Тема «Сетевые модели» Цель: сформировать понятия у студентов о сетевой модели, знания основных сетевых моделей, сформировать знания студентов о взаимодействии уровней модели OSI, об основных функциях уровней модели OSI. 1. Понятие сетевой модели Сетевая операционная система при выполнении всех задач следует строгому набору процедур. Эти процедуры называются протоколами или правилами поведения. Протоколы регламентируют каждую сетевую операцию. Стандартные протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению различных производителей нормально взаимодействовать. При связи компьютеров по сети производится множество операций, обеспечивающих передачу данных от компьютера к компьютеру. Пользователю, работающему с каким-то приложением, в общем-то безразлично, что и как при этом происходит. Для него просто существует доступ к другому приложению или компьютерному ресурсу, расположенному на другом компьютере сети. В действительности же вся передаваемая информация проходит много этапов обработки. Прежде всего она разбивается на блоки, каждый из которых снабжается управляющей информацией. Полученные блоки оформляются в виде сетевых пакетов, эти пакеты кодируются, передаются с помощью электрических или световых сигналов по сети в соответствии с выбранным методом доступа, затем из принятых пакетов вновь восстанавливаются заключенные в них блоки данных, блоки соединяются в данные, которые и становятся доступны другому приложению. Это, конечно, очень упрощенное описание происходящих процессов. Часть из указанных процедур реализуется только программно, другая - аппаратно, а какие-то операции могут выполняться как программами, так и аппаратурой. Упорядочить все выполняемые процедуры, разделить их на уровни и подуровни, взаимодействующие между собой, как раз и призваны модели сетей. Эти модели позволяют правильно организовать взаимодействие как абонентам внутри одной сети, так и самым разным сетям на различных уровнях. Существуют два главных набора стандартов: модель OSI и ее модификация, называемая Project 802. Чтобы понять техническую сторону функционирования сетей, необходимо иметь четкое представление об этих моделях. Остановимся подробнее на модели OSI. 2. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ OSI Модель OSI (Open System Interconnection) разработана Организацией международных стандартов ISO (International Standards Organization). Эта организация выпустила набор спецификаций, описывающих архитектуру сети с неоднородными устройствами. Исходный документ относился к открытым системам, чтобы они могли использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией. Открытость систем – возможность взаимодействия различных по технической и логической организации систем с помощью определённых процедур. Модель OSI является многоуровневой системой. Она отражает взаимодействие программного и аппаратного обеспечения при осуществлении сеанса связи, а также помогает решить разнообразные проблемы. Для упорядочивания функций системы вводятся функциональные уровни, которые характеризуют выполняемые сетевые функции. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней, вышележащего и нижележащего. Например, Транспортный уровень должен взаимодействовать только с Сеансовым и Сетевым уровнем и т.п. Нижние уровни — Канальный и Физический — определяют физическую среду передачи данных. Через эти уровни передаются потоки битов данных через плату сетевого адаптера и кабель. Самые верхние уровни определяют, каким способом осуществляется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает. Каждый уровень на одном компьютере функционирует так, будто он напрямую связан с таким же уровнем на другом компьютере. Эта логическая, или виртуальная, связь между одинаковыми уровнями. В действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера. Перед тем как отправить данные в сеть, они разбиваются на блоки или пакеты. Пакет — это единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения (через все уровни модели OSI). На каждом уровне к пакету добавляется некоторая информация, форматирующая или адресная, которая необходима для успешной передачи данных по сети. На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. Программное обеспечение на каждом уровне читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся адресная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид. Таким образом, за исключением самого нижнего уровня сетевой модели, никакой иной уровень не может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Информация на компьютере–отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по сетевому кабелю на компьютер–получатель и опять проходит сквозь все слои, пока не достигнет того же уровня, с которого она была послана на компьютере–отправителе. Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интерфейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень предоставляет верхнему, и способ доступа к ним. Поэтому каждому уровню одного компьютера “кажется”, что он непосредственно взаимодействует с таким же уровнем другого компьютера. Перечислим уровни модели OSI и кратко охарактеризуем их. Физический уровень – обеспечивает электрические, механические и функциональные характеристики подключения к физическим каналам связи, преобразование сигналов. Канальный уровень – управление каналом передачи данных, установление, поддержание и разъединение каналов (соединений). Сетевой уровень – маршрутизация, коммутация и адресация информации, управление потоками данных. Транспортный уровень – управление передачей данных (без обработки их в промежуточных узлах) от источника к адресату. Сеансовый уровень – организация и проведение сеансов связи между прикладными процессами. Уровень представления данных – интерпретация и преобразование передаваемых между процессами данных к виду, удобному для прикладных процессов. Прикладной уровень – выполнение прикладных программ, административное управление сетью. 3. Взаимодействие уровней модели OSI Модель OSI можно разделить на две различных модели, как показано на рис.3.1: горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах; вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине. Компьютер-отправитель Компьютер-получатель Виртуальная связь Прикладной Прикладной Представительский Представительский Сеансовый Сеансовый Транспортный Транспортный Сетевой Сетевой Канальный Канальный Физический Физический Физическая среда Рис. 3.1 Схема взаимодействия компьютеров в базовой эталонной модели OSI Каждый уровень компьютера–отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютераполучателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера. Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера–получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе. В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface). Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети. При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рис. 3.2, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета. На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид. Пакет 7го уровня Заг 7 Данные Кон 7 7го уровня Пакет 6го уровня Заг 6 Данные 6 уровня Заг 5 Заг 6 Заг 7 Кон 7 Кон 6 Кон 5 Данные 5 го уровня Пакет 4го уровня Пакет 2го уровня Заг 2 Пакет 1го уровня Заг 1 Заг 2 Кон 7 Кон 6 го Пакет 5го уровня Пакет 3го уровня Заг 7 Заг 4 Заг 5 Заг 6 Заг 7 Кон 7 Кон 6 Кон 5 Кон 4 Данные 4 го уровня Заг 3 Заг 4 Заг 5 Заг 6 Заг 7 Кон 7 Кон 6 Кон 5 Кон 4 Кон 3 го Данные 3 уровня Заг 3 Заг 4 Заг 5 Заг 6 Заг 7 Кон 7 Кон 6 Кон 5 Кон 4 Кон 3 Кон 2 Данные 2 го уровня Заг 3 Заг 4 Заг 5 Заг 6 Заг 7 Кон 7 Кон 6 Кон 5 Кон 4 Кон 3 Кон 2 Кон 1 Данные 1 го уровня Рис. 3.Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. Формирование пакета каждого уровня семиуровневой модели Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает. Отдельные уровни модели OSI удобно рассматривать как группы программ, предназначенных для выполнения конкретных функций. Один уровень, к примеру, отвечает за обеспечение преобразования данных из ASCII в EBCDIC и содержит программы необходимые для выполнения этой задачи. Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь, сервис у нижестоящего уровня. Верхние уровни запрашивают сервис почти одинаково: как правило, это требование маршрутизации каких-то данных из одной сети в другую. Практическая реализация принципов адресации данных возложена на нижние уровни. Рассматриваемая модель определяет взаимодействие открытых систем разных производителей в одной сети. Поэтому она выполняет для них координирующие действия по: взаимодействию прикладных процессов; формам представления данных; единообразному хранению данных; управлению сетевыми ресурсами; безопасности данных и защите информации; диагностике программ и технических средств. На рис. 3.3 приведено краткое описание функций всех уровней. 7. Прикладной представляет набор интерфейсов, позволяющий получить доступ к сетевым службам 6. Представления преобразует данные в общий формат для передачи по сети 5. Сеансовый поддержка взаимодействия (сеанса) между удаленными процессами 4. Транспортный управляет передачей данных по сети, обеспечивает подтверждение передачи 3. Сетевой маршрутизация, управление потоками данных, адресация сообщений для доставки, преобразование логические сетевые адреса и имена в соответствующие им физические 2. Канальный 2.1. Контроль логической связи (LLC): формирование кадров 2.2. Контроль доступа к среде (MAC): управление доступом к среде 1. Физический: битовые протоколы передачи информации Рис. 3.2 Функции уровней Теперь остановимся на описании уровней модели OSI. Прикладной уровень — представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и обработкой ошибок. Он является границей между процессами сети и прикладными (пользовательскими) процессами. На этом уровне выполняются вычислительные, информационно-поисковые и справочные работы, осуществляется логическое преобразование данных пользователя. Представительский уровень определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми компьютерами. Этот уровень можно назвать переводчиком. На компьютере–отправителе данные, поступившие от Прикладного уровня, на этом уровне переводятся в общепонятный промежуточный формат. На компьютере–получателе на этом уровне происходит перевод из промежуточного формата в тот, который используется Прикладным уровнем данного компьютера. Представительский уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование, смену или преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы) и расширение графических команд. Представительский уровень, кроме того, управляет сжатием данных для уменьшения передаваемых битов. На этом уровне работает утилита, называемая редиректором. Ее назначение — переадресовать операции ввода/вывода к ресурсам сервера. Выше этого уровня поля данных имеют явную смысловую форму, а ниже его поля рассматриваются как передаточный груз, и их смысловое значение не влияет на обработку. Сеансовый уровень позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансам. Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек. Таким образом, в случае сетевой ошибки, потребуется заново передать только данные, следующие за последней контрольной точкой. На этом уровне выполняется управление диалогом между взаимодействующими процессами, т.е. регулируется, какая из сторон осуществляет передачу, когда, как долго и т.д. Основные функции: управление очередностью передачи данных и их приоритетом, синхронизация отдельных событий, выбор формы диалога пользователей (полудуплексная, дуплексная передача). Транспортный уровень обеспечивает дополнительный уровень соединения — ниже Сеансового. Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне сообщения переупаковываются: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На Транспортном уровне компьютера–получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и обычно посылается сигнал подтверждения приема. Транспортный уровень управляет потоком, проверяет ошибки и участвует в решении проблем, связанных с отправкой и получением пакетов. Главная его задача - управление трафиком в сети. При этом выполняются такие функции, как деление длинных сообщений, поступающих от верхних уровней, на пакеты данных (при передаче информации) и формирование первоначальных сообщений из набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровни, исключая их потери или смещение (при приеме информации). Транспортный уровень есть граница, ниже которой пакет данных является единицей информации, управляемой сетью. Выше этой границы в качестве единицы информации рассматривается только сообщение. Сетевой уровень отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические адреса. Здесь определяется маршрут от компьютера–отправителя к компьютеру–получателю. На этом уровне решаются задачи, связанные с сетевым трафиком, коммутацией пакетов, маршрутизацией и перегрузкой. Если сетевой адаптер маршрутизатора не может передавать большие блоки данных, компьютером– отправителем, на Сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие. Сетевой уровень компьютера– получателя собирает эти блоки в исходное состояние. Канальный уровень осуществляет передачу пакетов данных от Сетевого уровня к Физическому. Канальный уровень компьютера–получателя упаковывает “сырой” поток битов, поступивших от Физического уровня, в пакеты данных. Главные его функции: управление передачей данных по информационному каналу (генерация стартового сигнала, организация начала передачи информации, передача информации по каналу, проверка получаемой информации, исправление ошибок, отключение канала при его неисправности и восстановление передачи после ремонта, генерация сигнала окончания передачи и перевода канала в пассивное состояние) и управление доступом к передающей среде, т.е. реализация выбранного метода доступа к общесетевым ресурсам. Физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи. К этому уровню имеет отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как, полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта. Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. Работы по совершенствованию эталонной модели для ЛВС привели к декомпозиции уровней 1 и 2. Канальный уровень разделен на два подуровня: подуровень управления логическим каналом (передача кадров между PC, включая исправление ошибок, диагностика работоспособности узлов сети) и подуровень управления доступом к передающей среде (реализация алгоритма доступа к среде и адресация станций сети). Физический уровень делится на три подуровня: передачи физических сигналов, интерфейса с устройством доступа и подключения к физической среде. В ЛВС процедуры управления на физическом, канальном и транспортном уровнях не отличаются сложностью, в связи с чем эти уровни управления реализуются в основном техническими средствами, называемыми адаптерами ЛВС. Организация взаимодействия между одинаковыми уровнями различных систем осуществляется с помощью протоколов. Имеет место следующая иерархия протоколов: уровни 6 и 7 соответствуют процессам, 1-5 уровни определяют сетевой метод доступа к процессам. Предложенная модель (ISO) является чисто эмпирической. Несмотря на это, она получила широкое распространение. Существуют и другие модели, и соответствующие протоколы TSP/IP, XNS/ITP, SNA и др. Главное достоинство ISO – гибкость архитектуры, которая достигается благодаря образованию единого интерфейса между уровнями на основе стандартизованных услуг. Это позволяет разрабатывать отдельные уровни независимо друг от друга или заменить один уровень другим, не меняя остальных. 1. 2. 3. 4. Контрольные вопросы Для чего нужны сетевые модели? Что обозначает сетевая модель OSI? Каковы принципы построения эталонной модели OSI? Каковы основные функции уровней модели OSI?
