oldi

Курс лекций по сетевым технологиям. Часть I 1

Андрей Фильчаков

Уровни модели OSI

Прикладной уровень

   Виды сервиса прикладного уровня

   Функции управления сетями на прикладном уровне

Уровень представления данных

Сеансовый уровень

Транспортный уровень

Сетевой уровень

Канальный уровень

   Контроль ошибок на канальном уровне

   Основные протоколы канального уровня

Физический уровень

Подведем краткие итоги

 

Прежде чем приступить к рассмотрению технологий, давайте вспомним некоторые базовые понятия, на которых основываются все сетевые процессы и взаимодействия. Во-первых, это модель OSI.

Уровни модели OSI

В настоящее время общепринятой является семиуровневая модель архитектуры открытых систем (Open System Interconnection). В этой модели рассматриваются:

  • Уровень 1. Физический уровень (управление физическим каналом).
  • Уровень 2. Канальный уровень (управление информационным каналом).
  • Уровень 3. Сетевой уровень (управление сетью).
  • Уровень 4. Транспортный уровень (управление передачей).
  • Уровень 5. Сеансовый уровень (управление сеансом).
  • Уровень 6. Представительный уровень (управление представлением).
  • Уровень 7. Прикладной уровень (управление сервисом).

Какие же задачи решаются на различных уровнях протоколов открытых систем? Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

 

В начало

В начало

Прикладной уровень

В модели OSI прикладная программа, которой нужно выполнить конкретную задачу (например, обновить базу данных на компьютере В), посылает конкретные данные в виде дейтаграммы на прикладной уровень. Одна из основных «обязанностей» этого уровня — определить, как следует обрабатывать запрос прикладной программы, иными словами — какой вид должен принять данный запрос. Если в запросе прикладной программы определен, например, дистанционный ввод заданий, то это потребует работы нескольких программ, которые будут собирать информацию, организовывать ее, обрабатывать и посылать по соответствующему адресу. Еще одна важная функция прикладного уровня — электронная почта.

 

В начало

В начало

Виды сервиса прикладного уровня

Прикладной уровень содержит несколько так называемых общих элементов прикладного сервиса (ACSE — Application Common Service Elements) и специальных элементов прикладного сервиса (SASE — Specific Application Service Elements). Сервисы ACSE предоставляются прикладным процессам во всех системах. Они включают, например, требование определенных параметров качества сервиса.

Допустим, необходимо установить связь через модем по глобальной сети между рабочей станцией локальной сети в Лос-Анджелесе и мэйнфреймом в Бостоне. Поскольку качество телефонной линии иногда оказывается неудовлетворительным, прикладной процесс, работающий в ЛВС, может запросить такое качество сервиса, которое предусматривает подтверждение приема и распознавания информации.

(Если провести аналогию с почтой, то указанное действие равносильно требованию, чтобы доставка вашей посылки подтверждалась квитанцией.)

Специальные элементы прикладного сервиса (SASE) обеспечивают сервис для конкретных прикладных программ, таких как программы пересылки файлов и эмуляции терминалов. Если, например, прикладной программе необходимо переслать файлы, то обязательно будет использован протокол передачи, доступа и управления файлами (FTAM — File Transfer, Access and Management), являющийся одним из ключевых протоколов прикладного уровня.

Давайте на минутку заглянем в будущее, когда локальные сети и мэйнфреймы станут работать с OSI-совместимым программным обеспечением. Поскольку FTAM работает как виртуальный банк файлов и имеет собственную службу каталогов, то программы смогут получать доступ к базам данных, не имея информации о фактическом местонахождении файла. Поскольку FTAM поддерживает широкое разнообразие различных типов структур, включая последовательную, упорядоченную иерархическую и общую иерархическую, то информация из базы данных, расположенной на удаленном Unisys-компьютере, будет использоваться для обновления другой базы данных, работающей в локальной сети в другом городе. Данные из первой базы, в свою очередь, будут обновляться на основе информации, взятой из третьей базы данных, размещенной на IBM-мэйнфрейме.

Еще одна важная составляющая SASE прикладного уровня — сервис виртуального терминала (VT — Virtual Terminal). VT — это сложный сервис, который освобождает компьютер от необходимости посылать соответствующие сигналы для обращения ко всем терминалам, подключенным ко второму компьютеру. Первый компьютер может использовать набор параметров виртуального терминала, а решение вопросов конкретизации конфигурации терминалов можно предоставить второму компьютеру.

