Лекция 4 Тема занятия Уровневые модели взаимодействия в

Лекция 4 Тема занятия: Уровневые модели взаимодействия в ВС Учебные вопросы: 1. 8 Деление ВС на системы 1. 9 Проблемы взаимодействия в ВС 1. 10 Модель архитектуры OSI 1. 11 Уровневые модели TCP/IP и IPX/SPX 1

1. 8 Деление ВС на системы

Системы ВС Любую ВС можно рассматривать как совокупность абонентской и телекоммуникационной систем. Дадим основные определения. Абонентами сети (оконечными системами) называют объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети. Абонентами могут быть отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, промышленные роботы, станки с ЧПУ, роботизированные комплексы вооружения и военной техники и пр.

Абоненты ВС Абоненты сети подключают к каналам связи через оконечное оборудование данных (ООД), предназначенное для преобразования сигналов компьютера в информационный битовый сигнал, идущий по КС сети. Как правило, это сетевой адаптер. Совокупность абонентов сети и ООД, составляют абонентскую систему сети (сеть абонентского доступа).

Абонентские системы (АС) связаны между собой через телекоммуникационную систему ВС (рис. 1. 9).

Телекоммуникационная система ВС Телекоммуникационную систему (ТКС) часто также называют телекоммуникационной сетью или ядром ВС. Под ней понимают совокупность каналов связи, определение которым уже давалось в п. 1. 5. ТКС может строится на базе различных ФСПД, классификация которых проведена в том же п. 1. 5.

Характеристики ТКС ВС Среди основных характеристик ТКС: скорость передачи данных; достоверность передачи и надежность ТКС. Скорости передачи данных определяются качеством каналов связи в ТКС и применяемой технологией. Начальные сведения, касающиеся скорости передачи данных, содержатся в п. 1. 4. Подробнее эти вопросы будут изложены позже.

Достоверность передачи информации оценивают как отношение количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Один знак кодируется несколькими битами. Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать принципы кодирования информации (использование помехоустойчивых кодов), аппаратура передачи данных и качество КС.

Достоверность Единица измерения достоверности: количество ошибок на знак. Для ВС этот показатель должен лежать в пределах 10 -6… 10 -7 ошибок/знак. То есть допускается одна ошибка на миллион переданных знаков, а лучше – на 10 млн. знаков.

Надежность ТКС оценивают либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы. Последний показатель используется чаще. Для ВС время безотказной работы должно составлять, как минимум, несколько тысяч часов.

Развитие ТКС Современные цифровые ТКС постоянно совершенствуются. Это относится не только к ТКС компьютерных ВС. Достаточно обратить внимание на впечатляющие темпы внедрения и совершенствования сетей мобильной сотовой связи. На очереди сети цифрового телевидения и радиовещания.

1. 9 Проблемы взаимодействия в ВС

Проблема взаимодействия ВС Многообразие сетевых средств и сетевого ПО ВС поставило проблему взаимодействия таких сетей между собой и их объединения. Это проблема стандартизации ВС. Для ее решения в конце 70 -х годов ХХ века Международная организация по стандартизации - ISO (от греческого “isos”- равный, стандартный) утверждает эталонную модель взаимодействия открытых систем.

Модель ISO/OSI Эта модель получила название OSI (Open System Interconnection). Часто ее также называют моделью архитектуры открытых систем. В 1984 г модель OSI была принята в качестве международного стандарта. Она устанавливает способы передачи данных по сети с коммутацией пакетов, определяет стандартные протоколы, используемые сетевым и программным обеспечением.

Понятие протокола обмена данными Протокол это стандартизованные правила и инструкции обмена информацией между элементами ВС. Не случайно, что одну из первых операций установления связи между элементами сети называют «рукопожатием» (interworking), термином заимствованным непосредственно из делового протокола. Рукопожатие означает, что элементы согласны обменяться данными.

Характеристика ISO/OSI Модель OSI представляет собой самые общие рекомендации для построения совместимых сетевых устройств и программных продуктов. Полное описание модели занимает более 1000 страниц текста. Модель OSI рассматривает общие функции, а не специальные решения. Поэтому не все реальные ВС абсолютно точно ей следуют.

