS) IEEE – это профессиональная организация, определяющая стандарты, связанные с сетями и другими аспектами электронных коммуникаций. Группа IEEE 802.x содержит описание сетевых спецификаций и содержит стандарты, рекомендации и информационные документы для сетей и телекоммуникаций. Рекомендации IEEE связаны главным образом с 1 И 2-М УРОВНЯМИ МОДЕЛИ OSI. Часть стандартов IEEE (802.1 - 802.11) была адаптирована ISO (8801-1 - 8802-11, соответственно), получив статус международных стандартов. ПОПУЛЯРНЫЕ СТАНДАРТЫ IEEE: Стандарт ANSI/IEEE C2-2007 National Electrical Safety Code (NESC), 2007 Edition Стандарт IEEE 81-1983 IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System Part 1: Normal Measurements Стандарт IEEE 80-2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding Стандарт IEEE 315-1975 Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams (Including Reference Designation Letters), Includes 315A-1986 Стандарт IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems Стандарт IEEE 829-1998 IEEE Standard for Software Test Documentation Стандарт IEEE 1012-2004 IEEE Standard for Software Verification and Validation Стандарт IEEE 141-1993 (R1999) IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants (IEEE Red Book) Стандарт IEEE 450-2002 IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Vented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications Стандарт IEEE 1149.1-2001 IEEE Standard Test Access Port and Boundary - Scan Architecture Стандарт IEEE C37.1 Standard for SCADA and Automation Systems Стандарт IEEE C37.91 Guide for Protecting Power Transformers Стандарт IEEE C57.13 IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. https://www.ieee.org/index.html 5 КОНЦЕПЦИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Разные реализации информационных процессов должны быть совместимы друг с другом. Для этого разработчики технологий должны договориться об общих правилах, которым надо следовать при принятии технических решений. Открытые системы – это одно из актуальных глобаль- ных и стратегических направлений развития информационных технологий, это задача, которая решается путем создания всеобъемлющих международных стандартов на программные и аппаратные интерфейсы между компонентами систем. Свойства открытых систем: 1) переносимость программного обеспечения, данных и пользователей с одной компью- терной платформы на другую. Это свойство, в частности, продлевает жизнь морально устаревшим системам, если их работа не может быть остановлена или хотя бы приостановлена для модернизации без остановки производственных процессов. 2) Интероперабельность – возможность взаимодействия независимо разработанных программных модулей, подсистем или функционально завершенных программных систем на уровне платформ и приложений. Это свойство требует открытых интерфейсов и дает возможность совместного использования информации и ресурсов компонентами распределенной системы. 3) Масштабируемость – возможность наращивания эффективности систем за счет модернизации аппаратных компонентов. Это свойство экономит средства при приспособлении систем к новым требованиям (изменении числа процессоров, узлов сети, обслуживаемых пользователей, обрабатываемых транзакций и т.п.). Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 6 ЧТО ТАКОЕ ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА? Открытая система В ТЕОРИИ СИСТЕМ – система, способная обмениваться с внешним окружением веществом, информацией и (или) энергией. «Закрытая» (изолированная) система не способна к такому взаимодействию. В ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ. Определение HP: Открытая система – это совокупность разнородных компьютеров, объединенных сетью, которые могут работать как единое интегрированное целое, независимо от того: 1) где они расположены; 2) как в них представлена информация; 3) кем они изготовлены; 4) под управлением какой операционной системы они работают. Определение POSIX (Portable Operating System Interface for Unix – переносимый интерфейс операционных систем Unix): Открытая система – это система, реализующая открытые спецификации на интерфейсы, службы и форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить: 1) возможность переноса (мобильность) прикладных систем, разработанных должным образом, с минимальными изменениями на широкий диапазон систем; 2) совместную работу (интероперабельность) с другими прикладными системами на локальных и удаленных платформах; 3) взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающем последним переход от системы к системе (мобильность пользователей). Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 7 ОСОБЕННОСТИ И ЗНАЧЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ 1. Концепция открытых систем является основным направлением развития инфор- мационных технологий, определяет эффективность информационных систем. 2. Конечным продуктом при развитии отрытых систем служат функциональные ПРОФИЛИ СТАНДАРТОВ, представляющие собой набор стандартов для данной области применения. 3. Технология открытых систем касается систем всех уровней и назначений. 4. В развитии и применении технологии открытых систем заинтересованы все кате- гории участников информационных технологий: пользователи; производители платформ – базовых средств вычислительной техники; разработчики прикладных систем и др. 5. Процесс развития и применения отрытых систем носит непрерывный характер, содержит много теоретических и практических проблем, в нем участвуют сотни организаций различного статуса. 6. Цена принятия того или иного стандарта – это положение на мировом рынке информационных продуктов и услуг, стандарты – инструмент конкурентной борьбы. 7. Даже в странах с рыночной экономикой процесс развития и применения откры- тых систем осуществляется под руководством правительства. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 8 АРХИТЕКТУРНЫЙ ПОДХОД К СТАНДАРТИЗАЦИИ Понятие «архитектура систем» возникло в середине XX в. в процессе создания и эксплуатации АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ (АСУ), которые представляют собой организационнотехнические системы, предназначенные для выработки решений с помощью автоматизации информационных процессов в ходе человеческой деятельности». ГЛАВНЫМ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫМ ПРИЗНАКОМ АСУ ОТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДРУГОГО ТИПА ЯВЛЯЛОСЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ – ПРОГРАММ И ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ. По сути все современные цифровые системы и цифровая экономика в целом – это также «softwareintensive systems» – «системы, которые интенсивно используют программное обеспечение». Наличие программного обеспечения как неотъемлемого элемента существенно усложняет все процессы жизненного цикла систем – разработку, проектирование, внедрение, эксплуатацию, эволюцию и др. IEEE Recommended Practice for Architectural Description of Software-Intensive Systems. Sept. 2000. IEEE Std 1471-2000. По мере развития цифровых технологий программные системы позволяют все более полно отображать особенности человеческой деятельности и становятся сложнее. Уже за период 60-80-х гг. XX в. СЛОЖНОСТЬ ПРОГРАММНОГО КОДА И ДАННЫХ достигла такого уровня, что разработчики столкнулись с тремя проблемами: - во-первых, затраты на создание программных систем стали расти экспоненциально по мере расширения круга решаемых с их помощью задач; - во-вторых, начала расти стоимость эксплуатации из-за необ-ходимости поддерживать программное обеспечение; - в-третьих, процессы модернизации систем стали сложнее и дороже, что уменьшало эффективность автоматизации. Решение этих проблем было отчасти нивелировано при помощи «Семь раз отмерь, более тщательной концептуальной проработки систем на один отрежь». начальных этапах работы по ее созданию. Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. 9 СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ «АРХИТЕКТУРА ЕСТЬ ФОРМА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ, ОБСЛУЖИВАЮЩАЯ КОНТРОЛЬ (С ПОМОЩЬЮ ПОНИМАНИЯ) ПРОЦЕССОВ ЕЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА». Соснин П.И. Архитектурное моделирование автоматизированных систем // http://venec.ulstu.ru/lib/disk/2008/Sosnin_2008.pdf Архитектурный подход при разработке систем дал очевидный положительный эффект. ЧТО ДАЛ АРХИТЕКТУРНЫЙ ПОДХОД: - снизил стоимость разработок; - сократил время, необходимое для внедрения систем и выхода на рынок; - уменьшил стоимость модерниза-ции, эволюции и эксплуатации; - улучшил качество работы и др. ЗА СЧЕТ ЧЕГО: появился универсальный язык взаимодействия разработчиков; на ранних стадиях разработки стала возможна оценка альтернативных технических решений и связанных с ними рисков; упростилось повторное использование предыду-щих решений; появился механизм управления эволюцией систем; появилась классификация изменений, поддающихся предвидению и др. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМ ИСПОЛЬЗУЕТ ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА. Это, в частности, означает, что все архитектурные решения формализуются в виде ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ и МНОГОУРОВНЕВЫХ (иерархических) описаний. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОПИСАНИЯ предполагают отдельную реализацию двух процессов: 1) планирования функций системы в целом и всех ее элементов, а также интерфейсов взаимодействия функциональных блоков друг с другом; 2) реализации этих функций при помощи тех или иных инструментальных средств. МНОГОУРОВНЕВЫЕ ОПИСАНИЯ предполагают разделение всех функций системы на нес-колько иерархически связанных групп, каждая из которых характеризуется уровнем абс-трагирования, т.е. объединяет только часть функциональности системы, востребованной на этом уровне, и абстрагируется от других функций. Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. 