На разных этапах разработки находятся еще несколько SASE: обработка транзакций (trunks actions), электронный обмен данными (EDI — Electronic Data Interchange), передача и обработка заданий (JTM — Job Transfer and Manipulation). Разработка стандарта OSI на EDI, в частности, очень важна для пользователей ЛВС. Например, на рабочей станции ЛВС можно составить заказ на покупку и передать эту информацию по сети непосредственно изготовителю или продавцу, где данные будут автоматически внесены в счет-фактуру. Можно проверять и автоматически корректировать инвентаризационные ведомости, можно заключать договора на поставку товаров — и все это без бумаг и волокиты.

 

В начало

В начало

Функции управления сетями на прикладном уровне

По мере усложнения информационных сетей вопрос административного управления ими приобретает все большее значение. Поскольку сейчас любые системы передачи информации позволяют обрабатывать и передавать также и речевые данные, а локальные сети все теснее связываются с глобальными сетями и мэйнфреймами, то все очевиднее необходимость в разработке эффективного метода организации этой информации и управления ею. Фирма IBM в качестве решения предложила свои системы NetView и NetView/PC, a Hewlett-Packard вышла на рынок с пакетом прикладных программ OpenView.

На сегодняшний день проблема заключается в том, что при наличии нескольких решений нет международного стандарта по управлению сетями. Для прикладного уровня модели OSI существует несколько спецификаций информационно-управляющих протоколов, которые претендуют на то, чтобы в будущем стать международными стандартами. Вопросы, касающиеся разработки международных стандартов по управлению сетями, будут рассмотрены позже.

 

В начало

В начало

Уровень представления данных

Уровень представления данных отвечает за физическое отображение (представление) информации. Так, в полях базы данных информация должна быть представлена в виде букв и цифр, а зачастую — и графических изображений. Обрабатывать же эти данные нужно, например, как числа с плавающей запятой.

Уровень представления данных обеспечивает возможность передачи данных с гарантией, что прикладные процессы, осуществляющие обмен информацией, смогут преодолеть любые синтаксические различия. Для того чтобы обмен имел место, эти два процесса должны использовать общее представление данных или язык.

Важность уровня представления данных заключается в том, что в основу его работы положена единая для всех уровней модели OSI система обозначений для описания абстрактного синтаксиса — ASN.1. Эта система служит для описания структуры файлов. На прикладном уровне система ASN.1 применяется и для выполнения всех операций пересылки файлов, и при работе с виртуальным терминалом. Использование этой системы позволяет также решить одну из важнейших проблем, возникающих при управлении крупными сетями, — проблему шифрования данных. Шифрование данных с помощью ASN.1 можно выполнять на уровне представления данных; разработка стандарта OSI для этого уровня окажет значительное влияние на обеспечение межмашинной связи.

 

В начало

В начало

Сеансовый уровень

Представьте себе опытного администратора, отвечающего за подготовку и согласование всех деталей предстоящей важной встречи двух высокопоставленных руководителей. Если он действует правильно, встреча проходит четко и организованно. Аналогично и работа сеансового уровня обеспечивает проведение сеанса и в конечном итоге обмен информацией между двумя прикладными процессами.

Сеансовый уровень отвечает за такие серьезные вопросы, как режим передачи и установка точек синхронизации. Иными словами, на этом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процессами: полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди) или дуплексной (процессы будут передавать и принимать данные одновременно). В полудуплексном режиме сеансовый уровень выдает тому процессу, который первым начинает передачу, маркер данных. Когда второму процессу приходит время отвечать, маркер данных передается ему. Сеансовый уровень, таким образом, разрешает передачу только той стороне, которая обладает маркером данных.

Синхронизирующие точки представляют собой точки внутри «диалога», в которых сеансовый уровень проверяет наличие фактического обмена.

Еще одна функция сеансового уровня модели OSI заключается в решении вопроса о восстановлении связи в случае ее нарушения. Например, логично было бы ставить точки синхронизации между страницами текста и в случае нарушения связи начинать передачу с последней синхронизирующей точки. Таким образом, для восстановления сеанса не нужно будет начинать все сначала и повторять передачу текста, который уже принят правильно.