1. 10 Модель архитектуры OSI

Уровни взаимодействия Модель OSI предполагает независимую работу сетевого оборудования и ПО на семи уровнях (Таблица 1. 1).

Уровни взаимодействия

Уровни модели На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции. Нижние первый и второй уровни определяют физическую среду передачи данных и сопутствующие задачи, такие как передача битов данных через плату сетевого адаптера и кабель. Самые верхние уровни указывают каким образом осуществляется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

Прохождение пакета через уровни модели Пакет – единица информации, передаваемая в сети как единое целое, - на передающей стороне проходит последовательно через все уровни сверху вниз. Затем он передается по сети на компьютер – получатель и опять проходит в нем через все уровни в обратном порядке снизу вверх. Рассмотрим задачи, решаемые на каждом уровне, начиная со старшего.

7 -й уровень прикладной – обеспечивает поддержку непосредственно приложений пользователей. Он представляет собой окно для доступа приложений пользователя к сетевым услугам. Примерами подобных приложений является ПО для передачи файлов, доступа к базам данных, электронной почты и др. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и обработкой ошибок. Низлежащие уровни поддерживают решение перечисленных задач.

6 -й уровень представительный – определяет формат для обмена данными между компьютерами в сети (играет роль переводчика). На передающем компьютере данные, поступившие из 7 -го уровня, переводятся в общепонятный промежуточный формат. На принимающем компьютере ПО представительного уровня осуществляют обратный перевод этих данных.

6 -й уровень Таким образом, представительный уровень отвечает за преобразование и сжатие данных, их шифрование, смену или преобразование применяемого набора символов (кодировочной таблицы). Основные форматы представительного уровня: для представления текста – ASCII, HTML, КОИ 8; для звука – MIDI, MPEG, WAV; для графики – JPEG, GIF, TIFF и т. д.

5 -й уровень сеансовый – устанавливает и поддерживает сеанс связи между абонентами через ТКС сети. Он регулирует режим обмена: какая из сторон осуществляет передачу; когда; как долго и т. д. Возможны три основные режима передачи: симплексный, полудуплексный, дуплексный.

4 -й уровень транспортный – управляет потоком пакетов, гарантируя их доставку без ошибок в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне данные разбиваются на сегменты. Возможны два основных транспортных режима: на основе соединения (при этом коммутируется канал передачи) и без установления соединения.

3 -й уровень сетевой – фрагментирует сегменты транспортного уровня на пакеты сетевого уровня- дейтаграммы, отвечает за адресацию пакетов и перевод адресов из логических в физические. Кроме того, он определяет маршрут движения пакетов и решает задачи их коммутации в зависимости от перегрузки каналов.

2 -й уровень канальный – реализует передачу информации по информационному каналу. Информационный канал это логический канал связи, выделенный в данный момент между двумя ЭВМ, соединенными физическим каналом. В следующий момент времени логический канал может быть разорван (занят), хотя физический канал остается соединенным. Задача канального уровня – проверка доступности среды передачи данных.

2 -й уровень Другой задачей канального уровня является обнаружение и коррекция ошибок передачи. Для этого пакеты информации разбиваются на кадры (фреймы) - наборы битов. Кроме того, он вычисляет контрольную сумму из передаваемых битов кадра и добавляет эту сумму к кадру.

2 -й уровень Когда кадр приходит по сети, канальный уровень получателя снова вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с контрольной суммой кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным, и он принимается. В противном случае фиксируется ошибка и организуется повторная передача поврежденного кадра.

1 -й уровень физический – осуществляет просто передачу потока битов по ФСПД. Он устанавливает способ кодирования битов в соответствующие электрические или оптические импульсы, передаваемые по ФСПД. Первый уровень должен гарантировать, что переданная единица будет воспринята именно как единица, а не как ноль.

Заголовки уровней Таким образом, разные уровни модели выполняют разные задачи в сетевом обмене и, в определенном смысле, независимы. Чтобы в принимающем компьютере каждый уровень знал, какая часть сообщения адресована ему, в передающем компьютере каждый уровень, кроме 1 -го, добавляет к сообщению свой заголовок.