10 x1 . . . xm ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ И ИНТЕРФЕЙСЫ СИСТЕМ y1 Понятие функции системы означает следующее. Если систеЧерный ящик ма имеет m входов и n выходов и состояния входов и выхо. . дов в некоторый момент времени t описываются векторами . F yn Xt=(x1, x2,…, xm) и Yt=(y1, y2,…, yn), соответственно, то функцию системы задает соотношениеYt=F(Xt), устанавливающее зависимость состояний выходов от состояния входов. Модель системы, связывающая Yt и Xt , называется черный ящик. ФункционироваЧерный ящик ние (поведение) системы – это развернутая во времени последовательность ее реакций на изменение состояний входов. Функциональный подход состоит в независимом проектировании: - с одной стороны, функций системы и каждого из ее элементов; - с другой стороны, способов реализации этих функций. Интерфейс – это совокупность средств, методов и правил вза- имодействия между элементами открытой системы через их входы и выходы. Открытая система состоит из информационной, программной и аппаратной компонент, которые взаимодействуют друг с другом через стандартные интерфейсы. Интерфейс элемента не связан с реализацией, с его внутренним устройством. Для того, что бы использовать элемент незачем знать, как он реализован, достаточно знать, что он делает, какую функцию выполняет. 11 Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ x1 . . . xm Черный ящик, F Декомпозиция функции системы F на функциональные задачи F1, … Fn y1 . . . yn Функциональный подход к описанию информационного процесса реализуется следующим образом. 1) информационный процесс представляется как последовательность этапов реализации самостоятельных функций и каждая функция описывается отдельно. Выделение и описание функций F1 F2 … Fn 2) каждая функция рассматривается как черный ящик и описываются правила обмена данными (интерфейсы) с другими функциями. i2 im i1 i3 im-1 … F1 F2 Fn Описание интерфейсов 3) выбираются способы программной и (или) аппаратной реализации этапов информа- ционного процесса независимо друг от друга, следуя описанию функций и интерфейсов. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 12 МНОГОУРОВНЕВЫЕ ОПИСАНИЯ СИСТЕМ Функции сложной системы всегда образуют иерархическую структуру, поэтому поведение системы может быть описано через интерфейсы взаимодействия функций смежных иерархических уровней. Такой подход позволяет: 1) сделать сложную систему более простой для понимания; 2) разрабатывать технологии реализации функций каждого уровня независимо от реализации других уровней. Уровень образования повышается при движении снизу вверх: Дополнительное профессиональное образование. Высшее профессиональное образование. Среднее профессиональное образование. Начальное профессиональное образование. Дополнительное образование детей. Общее среднее образование. Дошкольное образование. ПРИМЕРЫ УРОВНИ СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ На каждом уровне системы образования разрабатываются специфические содержание и модели учебного процесса. Уровни поддерживают верхние и опираются на нижние, основываясь на достигнутой там подготовке учащихся. УРОВНИ ЯЗЫКОВОЙ СИСТЕМЫ Каждый уровень языковой системы представлен совокупностью однородных единиц и правил их использования. Единицы одного уровня вступают друг с другом в отношения для поддержки более высокого уровня. Фонемы составляют звуковые оболочки морфем, из морфем состоят слова, а из слов – предложения. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 13 МЕТАУРОВНИ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Для систематизации всех аспектов информационного взаимодействия служит уровневая модель, которая объединяет смысловую, аппаратно-программную и физическую компоненты. Их разделяет пространство, время или языковой барьер. Им нужны аппаратно-программные средства поддержки информационного взаимодействия Коммуникант А Им не нужны аппаратнопрограммные средства Аппаратнопрограммные средства ИТ Смысл Сообщение Сигнал Физическая среда взаимодействия Коммуникант B Аппаратнопрограммные средства ИТ Технологии изменяют физическую форму знаков языка взаимодействия Эта модель обобщает схему системы связи, которая предназначалась К. Шенноном для «точного или приближенного переноса сообщения между двумя точками пространства» Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. − М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. − 830 с. Колбанёв М.О. Зеленые инфокоммуникации. 14 ЭТАЛОННЫЕ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Эталон килограмма Эталон метра Эталон времени В науке нельзя обойтись без использования эталонов, эталонных описаний и моделей. В физике для стандартизации измерительных инструментов используют первичные эталоны. В информатике такое же значение имеют эталонные модели. Они нужны для стандартизации наиболее общих правил организации информационных процессов взаимодействия в цифровой среде на уровне этапов, функций и интерфейсов. Можно ли сказать, что в аналоговом мире эталоном являются законы природы? Эталонная модель (reference model) – это абстрактное, не связанное с реализаци- ей соглашение о способе информационного взаимодействия между объектами в электронной цифровой среде. Она вводит понятия, которые лежат в основе языка общения специалистов на всех этапах жизненного цикла систем и является инструментом для изучения технических решений, принятых разработчиками при создании систем. Эталонные модели задают архитектуру (функциональную организацию) будущей системы в виде совокупности функциональных компонентов, связей этих компонентов друг с другом и внешней средой, а также принципов проектирования структуры и поведения системы. Архитектура системы не связана с реализацией системы. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 15 ОСОБЕННОСТИ ЭТАЛОННЫХ МОДЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИОН. СИСТЕМ Эталонные модели описывают информационные процессы в цифровой среде взаимодействия и основаны на следующих предпосылках: 1) взаимодействие пользователей осуществляется при помощи компьютеров, которые управляются как единая система и состоят из набора аппаратных средств, программного обеспечения, периферийного оборудования, терминалов и т.д.; 2) информационный процесс может быть описан в виде последовательности отдельных функциональных задач независимо от способа их реализации; 3) функциональные задачи могут быть распределены по уровням взаимодействия, между которыми установлены уровневые иерархические взаимосвязи; 4) информацию пользователей сопровождает служебная (управляющая) инфор- мация, которая создается компьютерными системами до, во время и после информационного обмена и регулирует процесс информационного взаимодействия; 5) согласованию при разработке эталонных моделей подлежат - последовательности реализации этапов информационного процесса, - содержание и - интерфейсы каждой функциональной задачи. Эталонные модели принимаются в виде стандартов. Они конкретизируются и детализируются разработчиками в соответствии с возможностями информационных технологий и, в итоге, воплощаются в реальные системы. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 16 ПРИМЕРЫ ЭТАЛОННЫХ МОДЕЛЕЙ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Значительным результатом в создании открытых систем является разработка эталонных моделей для важнейших разделов области информационных технологий. К их числу относятся: 1. Модель открытых систем MUSIC (M - Management; U - User interface; S - Service interface for programs; I - Information and data formats; C - Communications interfaces). 2. Модель интерактивного взаимодействия компонент MIC (Model for Interactions between Components). 3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model). 5. Эталонная модель среды открытых систем OSE/RM reference model). (Оpen system environment/ 6. Эталонная модель управления данными (Reference model of data management). 7. Эталонная модель открытой распределенной обработки ODP (Open Distributed Processing). 8. Общая информационная модель CIM (Common Information model) Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. и много других. 17 Модель открытых систем MUSIC ВАЖНОЕ НАПОМИНАНИЕ: «В основе всех технических решений при построении информационных систем лежат согласованные ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И МНОГОУРОВНЕВЫЕ ОПИСАНИЯ информационных процессов. Главная цель разработки модели MUSIC заключается в выделении функциональных областей для разработки стандартов открытых систем. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 18 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ АСПЕКТЫ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Взаимодействие Персонал не должен переучиваться при переходе от одной системы к другой. Прикладные программы должны исполняться на любых системах. Данные должны быть переносимы из одной системы на другую. должно обеспечиваться свободным обменом данными между системами. АППАРАТНАЯ ПЛАТФОРМА И ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА Решение проблем мобильности персонала, прикладных программ, данных и взаимодействия основывается на системном Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. подходе. 19 МОДЕЛЬ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ «MUSIC» Наименование модели – это акроним от английских названий основных элементов, которые формируют функциональность открытых систем: M – Management (администрирование и управление); U - User interface (интерфейсы пользователя); S - Service interface for programs (интерфейсы операционной системы и приложений); I - Information and data formats (доступ к данным и информации); C - Comunications interfaces (коммуникационные интерфейсы). Модель MUSIC дает перечень процессов и функций открытых систем, которые требуют четкой стандартизации интерфейсов. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 20 МОДЕЛЬ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ «MUSIC» Интерфейсы пользователя Интерфейс системного администратора Интерфейсы приложений Коммуникационные интерфейсы Интерфейсы доступа к данным Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 21 АДМИНИСТРИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ Элемент Management реализует функции системной администрации, защиты данных, надежности системы, управления работой в сетях, учета использования ресурсов, поддержки конфигурации системы. Помогут эталонные модели! Эти функции создаются для системных администраторов и их стандартизация позволяет: улучшить мобильность профессиональных знаний специалистов в области информационных технологий; обеспечить централизованную поддержку всей неоднородной, зависимой от многих специалистов распределенной среды взаимодействия в целом. ТИПОВЫМИ ЗАДАЧАМИ СИСТЕМНОГО АДМИНИСТРАТОРА ЯВЛЯЮТСЯ: 1) подготовка и сохранение резервных копий данных, их проверка и уничтожение; 2) установка и конфигурирование обновлений операционной системы и приложений; 3) установка и конфигурирование нового аппаратного и программного обеспечения; 4) создание и поддержание в актуальном состоянии пользовательских учетных записей; 5) ответственность за информационную безопасность; 6) устранение неполадок в системе; 7) планирование и проведение работ по расширению сетевой структуры; 8) документирование всех произведенных действий и др. Задача стандартизации элемента «M» – разработка типового обобщенного списка процедур и интерфейсов для решения задач администрирования и управления. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 22 Элемент User ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ ИНТЕРФЕЙС interface реализует функции взаимодействия системы с человеком. Особое внимание в интерфейсе пользователя уделяется его удобству (юзабельности). Хороший пользовательский интерфейс учитывает человеческие слабости, перекладывает работу на машину, минимизирует ошибки и раздражение пользователя. Его основные «человеческие» характеристики – понятный, удобный, дружественный, красивый. Классификация пользовательских интерфейсов Командный WIMP Взаимодействие человека с системой осуществляется путем подачи команд, которые она выполняет пакетом или покомандно, и выдает пользователю полученный результат. SILK (window – окно, image – образ, menu–меню, pointer–указатель). Команды подаются через графические образы объектов и программ, вся работа происходит в окнах, которые содержат меню и являются метафорой рабочего стола с документами. В ч е р а С е г о д н я Мозго-машинный интерфейс (speech – речь, image – образ, language–язык, knowledge–знания). Основан на технологиях искусственного интеллекта, наиболее приближен к человеческой форме общения, использует речевую, биометрическую (мимическую) и семантическую технологии. с З а в т р а к о м п ь ю т е р о б е с е д н и к Задача стандартизации элемента «U» – обеспечить мобильность пользователя, его переход с системы на систему без изучения новых правил ввода/вывода однотипной информации. В компьютерах этот компонент реализуется операционной системой. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 23 ИНТЕРФЕЙСЫ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ И ПРИЛОЖЕНИЙ Элемент Service interface for programs обеспечивает взаимодействие прикладных программ с аппаратными и программными средствами системы. Прикладная программа (приложение) – программа, рассчитанная на непосредственное взаимодействие с пользователем и предназначенная для выполнения определенных пользовательских задач. Системное программное обеспечение и его важнейшая часть операционная система (ОС) – это комплекс программ, которые обеспечивают работу других программ и управляют аппаратными ресурсами (процессором, оперативной памятью, устройствами ввода-вывода, сетевым оборудованием и др.). Оно выступает посредником между приложениями и аппаратурой. Библиотека (набор функций или подпрограмм), предоставляемых ОС прикладным программистам, называется Упрощенное уровневое представление компьютера Прикладные программы Интерфейс прикладного программирования Операционная система Аппаратная платформа Физические устройства «интерфейс прикладного программирования» – API (Application Program Interface). Все особенности ОС для программиста сконцентрированы в ее API. Разные ОС, имеющие одинаковый набор функций API, кажутся программистам одной и той же ОС. Задача стандартизации элемента «S» и операционных систем в части функций API – обеспечить переносимость приложений между внутренне различными ОС. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 24 ДОСТУП К ДАННЫМ И ИНФОРМАЦИИ Элемент Information and data formats обеспечивает взаимодействие приложений через использование ими одних и тех же данных (обмен данными). Обмен данными требует, помимо прочего, согласования: 1) типов данных – множеств возможных значений данных каждого типа и допустимых действий над ними. 2) форматов данных – способов описания элементов и структур данных. 3) правил хранения данных – способов доступа к материальным носителям данных. Возможность прикладной Материальные носители Форматы данных можно программы работать с данданных с приспособлениизменять при помощи ными того или иного типа ями для записи/считываспециальных программ зависит от использованного ния называются запомина(конверторов). языка программирования. ющими устройствами. Огромные объемы информации, которые хранят современные информационные системы, заставляют создавать сети хранения данных (СХД). СХД – это специализированная программно-аппаратная система по организации надежного хранения данных и предоставления гарантированного доступа к ним, включающая дисковые, ленточные и оптические накопители большой емкости, собственные сетевое оборудование и операционную систему. Задача стандартизации элемента «I», в первую очередь, обеспечить переносимость данных за счет стандартных интерфейсов с системой хранения данных. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 25 КОММУНИКАЦИОННЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ Элемент Comunications interfaces обеспечивает обмен данными между открытыми системами по неоднородным локальным и глобальным телекоммуникационным сетям. В процессе взаимодействия открытая система рассматривается как единое целое. Главное – обеспечить передачу данных к другой открытой системе через соединения из неоднородных участков сетей, которые могут отличаться технологическими, энергетическими, логическими, экономическими, надежностными и другими характеристиками. Тип данных Данные Сегменты Объект стандартизации Процессы предоставления информационных услуг, использующих локальным локальным телекоммуникационные сервисы Адресация приложений открытых систем и процесс передачи данных между приложениями разных открытых систем Пакеты Адресация локальных сетей и процесс передачи данных по глобальным сетям между локальными сетями Кадры Адресация открытых систем и процесс передачи данных по локальным сетям между открытыми системами Биты Процесс физической передачи цифровых данных по каналу связи Задача стандартизации элемента «С» обеспечить информационное взаимодействие территориально разнесенных пользователей за счет стандартных интерфейсов открытых систем с телекоммуникационными сетями. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 26 Модель интерактивного взаимодействия компонент MIC (Model for Interactions between Components) ВАЖНОЕ НАПОМИНАНИЕ: «В основе всех технических решений при построении информационных систем лежат согласованные ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И МНОГОУРОВНЕВЫЕ ОПИСАНИЯ информационных процессов. Главная цель разработки модели MIC заключается в стандартизации уровневой организации каждой функциональной области открытых систем. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 27 НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ УРОВНЕВОГО ОПИСАНИЯ СИСТЕМ Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Издательство "Мир", 1973. - 344 с. Любая система может быть представлена множеством функциональных структур. Выбор той или другой структуры зависит от целей, которые ставит перед собой субъект деятельности. Во многих практических ситуациях оказывается целесообразным описание системы в виде иерархии. Все иерархические представления характеризуются: Иерархическое представление - вертикальным расположением системы подсистем, - приоритетом целей и действий Вход Выход Функциональная подсистем верхнего уровня, задача уровня n - зависимостью подсистем верхнего уровня от ис-полнения функций подсистемами нижнего уровня. Обратная ... Влияние Вход Функциональная задача уровня 2 Влияние Вход связь Выход Обратная связь Функциональная задача уровня 1 Выход Как и в общей кибернетической модели управления, эффективность функционирования системы в целом обеспечивается циркуляцией информации между управляющими (вышестоящими) и управляемыми (нижестоящими) элементами по прямой и обратной связям. Виды иерархий: - страты (уровни описания), - слои (уровни принятия решений), - эшелоны (уровни управления). Могут быть выделены и другие виды иерархий, но этих трех достаточно, чтобы описать процессы функционирования большинства систем. Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. 28 СТРАТЫ – УРОВНИ ОПИСАНИЯ Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Издательство "Мир", 1973. - 344 с. При построении моделей больших систем исследователь обязан найти компромисс между простотой и сложностью описаний. На этом пути возможны ошибки двух видов: - описание не учитывает многие детали системы, что ведет к очень простой и понят-ной модели, которая, однако, не может использоваться при моделировании, т.к. плохо отражает самые главные свойства системы (вместе с водой выплеснули ребенка); - описание до малейших подробностей учитывает особенности системы, но настолько громоздко, что за частностями не видно общих системных свойств, подлежащих изучению (за деревьями не видно леса). Стратифицированное описание представляет собой инструмент для решения этой проб-лемы, оно связывает воедино иерархическим представлением семейство моделей, каждая из которых описывает поведение системы с разных точек зрения, на разных уровнях абстрагирования. Эффективность стратификации тем выше, чем меньше связаны друг с другом модели разных страт. Свойства стратифицированных описаний: - выбор страт зависит от целей исследования; Две страты компьютера - из законов построения моделей на одних стратах Вход Выход 2. Программное нельзя вывести модели других страт, модели разных обеспечение страт не связаны друг с другом; Результат Команда - принципы, заложенные в построение системы на верхней страте, выступают ограничениями при выборе законов Вход Выход 1. Аппаратное построения нижележащих страт; обеспечение - каждая страта характеризуется своим набором терминов, Свойства стратифицированных описа-нии концепций и принципов; иллюстрирует модель компьютера - понимание системы выше на верхних стратах. Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. 29 СЛОИ – УРОВНИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Издательство "Мир", 1973. - 344 с. В процессе принятия решений всегда возникает противоречие, связанное с необходи-мостью: - удовлетворить требованиям реального времени. Решения, принятые с опозданием зачастую теряют смысл; - собрать и обработать как можно больший объем информации, от которой зависит выбор того или иного решения. Одним из инструментов для решения этой проблемы является уровневый подход, в со-ответствии с которым исходная проблема, требующая решения, разбивается на семейст-во иерархически связанных задач. Связи между задачами устанавливаются таким образом, чтобы решение, принятое ниже-лежащим уровнем, давало информацию для принятия решения на смежном вышележа-щем уровне. Исходная проблема будет решена, когда структурированную на нижних уровнях иерар-хии информацию получит самый верхний уровень модели. Примеры построения многослойных моделей систем: - слои принятия решения в пакетной сети CISCO, как и любой другой сети связи, разделяют принятие решения о выборе соединения между терминалами на три задачи: соединение в сетях доступа, распределения и ядре сети; - решение об отчислении студента или переводе его на следующий курс делится между преподавателями (нижний слой), заведующими кафедрами и, в конце концов, ректором. Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. 30 ЭШЕЛОНЫ – УРОВНИ УПРАВЛЕНИЯ При построении реальных систем те задачи, которые были выделены при многослой-ной декомпозиции конкретных проблем, группируются таким образом, чтобы в совокуп-ности составить область деятельности некоторой подсистемы – элемента структуры ис-ходной системы. Выделение структурных элементов для решения какой-либо одной за-дачи, как правило оказывается неэффективным. Линейная структура В результате возникает многоуровневая структура управления, в которой каждый уровень называется эшелоном. Наиболее известными примерами многоэшелонных систем явля-ются организационные структуры. В государственной программе «Цифровая экономика Российской Федерации» выделяются три независимые подсистемы, соответствующие трем эшелонам управления. Каждый эшелон имеет право принятия решений в рамках своих компетенций. Иерархические связи эшелонов указывают на влияние вышестоящих на нижестоящие при том, что на каждом уровне имеется значительная самостоятельность в выборе целей на каждом уровне имеется значительная самостоятельность в выборе целей и способов их достижения: - цель первого – создание цифровых систем и технологий; - цель второго – формирование правовой, образовательной, инфраструктурной, безопасной среды для цифровизации; - цель третьего – это внедрение моделей деятельности на конкретных предприятиях. Предполагается, что здесь влия-ние государства должно быть минимальным. Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. Эшелоны управления ЦЭ Эшелон 3 Рынки и отрасли Эшелон 2 Социальная среда Эшелон 1 Технологическая среда 31 КАК СВЯЗАНЫ УРОВНИ СИСТЕМЫ РАЗНОГО ТИПА? Каждый вид иерархии используется для решения своего специфического класса задач и выделение уровней при описании системы, декомпозиции решаемых ею проблем и разработке организационной структуры зависит от субъективного взгляда исследователя. ВЗАИМОСВЯЗЬ УРОВНЕЙ СЕТЕЙ СВЯЗИ МОЖЕТ БЫТЬ ПРЕДСТАВЛЕНА СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ. ЭШЕЛОНЫ – УПРАВЛЕНИЕ СЛОИ – ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ Магистральная сети Узлы и линии связи Организационная структура управления Узлы и линии связи Операторы связи Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. Прикладной Представления Сеансовый Региональные сети Организационная структура управления СТРАТЫ – УРОВНИ ОПИСАНИЯ Транспортный Сетевой Канальный Местные сети Узлы и линии связи Физический Физическая среда ЭМВОС 32 УРОВНИ УПОРЯДОЧЕННОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ Информационные ресурсы – это доступные людям (цифровые) данные, которые мо-гут быть использованы для поддержки процессов деятельности в предметных областях. Философский взгляд на иерархию информационных ресурсов отражает МОДЕЛЬ DIKW (DATA, INFORMATION, KNOWLEDGE, WISDOM - ДАННЫЕ (Д), ИНФОРМАЦИЯ (И), ЗНАНИЯ (З), МУДРОСТЬ (М)). Переход на верхний уровень этой модели добавляет новые свойства, способствующие более эффективному использованию информации. СОПОСТАВЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ DIKW И ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ n ... З – информационная модель некоторой предметной области Модель цифровой технологии И – данные в определенном контексте Д – символы (знаки), не объединенные какими-либо связями (контекстом) David Weinberger The Problem with the Data-Information-Knowledge-Wisdom Hierarchy // Harward Business Review. — 2010. 2 1 Метаданные (МД) ЦД n иерархических уровней цифровых данных (ЦД) ЦД ЦД МД МД Детализация ЦД Модель DIKW М – знания в конкретных усло-виях деятельности Модель мышления Для упорядочения цифровых данных формируются метаданные – данные о данных. Чем больше метаданных, тем большей упорядоченности можно достигнуть. При этом растет объем цифровых данных. Упорядочение ЦД Модель DIKW не зависит от технологий и от-ражает творческий мыслительный процесс ра-боты человека с данными. Предполагается, что объем упорядоченных данных меньше, чем исходных. https://www.civisbook.ru/files/File/Elemenkina.pdf Кузнецов Н.А., Мусхешвили Н.Л., Шрейдер Ю.А. Информационное взаимодействие как объект научного исследования. Вопросы философии. N 1, 1998. Колбанёв М.О. Архитектура цифровой экономики. Седякин В.П., Цветков В.Я. Философия информационного подхода: Монография: МАКС Пресс, 2007. 33 ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ: ЭТАП 1. Аналого-цифровое преобразование исходной информации, полученной естественным путем в предметной области, и формирование массива цифровых данных, подлежащих дальнейшему преобразованию. ЭТАП 2. Разделение этого массива на блоки цифровых данных, поскольку преобразование массива по одному биту неэффективно, а всего массива целиком невозможно. ЭТАП 3. Сопоставление каждому выделенному блоку данных метаданных, которые позволяют отличить один блок от другого и, при необходимости, восстановить исходный массив. Чем больше особенностей надо выделить в блоках данных, тем больше отдельных полей метаданных им сопоставляется. ЭТАП 4. Поблочное преобразование исходного массива по определенному алгоритму, разработанному в предметной области, и формирование новых цифровых блоков из исходных с сопоставлением им новых метаданных. Преобразование исходных данных и метаданных может повторяться многократно, в зависимости от количества фаз, предусмотренных алгоритмом преобразования. ЭТАП 5. Цифро-аналоговое преобразование окончательно сформированного нового массива цифровых данных для получения естественного (аналогового) представления новой информации. ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ СВЯЗАН С ДОБАВЛЕНИЕМ К ИСХОДНЫМ ДАННЫМ МЕТАДАННЫХ, без которых было бы невозможно отличить друг от друга два цифровых блока. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 34 БЛОКИ ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ Все сохраняемые, распространяемые и обрабатываемые данные имеют разный битовый объем. Цифровые технологии никогда не оперируют с данными объемом в 1 бит или сразу со всем объемом преобразуемых данных. Общий прием, который используется при преобразовании данных, заключается в разделении преобразуемых данных на блоки. Вид базового информационного процесса При сохранении блоки данных занимают память определенного размера и представляют собой стандартный адресуемый объем сохраняемой информации. При распространении блоки данных требуют определенного количества стробирующих импульсов для их перемещения по каналу связи и представляют собой стандартный объем данных, который рассматривается как самостоятельный информационный объект. При обработке блоки данных имеют разрядность регистров процессора и представляют собой группу бит, значение которых изменяется одновременно за некоторое количество тактов. Выделение блоков цифровых данных для преобразования никак не связано со смыслом преобразуемой информации. В процессе сохранения, распространения и обработки размер блоков данных изменяется за счет добавления к ним служебных данных – метаданных. Процесс последовательного добавления метаданных формирует из блоков данных различного размера иерархию, такую, что блок верхнего уровня включает в себя блоки нижнего уровня. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 35 ПРИМЕРЫ БЛОКОВ ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ Все дисковое пространство разделяется на сектора, объединяемые в кластеры. Сектора жесткого диска Сектор – это минимальная единица хранения данных на диске, обычно его размер составляет 512 байт. Сектор жесткого диска помимо данных содержит метаданные – идентификатор (59 байт) с признаками начала сектора, защитными интервалами, номерами цилиндра, головки и сектора, контрольными суммами и др. Кластер – это минимальный объем памяти, который объединяет несколько секторов и формируется операционной системой для сохранения файлов на диске. Часто размер кластера равен 64 Кбайт. IP-пакет В сети интернет формирование блоков данных начинается на уровне локальных сетей, где блок носит название кадр. Для взаимодействия разных локальных сетей кадр дополняется новыми метаданными и получает название пакет. IP-пакет IPv4 может иметь размер до 65535 байт. Служебные данные занимают от 20 байт. Дополнительные метаданные нужны для описания принадлежности пакетов к различным процессам внутри компьютера. Добавление этих данных к пакету превращает его в сегмент. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 36 МНОГОУРОВНЕВЫЕ МОДЕЛИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Для того, чтобы отличить один блок данных от другого и использовать по назначению имеющийся в нем информационный фрагмент, необходимо «помечать» каждый блок служебными данными (метаданными). Все действия, выполняемые программным обеспечением информационной системы при работе с блоком цифровых данных, разделены между алгоритмами, которые работают с частью данных, размещенных в некоторой определенной части блока. Размер (длина) блока цифровых данных (бит) Поле данных пользователя Поле данных содержит часть информации пользователей, включенной в этот блок Поле метаданных Поле метаданных … Поле метаданных Эти поля метаданных несут служебную информацию. Каждое из них обрабатывается специальными алгоритмами. ПРИ РАБОТЕ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ РЕАЛИЗАЦИЯ ВСЕХ ОПЕРАЦИЙ РАБОТЫ С БЛОКОМ ДАННЫХ ПРИ ПОМОЩИ ОДНОГО АЛГОРИТМА НЕ ВОЗМОЖНА! Все поля (отдельные части блока данных) формируются и обрабатываются последовательно, поэтому поля, также как и связанные с ними алгоритмы, должны быть организованы иерархически. Реализация зависит от уровня технологии. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. Алгоритм K … Поле метаданных Алгоритм 2 Поле метаданных Алгоритм 1 Поле метаданных Алгоритмы должны выполняться в определенном порядке 37 ЦЕЛИ РАЗРАБОТКИ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ОПИСАНИЯ ЦИФРОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ Разработка любой цифровой технологии всегда основывалось, основывается и будет основываться на стандартизированных стратифицированных эталонных моделях. Стратифицированное описание должно отображать последовательное изменение исходных массивов данных и метаданных на этапах реализации алгоритмов. В РЕЗУЛЬТАТЕ: - весь процесс разделяется на более простые части – уровни и уровневые алгоритмы обработки данных; - вырабатываются общие понятия и терминология; Поля Поля Уровни данных метаданных модели - выделяется базовая функциональность алгоритмов на уровнях иерархии; - формируются компетенции специалистов, изучающих и реализующих разные алгоритмы; - упрощается задача организации взаимодействия продуктов, реализующих подпроцессы и др. МД ... МД Блок данных уровня i ... Д МД МД ... МД Иерархию цифровых процессов можно представить именно так СТРАТИФИЦИРОВАННЫЕ ОПИСАНИЯ ПРЕВРАЩАЮТ ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ ИЗ АБСТРАКТНОЙ КОНЦЕПЦИИ В ОБОЗРИМУЮ ЗАДАЧУ. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 38 МОДЕЛЬ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ «MIC» Примером стратифицированного описания процессов информационного взаимодействия может служить модель интерактивного взаимодействия компонент MIC (Model for Interactions between Components). Столбцы модели соответствуют основным компонентам цифровых компьютерных систем, которые формируют их функциональность при организации обмена данными. Страты описания Область пользователя Спецификация 7. Общее описание интерфейса пользователя 6. Инструментарий Генераторы форм и высокого уровня отчетов Объектное 5. Инструментарий кодирование низкого уровня (символы) 4. Системы Многооконность высокого уровня 3. Система Драйверы низкого уровня 2. Исполнительные устройства Интерфейсы высокого уровня 1. Исполнительные устройства Периферия низкого уровня Область систем и процессов (обработка) Спецификация процессов Утилиты Язык команд и программирования Система высокого уровня Ядро операционной системы Информационная область (сохранение) Данные концептуального характера Декларативные языки (SQL, HTML, XML, …) Язык запросов (напр. для поисковых систем) Доступ к данным Файловые системы Центральный процессор Память Шины Шины и внешние накопители большой емкости Коммуникационная область (распространение) Спецификации коммуникаций Прикладной уровень OSI Сеансовый и представительский уровни модели OSI Транспортный уровень модели OSI Сетевой уровень модели OSI Канальный уровень модели OSI Физический уровень модели OSI Строки соответствуют стратам модели. Первая (нижняя) страта определяет процессы нижнего уровня, реализуемые, например, шинами доступа к цифровым данным. Седьмая (верхняя) страта – процессы обмена сообщениями с прикладной программой пользователя. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 39 ОБЩИЙ ПРИНЦИП ВЫДЕЛЕНИЯ СЕМИ УРОВНЕЙ Уровень 5. Уровень 4. Уровень 3. Уровень 2. Уровень 1. Системы Уровень 6. Устройства Уровень 7. Инструментарий УРОВНИ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Сеанс связи – действия, совершаемые или инициированные пользователем, с целью передачи и (или) приема данных или получения других услуг сетей связи, а также соответствующая совокупность операций взаимодействия между средствами связи, порождаемых этими действиями. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Какие услуги? Кто участвует во взаимодействии? Как управлять прикладным процессом? На каком языке (каким кодом) представлять данные? Например, какими алгоритмами сжимать и шифровать данные? Как организовать сеанс взаимодействия? Как выделить данные, используемые при взаимодействии двух процессов разных устройств? Как выделить блок данных на уровне разных устройств сети? Это удобный для приложений объем данных. Как выделить блок данных на уровне устройства? Это минимальный объем данных, с которым работают технологии. Какие физические принципы используются при построении физических устройств, цепей и сигналов? Это уровень бита. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 40 АРХИТЕКТУРНЫЕ ПОНЯТИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Пользователь формирует данные Открытая система Данные … i+1 i-уровень i-1 … Физическая среда взаимодействия Интерфейс Служба Интерфейс Все действия (функции), выполняемые открытой системой, ВСЕГДА разделяются на уровни, между которыми устанавливается иерархическая соподчиненность. На каждом из уровней решается три задачи: 1) прием данных и метаданных от соседнего уровня; 2) обработка полученных метаданных; 3) передача данных и новых метаданных другому соседнему уровню. i-уровень – подраздел архитектуры, элементы которого непосредственно взаимодействуют только с элементами смежных (i+1)-го и (i-1)-го уровней этой открытой системы. i-услуга – это функциональная возможность i-го и нижерасположенных уровней, предоставляемая (i+1)-у уровню. i-служба – это весь набор услуг, предоставляемых (i+1)-у уровню. Интерфейс – это весь комплекс правил взаимодействия с соседними уровнями. Модель функционирования: данные пользователя поступают в открытую систему, последовательно проходят все уровни архитектуры от верхнего до нижнего, где преобразуются метаданные, затем обрабатываются в физической среде и возвращаются к пользователю, проходя уровни архитектуры в обратном порядке. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 41 АРХИТЕКТУРНЫЕ ПОНЯТИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Обмен данными между системами предполагает взаимодействие ДВУХ ИЕРАРХИЙ. Данные информационного взаимодействия называются СООБЩЕНИЕ. Смысл Прикладной процесс – это источник и потребитель информации в открытой системе, будь то человек или программа. Прикладной процесс А Соединение – это состояние, при котором между открытыми системами передаются данные. Модель взаимодействия: 1) данные, подготовленные прикладным процессом А, поступают в открытую систему А и последовательно проходят все уровни архитектуры от верхнего до нижнего, поучая на каждом уровне новые метаданные. В конце концов данные пользователя вместе с метаданными преобразуется в сигнал и через физическую среду взаимодействия передается открытой системе В; 2) открытая система В принимает сигнал и последовательно обрабатывая метаданные на всех уровнях архитектуры от нижнего до верхнего, превращает сигнал в данные, которое передается прикладному процессу В. Прикладной процесс В Сообщение Сообщение … … Служба i+1 i+1 Уровень i Уровень i i-1 Протокол … i-1 … Сигнал Физическая среда взаимодействия Метаданные, сформированные на уровне i системы A, предназначены только уровню i системы B. Протоколы – это правила взаимодействия одноуровневых компонентов двух открытых Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. систем при помощи метаданных. 42 КАК РЕАЛИЗУЕТСЯ ПРОЦЕСС ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ? Процесс взаимодействия открытых систем состоит в взаимодействии одноименных уровней систем друг с другом. В грубом приближении его можно сравнить с оформлением почтовых конвертов на каждом из уровней. На передающей стороне данные пользовате- ля проходят все иерархические уровни открытой системы сверху вниз. На самом верхнем уровне N они запечатываются в первый конверт, на котором записываются метаданные для уровня N приемной стороны. После поступления на уровень N-1 этот конверт вкладывается в новый конверт с метаданными для уровня N-1 приемной стороны и т.д. На уровне 1 формируется последний конверт, который несет метаданные уровню 1 приемной стороны. По сети передается «матрешка» из всех N конвертов. Данные уровня N Данные уровня N-1 Данные уровня N-2 Данные уровня N-3 На стороне приема пакеты из сети сначала Данные уровня N-4 передаются на уровень 1, на котором обрабатыи т.д. ваются метаданные верхнего конверта, а его содержимое передается на уровень 2 и т.д., пока данные пользователя не будут переданы пользователю. Таким образом, при приеме происходит обратный процесс. Каждый уровень использует метаданные, зафиксированные на соответствующем конверте и после его вскрытия передает содержимое на более высокий уровень. Пользователь, в результате, получает лишь предназначенную ему исходную информацию. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 43 Модель взаимодействия открытых систем OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model) Проблема стандартизации процесса взаимодействия компьютеров по сетям связи возникла в 70-х годах XX века. Принципиальный подход в 1983 году разработала ISO, предложив стандарт OSI/RM. Эта модель, ее соответствие стеку протоколов интернет, описание всех протоколов и любые другие связанные с ней материалы можно подробно изучить по книге Кожанов Ю.Ф., Колбанёв М.О. Интерфейсы и протоколы сетей следующего поколения. СПб.: ГУАП, 2009. – 258 с., которая доступна в облаке. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 44 МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Международная Организация по Стандартизации (ISO) создала эталонную модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС, OSI/RM), которая определяет семиуровневую организацию процесса взаимодействия. ЭМВОС – это один из элементов модели MIC. ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ информация информация 7. Прикладной уровень 6. Представительн. уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень 7 инф. 6 7 инф. 5 6 7 инф. 4 5 6 7 инф. 3 4 5 6 7 инф. 2 3 4 5 6 7 инф. 1 2 3 4 5 6 7 инф. Прикладной процесс Б инф. 7 Равноуровневые протоколы Прикладной процесс А Открытая система А инф. 7 6 инф. 7 6 5 инф. 7 6 5 4 инф. 7 6 5 4 3 инф. 7 6 5 4 3 2 инф. 7 6 5 4 3 2 1 7. Прикладной уровень 6. Представительн. уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень Открытая система Б Физическая среда передачи Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 45 ИНКАПСУЛЯЦИЯ (ВЛОЖЕНИЕ) ПРОТОКОЛЬНЫХ БЛОКОВ При прохождении каждого иерархического уровня сверху вниз данные пользователя дополняются метаданными (протокольными данными, заголовками). Этот процесс называется инкапсуляцией протокольный блоков (как «вложение конвертов»). На разных уровнях модели протокольные блоки имеют разное название: - на канальном уровне – кадр (передается между рабочими станциями внутри локальной сети), - на сетевом уровне – пакет (передается между маршрутизаторами и (или) локальными сетями), - на транспортном уровне – сегмент (передается между процессами (приложениями)). Заголовок (Служебные поля) Поле данных (Информация вышележащего уровня) 7 7 6 ... 5 Упаковка 6 Сообщение ... Поле данных Заголовок транспортного уровня 4 транспортный 3 сетевой 2 канальный Прием Заголовок Заголовок Поле данных сетевого уровня Поле данных канального уровня 1 физический Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 5 Сегмент (фрагмент) 4 транспортный Пакет (дейтаграмма) 3 сетевой Кадр (фрейм) 2 канальный Разупаковка Передача Протокольный блок данных (PDU - protocol data unit) 1 физический 46 ПРИМЕР ИНКАПСУЛЯЦИИ ПРОТОКОЛЬНЫХ БЛОКОВ Сегмент(фрагмент) 4 транспортный 4 транспортный Заголовок 3 сетевой 2 канальный Заголовок Поле данных Пакет (дейтаграмма) 3 сетевой Кадр (фрейм) 2 канальный Поле данных IP-пакет (дейтаграмма): Тип сервиса Номер версии Длина заголовка 4 бита 4 бита PR(3 бита) Идентификатор пакета Время жизни 8 бит 8 Общая длина бит 16 D(1 бит) T(1 бит) R(1 бит) резерв 16 Флаги бит D Протокол верхнего уровня 8 IP адрес источника 32 бита IP адрес назначения 32 бита бит бит Смещение фрагмента M Контрольная сумма 13 бит Сетевой 16 бит Выравнивание заголовка ДАННЫЕ(максимальная длина 65515 байт) обычно 1480 байт Протокольный блок транспортного уровня Кадр Ethernet: Преамбула 56 бит Флаг Адрес отправителя (признак начала кадра) ( MAC - адрес ) 8 бит 16 - 48 бит Адрес Длина текста получателя ( MAC - адрес ) (Тип кадра) 16 - 48 бит Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 16 бит ДАННЫЕ (46-1500 байт) Контрольные разряды 32 бита Канальный 47 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПРОТОКОЛОВ ПО УРОВНЯМ МОДЕЛИ ЭМВОС HTTP, SMTP, SNMP, FTP, Telnet, SSH, SCP, SMB,NFS, RTSP, 9P, BitTorrent, BOOTP, DNS, NFS, POP, POP3, IMAP, RTP, SPDY, X.400, X.500, RDP 7 Прикладной, «данные» 6 Представления, «данные» XDR, AFP, TLS, SSL 5 Сеансовый, «данные» 4 Транспортный, «сегмент» TCP, UDP, SCTP, SPX, RTP, ATP, DCCP, GRE 3 Сетевой, «пакет» IP, PPP, ICMP, IGMP, CLNP, OSPF, RIP, IPX, DDP, ARP, RARP, BGP 2 Канальный, «кадр» Ethernet, Token ring, HDLC, X.25, Frame relay, ISDN, ATM, MPLS 1 Физический, «бит» электрические кабели, радио эфир, волоконнооптические кабели ISO 8327 / CCITT X.225, RPC, NetBIOS, ASP Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 48 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ ЭМВОС МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ СЕТИ Элементы цифровых сетей могут выполнять только часть алгоритмов на части иерархических уровней. Открытая система А Открытая система А Сеть Оконечный пользователь Оконечный пользователь 7. Прикладной уровень 6. Представительный уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень Центр коммутации 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень 7. Прикладной уровень 6. Представительн. уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень Физическая среда Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 49 СЕТЕЗАВИСИМЫЕ УРОВНИ ЭМВОС (уровни 1, 2, 3) Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети, с используемым коммуникационным оборудованием. С точки зрения этих уровней сеть связи представляет собой совершенно разные объекты. Сетевой уровень «видит» сеть как набор коммутационных (маршрутизирующих) узлов, которые образуют сеть с единым адресным пространством и произвольной топологией. Каждый узел знает правила взаимодействия с соседними узлами, пересылая им данные, полученные от других узлов, совместно с информацией по какому адресу эти данные надо переслать далее. Канальный уровень «видит» сеть как набор компьютеров, соединенных в локальную сеть с определенной топологией. Для взаимодействия каждый компьютер имеет свой адрес, известный другим компьютерам, и доступ к общей для компьютеров среде передачи данных. Наличие общей среды заставляет компьютеры договариваться о том как разрешить коллизии, возникающие при одновременной попытке нескольких компьютеров захватить среду. Физический уровень «видит» сеть как набор «проводов» (медных и (или) оптических кабелей, эфира) с их техническими характеристиками (диаметр жил, длинна кабеля, диапазон частот и т.п.), по которым передаются сигналы (электрические, световые, радио-волны) с известными параметрами (частота электрических колебаний, длина волны светового луча, уровень радиосигнала и т.п.). Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 7. Прикладной уровень 6. Представительный уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень 50 ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ Протоколы физического уровня отвечают за передачу битов по физическим каналам, таким, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или эфир. На этом уровне определяются характеристики физических сред передачи данных и параметров электрических сигналов, включая механические и другие характеристики разъемов. Важными функциями этого уровня являются физическое кодирование (модуляция) бит данных и побитовая синхронизация. Физическое кодирование. Данные, пере- даваемые устройством, преобразуются в поток битов, а протокол физического уровня содержит правила, определяющие, как физически представляется (кодируется) логический «0», а как логическая «1». Это необходимо для корректной интерпретации бит на приемной стороне. Побитовая синхронизация. Витая пара Приемное устройство должно иметь возможность определить, где кончается один бит и начинается другой. Для этого на приемной стороне надо знать длину бита. Тогда: - если данные передаются изменением потенциала импульса, то одним из способов синхронизации будет измерение уровня бита в его середине; - если данные передаются изменением фронта импульса, то необходимо измерять время между соседними изменениями импульса. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 7. Прикладной уровень 6. Представительный уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень 51 ФИЗИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ В процессе распространения данных по цифровым сетям связи на стороне источника информации каждый бит представляется электрическим импульсом, который занимает несколько состояний, соответствующие логическим «1» и «0» или их комбинации. Логический знак может передаваться значениями потенциала и изменением фронта импульсов. Требования к методу физического кодирования: Примеры способов физического - наименьшая ширина спектра сигнала при заданной битовой кодирования данных скорости; - обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником; «1» - изменение фронта - способность противостоять помехам; - низкое энергопотребление; Потенциальный код NRZI - низкая стоимость реализации. Эти требования взаимно противоречивы. Для передачи элементарных сигналов выделяются строго фиксированные интервалы времени. Эти интервалы называют «длина Биполярный код AMI бита». Эта длина задается тактовыми импульсами. Массив двоичных данных передается как развернутая во времени последовательность таких импульсных дискретных сигналов. 1 бит двумя символами Для того чтобы при приеме была возможность правильно зарегистМанчестерское кодирование рировать всю последовательность сигналов, отправленных с передающей стороны, процессы передачи и приема должны протекать 2 бита одним символом синхронно (от др.-греч. одновременный), т.е. совершаться в определенном порядке с неизменяемым сдвигом во времени. Потенциальный код 2B1Q Двоичные коды, реализуемые на ВОЛС, физически нельзя представить в биполярной форме и чаще других используют код NRZI. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 52 КАНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ Он определяет правила передачи минимального блока данных (кадра) в сетях с типовой топологией. В протоколах канального уровня заложена некоторая структура связей между компьютерами и способы их адресации при помощи МАС адресов. Канальный уровень содержит два подуровня МАС (Media Access Control) и LLC (Logical Link Control). МАС (управление доступом к среде) организует интерфейс с физическим уровнем и зависит от физического интерфейса узла. Он необходим из-за существования разделяемой среды передачи и обеспечивает ее коллективное использование. Правила доступа станций к общей разделяемой среде называются методами множественного доступа. MAC адрес – это уникальное число, сохраняемое на каждой сетевой интерфейсной карте. Он позволяет организовать соединения внутри локальной сети, а также используется как часть схемы сетевой адресации. LLC (управление логическими связями) обеспечивает доставку пакета, поступающего от сетевого уровня. Учитывает вид протокола сетевого уровня (например, IP) и переносит пакет одним из трех методов доставки: LLC 1 – без установления соединения и без квитирования; LLC 2 – с установлением соединения и квитированием; LLC 3 – без установления соединения, но с квитированием. На канальном уровне реализуются механизмы обнаружения и коррекции ошибок, возникающих в канале связи между узлами. Для этого пакет, поступающий с вышележащего (сетевого) уровня, при преобразовании в кадр, дополняется контрольной суммой. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 7. Прикладной уровень 6. Представительный уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень 53 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА (см. презентацию «Технологии и модели множественного доступа в локальных сетях») Методы множественного доступа в локальных сетях связи Случайные Без контроля несущей Детерминированные C контролем несущей (Carrier sense CS) Методы опроса Demand Priority Методы передачи права доступа Pure(чистая) ALOHA (1970 г.) – использовалась для наземной системы радиодоступа. Эффективность 18% Непрерывный CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Явная передача права доступа Неявная передача права доступа Slotted (тактированная) ALOHA(1972 год) Эффективность 36% Ненепрерывный CSMA Маркерный доступ (МД) Синхронновременной доступ (СВД) Синхронный случайный доступ (ССД) CSMA/CD (With Collision detection) (Множественный доступ с контролем несущей с определением коллизий) Комбинированные Случайный синхронновременной (ССВД) Верзун Н.А., Колбанёв М.О., Коршунов И.Л., Микадзе С.Ю. Основы моделирования информационных систем множественного доступа: уч. пособие. – Гриф УМО по университетскому политехническому образованию. – СПб.: Изд-во СПбГЭУ. 2015. – 138 с. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 54 Пользователь Модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС, OSI) Движение информации от пользователя к физической среде 7 Движение информации от физической среды к пользователю Сетями и системами, создаваемыми на физическом и канальном уровнях в интернет, являются локальные сети, которые связывают группу хостов. Хост - это конечный узел, который является источником и (или) получателем данных (например, компьютер, сервер, принтер и т.п.). СТЕК ПРОТОКОЛОВ ИНТЕРНЕТ 6 5 3 2 Прикладной Представительный - представление информации в форматах системы, первичное кодирование, - сжатие, шифрование 1 Сеансовый - установление соединения, его мониторинг, закрытие соединения - взаимодействие процессов - управление движением пакетов между процессами, - разбиение на сегменты/ восстановление - управление потоком Сетевой - маршрутизация - адресование - формирование пакетов - управляет передачей потоков кадров по физической среде передачи - сигналы приводятся к виду, необходимому для передачи по физической среде Протоколы: FTP, SMTP, HTTP, DNS, SNMP, Telnet Транспортный 2 3 Канальный - контроль ошибок - управление доступом к каналу - формирование кадра Физический 1 Физическая среда передачи Прикладной управление прикладными процессами Транспортный 4 Стек TCP/IP Протоколы: TCP, UDP Межсетевой Протоколы: IP, ICMP, ARP, RARP, RIP, OSPF Сетевой 4 Этот уровень не регламентируется. Протоколы локальных сетей, X.25 и пр. Это две разные модели. Их сравнение условно! Конечными узлами интернета вещей являются умные вещи, которые также существуют только на 1 и 2-м уровнях модели ЭМВОС. Связующим звеном между умными вещами и облаком служит специальная инфраструктура туманных и росистых вычислений. Она призвана осуществлять предварительную обработку данных, которые поступают от умных вещей, сокращая нагрузку на облако. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 55 СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ Основная задача сетевого уровня состоит в том, чтобы обеспечить связь между канальными уровнями всех сетей независимо от технологий, которые они используют на физическом и канальном уровнях. Для этого в сформированные кадры добавляют заголовок сетевого уровня, на основании которого можно найти адресата в любой локальной сети. Заголовок имеет унифицированный формат, не зависит от форматов кадров канального уровня, содержит адрес назначения и другую информацию. Примером такой информации может служить: Формат IP пакета - номер фрагмента пакета, нужный для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами кадров канального уровня; - время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по сети; 7. Прикладной уровень 6. Представительный уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень - информация о наличии, состоянии и загруженности линий связи, которая помогает маршрутизаторам рационально выбирать межсетевые маршруты; - качество сервиса – критерий выбора маршрута при межсетевых передачах – например, узелотправитель может потребовать передать пакет с максимальной надежностью, возможно в ущерб времени доставки и др. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 56 ПРОТОКОЛЫ СЕТЕВОГО УРОВНЯ Протоколы сетевого уровня ЭМВОС могут быть без установления и с установлением соединения. Дейтаграммный (без установления соединения) способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга. Выбор интерфейса, на который надо передать поступивший пакет, происходит только на основании адреса назначения, содержащегося в заголовке пакета. Принадлежность пакета к определенному информационному потоку никак не учитывается. Виртуальные каналы – это устойчивые пути следования пакетов. Для того чтобы выделить поток данных из общего трафика, каждый пакет этого потока помечается меткой. Прокладка виртуального канала начинается с отправки из узла-источника запроса. В запросе указывается адрес назначения и метка потока, для которого прокладывается этот виртуальный канал. Так работает IP-сеть. Межсетевой уровень стека Запрос, проходя по сети, формирует новую TCP-IP задает только подмножество возможностей запись в каждом из коммутаторов, сетевого уровня ЭМВОС. Протоколы установления расположенных на пути от отправителя до соединения расположены выше межсетевого уровня. получателя. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 57 МАРШРУТИЗАТОР Маршрутизатор – это система межсетевого уровня интернет, которая имеет несколько физических интерфейсов и коммутирует (маршрутизирует) пакеты данных в соответствии с имеющейся в них адресной информацией между различными сегментами сети. Способен связывать неоднородные локальные сети и (или) хосты. Выходной интерфейс, по которому отправляется пакет, определяется по таблице маршрутизации. Реализуя технологию коммутации пакетов , маршрутизатор использует: - статические данные о сетевом окружении (например, о топологии сети); - данные об особенностях конкретного пакета (например, его приоритет или время жизни); - разнообразные данные о текущем динамическом состоянии сети, которое зависит от сетевого трафика и других случайных факторов. Правила функционирования маршрутизатора задает сетевой администратор. Архитектура маршрутизатора Cisco серии CRS Линейные карты для подключения линий связи (физические интерфейсы) Маршрутизаторы операторского класса серии CRS с интерфейсами 10, 40, 100 Гб/с и пропускной способностью до 322 Тбит/с Процессоры управления (читают адресные поля пакетов и выбирают выходной интерфейс по матрице маршрутизации Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. Многоуровневая матрица коммутации 58 ТРАНСПОРТНЫЙ УРОВЕНЬ Транспортный уровень ЭМВОС предназначен для доставки (транспортирования) данных на трассе сети между парой точек – источником и получателем данных. Он не зависит от того, из каких участков и каким образом был составлен путь для транспортировки данных. Пример транспортного соединения Для транспортного уровня сеть – это прямой транспортный цифровой канал между двумя взаимодействующими процессами. Во всех случаях, на этом уровне формируются сегменты (фрагменты) данных. Для этого или делится блок данных, поступивший с сеансового уровня, на несколько фрагментов, или создается фрагмент из нескольких блоков данных. 7. Прикладной уровень 6. Представительный уровень 5. Сеансовый уровень 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень Транспортный уровень может предоставлять услуги разного качества: - гарантировать или не гарантировать порядок следования сформированных фрагментов при приеме (т.е. работать с установлением или без установления соединения); - допускать или не допускать одновременную обработку нескольких потоков данных, поступающих от нескольких приложений одной оконечной системы (мультиплексирование); - контролировать или не контролировать доставку данных при помощи подтверждения приема фрагментов специальными сообщениями; - осуществлять или не осуществлять управление количеством данных, поступающих от одной системы в другую; - учитывать или не учитывать срочность доставки фрагментов, обнаруживать или исправлять ошибки, восстанавливать или не восстанавливать прерванную связь, удалять или не удалять дублированные фрагменты, обнаруживать или не обнаруживать потерянные фрагменты и др. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 59 ТРАНСПОРТНЫЙ УРОВЕНЬ СЕТИ ИНТЕРНЕТ Хосты интернет всегда работают в многопрограммном режиме и одновременно реализуют несколько разных приложений. Поэтому возникает необходимость адресовать приложение, к которому принадлежит пакет. Для этого внутри хоста служит система портов. Порт – это системный ресурс, имеющий номер для связи с приложениями других хостов. Порты Протокол TCP перед началом передачи данных устанавливает соединение и обеспечивает для приложений надежный упорядоченный двухсторонний байтовый поток. Он поддерживает отправку и прием подтверждений, обработку таймаутов, повторную передачу, управление потоком и прочие возможности надежных протоколов транспортного уровня. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 20 байт 8 байт разделены на три диапазона – общеизвестные (0—1023), пользовательские (1024—49151) и динамические (49152—65535). Количество одновременно выделенных портов на Пользовательская дейтаграмма протокола UDP хосте до 216=65536 ограничено адресацией 32 (16 бит). Некоторые порты стандартами закреп- 0 лены за определенными приложениями: - HTTP: 80, 8080; - FTP: 21 для команд, 20 для данных; - POP3: 110 и др. Протокол UDP (User Datagram Protocol) обеспечиДанные вает лишь многоканальную передачу, используя номера портов. Предполагается, что низкое Формат ТСР фрагмента качество его работы компенсируют приложения. 0 32 Данные 60 СЕАНСОВЫЙ УРОВЕНЬ Сеанс связи – это система действий, совершаемых или инициированных пользователем, с целью передачи и (или) приема данных или получения других услуг сетей связи, а также соответствующая совокупность операций взаимодействия между средствами связи, порождаемых этими действиями. Например: телефонный вызов, сеанс передачи данных, переадресация вызова, конференцсвязь …. Абонент А Абонент Б Центр Вид сеанса связи полностью определяется запросами и отвекоммутации тами, которые вырабатывают взаимодействующие приложе- Вызов станции абонентом А Пример сеанса связи Ответ станции ния. Функции сеансового уровня состоят в организации и «Телефонный Начало набора номер Б вызов» синхронизации этого диалога. Во всех случаях необходимо Отключ. ответа станции Оконч. набора номера Б сначала создать сеанс, затем управлять передачей и приемом Контроль Посылка вызова посылки вызова данных всех приложений во время сеанса и, наконец, Ответ Отключ. вызова (разговор) Отключ. контроля (разговор) завершить сеанс. Отбой Занято Для сеансового уровня сеть – это совокупность процесОтбой сов-инициаторов информационного взаимодействия и средств связи, которые нужно предоставить этим процессам для связи с другими процессами. Различают два типа сеансов: 7. Прикладной - полудуплексные, когда данные передаются приложениями по очереди – уровень 6. Представипередает приложение, имеющее специальный маркер данных; тельный уровень - дуплексные, когда данные и передаются, и принимаются приложения5. Сеансовый уровень ми одновременно. На сеансовом уровне модели OSI осуществляется аутенфикация пользователей и приложений. Кроме того, могут шифроваться собственными ключами данные, передаваемые каждым приложением в отдельности. На нижних уровнях шифрование возможно только для всего трафика, циркулирующего между открытыми системами, при помощи общего ключа. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 4.Транспортный уровень 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень 61 ПРИМЕРЫ СЕАНСОВ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОТОКОЛА SIP Протокол инициирования сеансов (Session Initiation Protocol) – используется в IP сетях и предназначается для организации, модификации и завершения сеансов связи: мультимедийных конференций, телефонных соединений и распределения мультимедийной информации. Установление соединения через сервер переадресации Пользователи могут принимать участие в существующих сеансах связи, приглашать других пользователей и быть приглашенными ими к новому сеансу связи. Приглашения могут быть адресованы определенному, или группе пользователей, или всем пользователям. «B» переадресует вызов «C» Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. Смысл некоторых сообщений протокола SIP: - INVITE приглашает пользователя принять участие в сеансе связи (как бы снял трубку + передал номер). - АСК подтверждает прием ответа на запрос INVITE. - BYE завершает соединение (повесил трубку). - 100 Trying сообщает о попытке установления соединения. - 180 Ringing информирует вызываемую сторону о посылке сигнала вызова вызываемому пользователю. - 200 ОК подтверждает завершение соединения. 62 УРОВЕНЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ При передаче цифровых данных по сети между двумя открытыми системами возникает потребность в преобразовании данных, поступающих от прикладного уровня, в частности, в следующих случаях: - взаимодействующие открытые системы используют разную кодировку текста, изображений, звука или видео; - существует необходимость криптографической защиты передаваемых данных; 7. Прикладной - операционные системы должны согласовывать некоторые параметры файлов или уровень 6. Представиданных, например, имена файлов, файловые системы и т.п.; - необходимо передавать данные между устройствами в гетерогенных сетях, которые тельный уровень 5. Сеансовый работают не только с разными операционными системами, но и по разным уровень 4.Транспортпротоколам или с разными реализациями этих протоколов; ный уровень - целесообразно сжимать данные перед передачей по сети и др. Ответственность представительного уровня заключается в преобразовании протоколов и способов кодирования/декодирования цифровых данных. 3. Сетевой уровень 2. Канальный уровень 1. Физический уровень Примеры протоколов представительского уровня: - AFP (Apple Filing Protocol) – поддерживает взаимодействие операционных систем Windows, Novell NetWare, Linux и FreeNAS с файлами в операционной системе в Mac OS X; - XDR (External Data Representation – внешнее представление данных) – позволяет организовать передачу данных между гетерогенными сетями; - NCP (NetWare Core Protocol) - используется для доступа к файлам, службе печати, службе каталога, синхронизации часов, обмену сообщениями, удаленного выполнения команд и другим функциям сетевых услуг для организации обмена между рабочей станцией и файловым сервером в операционной системе NetWare и др. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 63 ПРИКЛАДНОЙ УРОВЕНЬ Прикладной уровень является интерфейсом между прикладными процессами и протоколами уровней с 1 по 6 ЭМВОС. Его реализация зависит от типа приложения, однако к общим функциями можно отнести идентификацию участников информационного взаимодействия, определение свободности/занятости приложений и ресурсов сети. Прикладной уровень выполняет следующие функции: 7. Прикладной 1. Предоставление различных услуг, таких как передача файлов, управление уровень заданиями, управление системой и т.д; 6. Представительный уровень 2. Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям; 3. Определение функционирующих пользователей и возможности доступа к новым 5. Сеансовый уровень прикладным процессам; 4.Транспортный уровень 4. Определение достаточности имеющихся сетевых ресурсов для осуществления 3. Сетевой информационного взаимодействия; уровень 5. Организация запросов на соединение с другими прикладными процессами; 2. Канальный уровень 6. Передача заявок представительскому уровню на необходимые методы описания 1. Физический информации; уровень 7. Выбор процедур планируемого диалога процессов; 8. Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов; 9. Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок); 10. Соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных; 11. Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных). Примером протоколов этого уровня могут служить: HTTP – обеспечивает доставку веб страниц; SMTP/POP отправляет и получает электронную почту; SMB позволяет пользователям обмениваться файлами; DNS именует сетевые ресурсы, имеющие числовые адреса и др. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 64 СХЕМА ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ УСЛУГ В СЕТИ ИНТЕРНЕТ Предоставление любых услуг предполагает организацию информационного обмена между приложениями двух хостов, например, компьютера и сервера. Перед началом передачи каких-либо данных, согласно транспортному протоколу TCP, стороны должны установить логическое соединение, через которое и будет организовано взаимодействие на верхних уровнях. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 65 ЭТАЛОННЫЕ МОДЕЛИ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ Росляков и др. Стандартизация интернета вещей // Электросвязь. – 2013. - № 8. Уровень приложений Приложения IoT Уровень поддержки cервисов и приложений Сетевой уровень Уровень устройств Общая поддержка сервисов Дополнительная поддержка сервисов Сетевые возможности Транспортные возможности Возможности устройств Возможности шлюзов Возможности безопасности Общие и дополнительные В рекомендации Y. 2060 приведена эталонная модель IoT, имеющая много общего с эталонной моделью NGN (Recommendation Y. 2012). Возможности управления Общие и дополнительные (Recommendation Y. 2060 .Overview of Internet of Things.. ITU-T, Geneva. June 2012) Функциональная модель IoT Европейского проекта по архитектуре IoT-A. Модель передачи данных в IoT-A отличается от традиционного интернета. Здесь вводятся понятия сети с ограничениями (скорость менее 1 Мбит/с и высокие задержки) и сети без ограничений (с любыми скоростями передачи данных). Колбанёв М.О. Перспективы и проблемы информатизации. 66 Контрольные вопросы. 1. Концепция открытых систем. 2. Что такое открытая система? 3. Значение концепции открытых систем. 4. Системный подход к созданию открытых систем. 5. Функциональное описание и интерфейсы систем. 6. Этапы разработки открытых систем. 7. Многоуровневые описания систем. 8. Эталонные модели. 9. Особенности эталонных моделей. 10. Примеры эталонных моделей. 11. Модель открытых систем «MUSIC». 12. Элемент Management. 13. Элемент User interface. 14. Элемент Service interface for programs. 15. Элемент Information and data formats. 16. Элемент Comunications interfaces. 17. Модели программного обеспечения инфокоммуникаций. Колбанёв М.О. Открытые инфокоммуникационные системы. 18. Модель открытых систем «MIC». 19. Архитектурные понятия открытой системы «MIC». 20. Архитектурные понятия взаимодействия открытой системы «MIC». 21. Эталонная модель взаимодействие открытых систем ЭМВОС. 22. Сетезависимые уровни ЭМВОС. 23. Физический уровень. 24. Канальный уровень. 25. Сетевой уровень. 26. Высшие уровни. 27. Стек протоколов интернет. 28. Стеки протоколов самоорганизующихся сенсорных сетей 67