Сеансовый уровень, кроме того, отвечает за детали, связанные с упорядоченным («плавным») завершением соединения в конце сеанса. Могут возникнуть и ситуации, когда требуется безусловное («резкое») завершение. Это необходимо в тех случаях, когда одна из сторон прекращает обмен и отказывается с этого момента принимать данные.

Сеансовый уровень обрабатывает не все запросы на соединения. Он может выдать примитив отказа от соединения, если определит, что соединение приведет к перегрузке сети или что затребованный прикладной процесс отсутствует.

 

В начало

В начало

Транспортный уровень

Транспортный уровень имеет большое значение для пользователей компьютерных сетей, поскольку именно он определяет качество сервиса, которое необходимо обеспечить посредством сетевого уровня. Для того чтобы лучше понять функции транспортного уровня, представим его как аналогию набора специальных услуг, которые местное почтовое отделение предоставляет клиентам за дополнительную плату. Например, заплатив некоторую сумму, клиент может получить квитанцию о том, что письмо доставлено по указанному им адресу. Можно заказать срочную доставку, если клиент желает, чтобы его посылка пришла, к примеру, в Бостон на следующий день. Плату за эти дополнительные высококачественные услуги почтовое ведомство США взимает с клиентов деньгами, а для пользователя сети, работающего с OSI-coвместимыми аппаратными и программными средствами, эта плата выражается в дополнительных битах, необходимых для предоставления информации о статусе возможных дополнительных услуг.

На транспортном уровне предусмотрено три типа сетевого сервиса. Сервис типа А предоставляет сетевые соединения с приемлемым для пользователей количеством необнаруживаемых ошибок и приемлемой частотой сообщений об обнаруженных ошибках. Сервис типа В отличается приемлемым количеством необнаруживаемых ошибок, но неприемлемой частотой сообщений об обнаруженных ошибках. Наконец, сервис типа С предоставляет сетевые соединения с количеством необнаруженных ошибок, неприемлемым для сеансового уровня.

Возникает вопрос: а для чего вообще нужны классы сервиса с неприемлемым количеством ошибок? Ответ состоит в том, что для установки многих сетевых соединений необходимы дополнительные протоколы, обеспечивающие обнаружение и устранение ошибок на достаточном для нормальной работы уровне, и на транспортном уровне такой сервис просто не нужен.

Транспортный уровень, тем не менее, предоставляет программистам возможность писать программы для прикладного уровня в самых различных сетях, не обращая внимания на то, надежна ли передача по этим сетям или нет. Некоторые называют три верхних уровня модели OSI «пользователями транспортного уровня», а четыре нижних — «поставщиками транспортного уровня».

Существует пять классов сервиса транспортного протокола:

Класс 0, известный как телекс, представляет собой сервис с самым низким качеством. В этом классе сервиса предусматривается, что управление потоком данных осуществляет сетевой уровень (под транспортным уровнем). Транспортный уровень разрывает соединение, когда аналогичную операцию выполняет сетевой уровень. Сервис класса 1 был разработан CCITT для стандарта Х.25 на сети с коммутацией пакетов. Он обеспечивает передачу срочных данных, однако управление потоком все равно осуществляется на сетевом уровне.

Класс 2 — это модифицированный класс 0. Уровень сервиса этого класса базируется на предположении о том, что сеть обладает высокой надежностью. Предлагаемое качество сервиса предусматривает возможность мультиплексирования множества транспортных соединений из одного сетевого соединения. Класс 2 обеспечивает необходимую сборку мультиплексированных пакетов данных, прибывающих неупорядоченными.

Класс 3 обеспечивает виды сервиса, предлагаемые уровнями 1 и 2, а в случае обнаружения ошибки предоставляет возможность ресинхронизации для переустановления соединения.

Класс 4 предполагает, что сетевому уровню присуща надежность, поэтому он предлагает обнаружение и устранение ошибок.

 

В начало

В начало

Сетевой уровень

На сетевом уровне осуществляется сетевая маршрутизация. Этот уровень — ключ к пониманию того, как функционируют шлюзы к мэйнфреймам IBM и другим компьютерным системам. Протоколы верхних уровней модели OSI выдают запросы на передачу пакетов из одной компьютерной системы в другую, а задача сетевого уровня состоит в практической реализации механизма этой передачи.