Заголовки уровней Заголовки содержат служебную информацию, представляющую инструкции для соответствующего уровня компьютера – приемника, например для декодирования пакета или для проверки на наличие ошибок его передачи.

Горизонтальные связи между уровнями Правила взаимодействия между соответствующими уровнями, связанными через сеть ЭВМ, называют коммуникационными протоколами. На рис. 1. 10 они иллюстрируются горизонтальными связями.

Связи между уровнями

Интерфейсы уровней Кроме того, каждый уровень одного компьютера взаимодействует только с двумя соседними уровнями этого же компьютера – сверху и снизу. Правила этого взаимодействия называют интерфейсами уровней. На рис. 1. 10 они иллюстрируются вертикальными связями.

Достоинство модели OSI Основным достоинством модели OSI является возможность гибкого внесения изменений (модернизации) в программное и аппаратное обеспечение одного из уровней, не меняя остальные.

Недостаток модели OSI Как недостаток следует отметить, быть может, излишнюю детализацию уровней в OSI, что является одной из причин большего распространения других моделей взаимодействия открытых систем и соответствующих им стеков (от англ. stake – стопка) коммуникационных протоколов.

1. 11 Уровневые модели TCP/IP и IPX/SPX

Модель TCP/IP Модель OSI взаимодействия открытых систем не является единственной. К моменту ее разработки в США уже давно функционировали первоначально засекреченные сети на основе четырехуровневой модели взаимодействия посредством стека протоколов TCP/IP.

Модель TCP/IP Эти протоколы, вырвавшись из военной среды, быстро завоевали коммерческий рынок. В их названии часто подчеркивают военное происхождение, называя их Do. D ориентированными протоколами (от англ. Department of Defense – Министерство обороны).

Модель TCP/IP Сейчас архитектура модели TCP/IP де-факто стала основным стандартом сетевого взаимодействия, потеснив семиуровневую модель OSI. Большинство корпоративных сетей и отдельных компьютеров предусматривают выход в ГЛС Интернет, непосредственно основанную на архитектуре TCP/IP.

Модель IPX/SPX Другой широко применяемой моделью является четырехуровневый стек протоколов IPX/SPX компании Nowell. Протоколы IPX/SPX требует от компьютера и от сети меньшего количества ресурсов, чем стек TCP/IP. Поэтому его использование может быть предпочтительным применении в локальной сети компьютеров с ограниченными возможностями.

Модели TCP/IP и IPX/SPX Всего известно несколько десятков стеков протоколов сетевого взаимодействия. Однако перечисленные выше модели взаимодействия являются основными. Примерное соответствие по своим задачам уровней и протоколов в архитектурах OSI, TCP/IP и IPX/SPX дано в Таблице 4. 2.

Модели TCP/IP и IPX/SPX

Поддержка стеков TCP/IP и IPX/SPX Корпорация Microsoft в своих ОС Windows поддерживает стеки TCP/IP и IPX/SPX и не поддерживает стек протоколов OSI.

Значение модели OSI Однако свое значение де-юре эталонная модель OSI сохраняет. С ее помощью практически всегда изучают вопросы взаимодействия открытых систем, поскольку модель OSI дает исчерпывающее описание уровней этого взаимодействия. Кроме того, стек протоколов OSI является рабочим и может быть установлен в некоторых Unix-подобных операционных системах.

Протокольный стек OSI Протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их более подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров. В конце 90 -х годов стек OSI критиковался отдельными авторами. В частности, в книге «UNIX. Руководство системного администратора» Эви Немет писала:

Критика стека OSI «Пока комитеты ISO спорили о своих стандартах, за их спиной менялась вся концепция организации сетей и по всему миру внедрялся протоколы TCP/IP. И вот, когда протоколы ISO были наконец реализованы, выявился целый ряд проблем: 1) эти протоколы основывались на концепциях, не имеющих в современных сетях никакого смысла; 2) их спецификации были в некоторых случаях неполными;

Критика стека OSI 3) по своим функциональным возможностям они уступали другим протоколам; 4) наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации. Сейчас даже самые рьяные сторонники этих протоколов признают, что стек OSI постепенно движется к тому, чтобы стать маленькой сноской на страницах истории компьютеров» . Эви Немет