Сетевой уровень является основой стандарта CCITT Х.25 на глобальные сети. Позже мы изучим структуру пакета Х.25, включая назначение и структуру полей управляющей информации.

На сетевом уровне реализован ряд ключевых видов сервиса для транспортного уровня, который в модели OSI расположен непосредственно над сетевым. Сетевой уровень уведомляет транспортный уровень об обнаружении неисправимых ошибок, помогая ему поддерживать качество сервиса и избегать перегрузки сети путем прекращения, если это необходимо, передачи пакетов.

Поскольку в процессе обмена информацией между двумя сетями физические соединения время от времени могут изменяться, сетевой уровень поддерживает виртуальные каналы и обеспечивает правильную сборку пакетов, прибывающих в неправильной последовательности. Работа этого уровня осуществляется с помощью таблиц маршрутизации, которые служат для определения пути продвижения того или иного пакета. Во многих случаях сообщение, состоящее из нескольких пакетов, идет по нескольким путям. Сетевой уровень предоставляет соответствующую «отгрузочную» информацию, необходимую для этих пакетов (например, общее число пакетов в сообщении и порядковый номер каждого из них).

С передачей данных в сетях связана одна очень неприятная проблема: такие характеристики, как длина поля адреса, размер пакета и даже промежуток времени, в течение которого пакету разрешается перемещаться по сети и по истечении которого пакет считается потерянным и выдается запрос на пакет-дубликат, в каждой сети различны. По этой причине управляющая информация, включаемая в пакеты на сетевом уровне, должна быть достаточной для предотвращения возможных недоразумений и обеспечения успешной доставки и сборки пакетов.

Как уже упоминалось выше, транспортный и сетевой уровни в значительной степени дублируют друг друга, особенно в плане функций управления потоком данных и контроля ошибок. Главная причина подобного дублирования заключается в том, что существует два варианта связи — с установлением соединения (connection-orientied) и без установления соединения (connectionless). Эти варианты связи базируются на разных предположениях относительно надежности сети.

Сеть с установлением соединения работает почти так же, как и обычная телефонная система. После установления соединения происходит поэтапный обмен информацией, причем в данном случае «собеседники» не обязаны завершать каждое заявление своим именем, именем вызываемого партнера и его адресом, поскольку предполагается, что связь надежна и противоположная сторона получает сообщение без искажений.

В надежной сети с установлением соединения адрес пункта назначения необходим лишь при установлении соединения, а в самих пакетах он не нужен. В подобной сети сетевой уровень принимает на себя ответственность за контроль ошибок и управление потоком данных. Кроме того, в его функции входит сборка пакетов.

Сетевой сервис без установления соединения, наоборот, предполагает, что контроль ошибок и управление потоком данных осуществляются на транспортном уровне. Адрес пункта назначения необходимо указывать в каждом пакете, а соблюдение очередности пакетов не гарантируется. Основная идея такого сервиса состоит в том, что важнейшим показателем является скорость передачи и пользователи должны полагаться на собственные программы контроля ошибок и управления потоком данных, а не на встроенные стандартные средства модели OSI.

Как это всегда бывает, когда члены комитета обсуждают сложный вопрос, был найден компромисс, который не удовлетворил ни одну из сторон. Он состоит в том, что возможности и сервиса с соединением, и сервиса без соединения встроены в оба уровня: сетевой и транспортный. Конечный пользователь может выбрать соответствующие стандартные значения для управляющих полей этих уровней и использовать тот метод, который ему больше по душе. Недостаток этого компромисса состоит в излишней избыточности, предусмотренной в обоих уровнях, что означает значительное количество дополнительных информационных битов. При передаче информации в таком формате по линиям дальней связи это приводит к дополнительным накладным расходам, поскольку процесс передачи занимает больше времени.

 

В начало

В начало

Канальный уровень

Канальный уровень можно сравнить со складом и погрузочно-разгрузочным цехом крупного производственного предприятия. Обязанность канального уровня — брать пакеты, поступающие с сетевого уровня, и готовить их к передаче (отгрузке), укладывая в кадры (коробки) соответствующего размера. В процессе перемещения информации вверх по уровням модели OSI канальный уровень должен принимать информацию в виде потока битов, поступающих с физического уровня, и производить ее обработку. Этот уровень обязан определять, где начинается и где заканчивается передаваемый блок, а также обнаруживать ошибки передачи. Если обнаружена ошибка, канальный уровень должен инициировать соответствующие действия по восстановлению потерянных, искаженных и даже дублированных данных.

Между компьютерными системами может одновременно существовать несколько независимо работающих каналов передачи данных. Канальный уровень обязан обеспечить отсутствие перекрытия этих каналов и предотвратить возможное искажение данных. Канальный уровень инициализирует канал с соответствующим уровнем на компьютере, с которым будет обмениваться данными. Он должен обеспечить синхронизацию обеих машин и использование в них одинаковых схем кодирования и декодирования.

Поскольку управление потоком и контроль ошибок также входят в функции канального уровня, то он отслеживает получаемые кадры и ведет статистические записи. По завершении передачи информации пользователем канальный уровень проверяет, все ли данные приняты правильно, а затем закрывает канал.

 

В начало

В начало

Контроль ошибок на канальном уровне

Для выполнения этой функции на канальном уровне применяется метод автоматического запроса повторной передачи (ARQ — Automatic Repeat Request). В зависимости от типа протокола, который работает на канальном уровне, для контроля ошибок используется одна из трех разновидностей этого метода. ARQ с остановкой и ожиданием — это метод, при котором компьютер передает кадр информации, а затем ожидает получение кода подтверждения приема (АСК — acknowledgment), который показывает, что кадр принят правильно. Если выявлена ошибка, то принимающая станция передаст код неподтверждения приема (NAK — negative acknowledgment) и передающая станция повторяет передачу.

При использовании метода непрерывного ARQ с возвратом на N станция принимает несколько кадров (в зависимости от используемого протокола), а затем отвечает выдачей АСК или NAK с указанием кадра, который содержит ошибку. Если станция передала один за другим семь кадров и в четвертом кадре выявлена ошибка, то передающая станция ответит на NAK повторной передачей кадров с 4-го по 7-й.

Метод непрерывного ARQ с избирательным повторением представляет собой модификацию предыдущего варианта ARQ. Принимающая станция записывает все получаемые кадры по порядку в специальный буфер, а затем отвечает, что такой-то кадр (скажем, номер 4) содержит ошибку. Сохраняя все остальные кадры в буфере, принимающая станция передает NAK. Передающая станция повторно передает только кадр, содержавший ошибку (то есть номер 4). Принимающая станция вновь собирает пакеты в нужном порядке (с 1-го по 7-й) и обрабатывает информацию.

 

В начало

В начало

Основные протоколы канального уровня

Канальный уровень содержит ряд протоколов, которые разработаны комитетом IEEE 802. Для того чтобы понять, как работает этот уровень — ключевой в модели OSI, — нужно иметь некоторое представление о деятельности упомянутого комитета. Протоколы IEEE канального уровня будут рассмотрены позже.

 

В начало

В начало

Физический уровень

 

Физический уровень модели OSI наименее противоречивый, поскольку включает международные стандарты на аппаратуру, уже вошедшие в обиход. По сути дела, единственная реальная проблема на этом уровне заключается в том, как ISO собирается учитывать вновь разрабатываемые стандарты на аппаратуру. Методы передачи данных становятся все более скоростными, появляются новые интерфейсы с дополнительными функциями контроля ошибок. В связи с этим возникает вопрос: будут ли добавлены к модели OSI новые стандарты или же физический уровень останется без изменений? Суд еще не вынес свой вердикт, поэтому предсказать реакцию ISO сейчас не представляется возможным.

Для физического уровня определен очень подробный список рекомендованных к употреблению соединителей. Здесь упомянуты, к примеру, 25-контактные разъемы для интерфейсов RS-232C, 34-контактные разъемы для широкополосных модемов спецификации V.35 CCITT и 15-контактные разъемы для интерфейсов общедоступных сетей передачи данных, определенных в рекомендациях CCITT Х.20, Х.21, Х.22 и т.д. Кроме того, регламентируются допустимые электрические характеристики, в частности RS-232C, RS-449, RS-410 и V.35 CCITT.

Физический уровень может обеспечивать как асинхронную (последовательную) передачу, которая используется для многих персональных компьютеров и в некоторых недорогих ЛВС, так и синхронный режим, который применяется для некоторых мэйнфреймов и мини-компьютеров.

Поскольку подкомитеты ISO и IEEE последние несколько лет работают в тесном контакте, не удивительно, что во многих стандартах на ЛВС используются определения, предложенные на физическом уровне модели OSI. На базе физического уровня различные подкомитеты IEEE разрабатывают подробные описания реального физического оборудования, которое передает сетевую информацию в виде электрических сигналов: требования к применяемым кабельным системам, разъемам и соединителям.

На физическом уровне модели OSI определяются такие важнейшие компоненты сети, как тип коаксиального кабеля для одноканальной передачи при скорости 10 Мбит/с. Сюда включено принятое в стандарте IEEE 802.3 определение более тонкого коаксиального кабеля cheapenet. К физическому уровню будет добавлено и включенное в стандарт IEEE 802.3 определение одноканальной передачи данных по кабелю на витых парах со скоростью 10 Мбит/с.

К средствам, определенным на физическом уровне, также относятся волоконно-оптические кабели и витые пары, применяемые в самых различных ЛВС. В некоторых сетях, например стандарта Token Ring Network фирмы IBM, используются неэкранированные витые пары, а в сетях других типов — экранированные. Упомянутым подкомитетом, кроме того, были разработаны спецификации различных типов коаксиальных кабелей для широкополосных ЛВС различных типов.

На физическом уровне модели OSI должна быть определена и схема кодирования, которой компьютер пользуется для представления двоичных значений с целью их передачи по каналу связи. В стандарте Ethernet, как и во многих других локальных сетях, используется манчестерское кодирование. В манчестерском кодировании отрицательное напряжение в течение первой половины такта передачи с переходом на положительное напряжение во втором полутакте означает единицу, а положительное напряжение с переходом на отрицательное — нуль. Таким образом, в каждом такте передачи имеется переход с отрицательного на положительное напряжение, или наоборот.

Итак, физический уровень отвечает за тип физической среды, тип передачи, метод кодирования и скорость передачи данных для различных типов локальных сетей. К его функциям, кроме того, относится установление физического соединения между двумя коммуникационными устройствами, формирование сигнала и обеспечение синхронизации этих устройств. Тактовые генераторы обоих устройств должны работать синхронно, иначе передаваемая информация не будет расшифрована и прочитана.

В таблице представлено описание четырех нижних уровней модели OSI. Особо следует отметить избыточность, предусмотренную в модели OSI для связи с установлением соединения и связи без установления соединения.

 

В начало

В начало

Подведем краткие итоги

Модель OSI разбивает задачи коммуникаций на более мелкие составляющие, называемые подзадачами. Реализации протоколов представляют собой компьютерные процессы, относящиеся к этим подзадачам. Конкретные протоколы выполняют подзадачи определенных уровней модели OSI. Когда протоколы группируются вместе для выполнения полной задачи, образуется стек протоколов.

Стек протоколов — это группа протоколов, упорядоченных в виде уровней для реализации коммуникационного процесса. Каждый уровень модели OSI имеет собственный связанный с ним протокол. Если для осуществления процесса коммуникаций необходимо более одного протокола, то протоколы группируются в стек. Примером стека протоколов является TCP/IP — стек, широко применяемый в ОС UNIX и в Internet.

Каждый уровень в стеке протоколов обслуживается нижерасположенным уровнем и реализует сервис для вышерасположенного уровня. Иными словами, уровень N использует сервис нижерасположенного уровня (уровня N-1) и обслуживает вышерасположенный уровень (уровень N+1).

Для обеспечения взаимодействия двух компьютеров на каждом из них должен выполняться один и тот же стек протоколов. Каждый уровень стека протоколов на компьютере взаимодействует со своим эквивалентом на другой машине. Выполняя одинаковый стек протоколов, компьютеры могут иметь различные операционные системы. Например, машина DOS, выполняющая стек TCP/IP, может взаимодействовать с ПК Macintosh, где также функционирует TCP/IP.2

 

КомпьютерПресс 2'2000