Курс лекций "Сетевым технологиям"

Модель OSI

Универсальный тезис о пользе стандартизации, справедливый для всех отраслей, в компьютерных сетях приобретает особое значение. Суть сети — это соединение разного оборудования, а значит, проблема совместимости является одной из наи­более острых.. Без принятия всеми производителями общепринятых правил пост­роения оборудования прогресс в деле «строительства» сетей был бы невозможен. Поэтому все развитие компьютерной отрасли в конечном счете отражено в стан­дартах — любая новая технология только тогда приобретает «законный» статус, когда ее содержание закрепляется в соответствующем стандарте.

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является мно­гоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаи­модействия открытых систем, ставшая своего рода универсальным языком сетевых специалистов.

Многоуровневый подход. Протокол. Интерфейс. Стек протоколов

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной зада­чей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный при­ем — декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей (рис. 1.). Процедура декомпозиции включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, и интер­фейсов между ними. В результате достигается логическое упрощение задачи, а кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

Рис. 1. Пример декомпозиции задачи

При декомпозиции часто используют многоуровневый подход. Он заключается в следующем. Все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерар­хию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни (рис. 2.). Множе­ство модулей, составляющих каждый уровень, сформировано таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям не­посредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результа­ты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такая иерархическая деком­позиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и воз­можность их легкой замены.

Средства сетевого взаимодействия, конечно, тоже могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей. При этом модули нижне­го уровня могут, например, решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня. А на верхнем уровне работают модули, предоставляющие пользователям доступ к различным службам — файловой, печати и т. п. Конечно, это

только один из множества возможных вариантов деления общей задачи организации сетевого взаимодействия на частные под­задачи.

Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют две машины, то есть в данном случае необходимо организовать согласованную работу двух «иерархий». При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму

Рис. 2. Многоуровневый подход - создание иерархии задач

электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т. п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого — уровня передачи битов — до самого высокого, реализующего сервис для пользователей сети.

Рис. 3. Взаимодействие двух узлов

На рис. 3. показана модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимо­действия этих двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодей­ствия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах называется протоколом.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предо­ставляемый данным уровнем соседнему уровню. В сущности, протокол и интер­фейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия моду­лей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы — модулей соседних уровней в одном узле.

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организа­ции взаимодействия узлов в сети, называется стеком  прото­колов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программ­ных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней — как правило, чисто программными средствами.

Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют «протоколом». При этом соотношение между протоколом — фор­мально определенной процедурой и протоколом — программным модулем, реали­зующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.

Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно так же и протокол может иметь несколько про­граммных реализаций. Именно поэтому при сравнении протоколов следует учиты­вать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокуп­ности протоколов, составляющих стек, в частности, насколько рационально рас­пределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

Эталонная модель OSI

Для наглядности процесс работы сети в эталонной модели OSI разде­лен на семь уровней. Эта теоретическая конструкция облегчает изу­чение и понимание довольно сложных концепций. В верхней части модели OSI располагается приложение, которому нужен доступ к ре­сурсам сети, в нижней — сама сетевая среда. По мере того как дан­ные продвигаются от уровня к уровню вниз, действующие на этих уровнях протоколы постепенно подготавливают их для передачи по сети. Добравшись до целевой системы, данные продвигаются по уров­ням вверх, причем те же протоколы выполняют те же действия, толь­ко в обратном порядке.

В 1983 г. Международная организация по стандартизации (Interna­tional Organization for Standardization, ISO) и Сектор стандартизации телекоммуникаций Международного телекоммуникационного союза (Te­lecommunication Standardization Sector of International Telecommu­nication Union. ITU-T) опубликовали документ «The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection», где была описана модель распределения сетевых функций между 7 различными уровнями (рис. 4). Предполагалось, что эта семиуровневая структура станет основой для нового стека протоколов, но в коммерческой форме он так и не был реализован. Вместо этого модель OSI используется с су­ществующими стеками протоколов в качестве обучающего и справоч­ного пособия.

Рис.4.   Уровни эталонной модели OSI

Большая часть популярных в наши дни протоколов появилась до разработки модели OSI, поэтому в точности с ее семиуровневой струк­турой они не согласуются. Зачастую в одном протоколе совмещены функции двух или даже нескольких уровней модели, да и границы протоколов часто не соответствуют границам уровней OSI. Тем не менее модель OSI остается отличным наглядным пособием для ис­следования сетевых процессов, и профессионалы часто связывают функции и протоколы с определенными уровнями.

Приложения могут реализовывать собственные протоколы взаимодействия, используя для этого многоуровневую совокупность средств. Для этого для программистов предоставляется прикладной программный интерфейс (АРI). Приложения могут обращаться с запросами к самому верхнему уровню – уровню приложений, однако на практике многие стеки коммуникационных протоколов  предоставляют возможность программистам напрямую обращаться к сервисам, или службам, расположенным ниже уровней.

Например, некоторые СУБД имеют встроенные средства удаленного доступа к файлам. Приложение, выполняя доступ к удаленным ресурсам, не использует системную файловую службу; обходит верхние уровни модели OSI и обращается непосредственно к ответственным за транспортировку сообщений по сети системным средствам, которые располагаются на нижних уровнях модели OSI.

Пусть приложение узла А хочет взаимодействовать с приложением узла В (см. рис 5). Для этого  приложение А обращается с запросом к прикладному уровню (файловой службе). На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Затем прикладной уровень направляет его вниз уровню представления. Протокол уровня представления на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию. Сообщение передается сеансовому уровню и т.д., пока не достигнет физического уровня.

Инкапсуляция данных

По сути, взаимодействие протоколов, работающих на разных уров­нях модели OSI, проявляется в том, что каждый протокол добавляет заголовок (header) или (в одном случае) трейлер (footer) к информа­ции, которую он получил от уровня, расположенного выше. Напри­мер, приложение генерирует запрос к сетевому ресурсу. Этот запрос продвигается по стеку протоколов вниз. Когда он достигает транспорт­ного уровня, протоколы этого уровня добавляют к запросу собствен­ный заголовок, состоящий из полей с информацией, специфической для функций данного протокола. Сам исходный запрос становится для протокола транспортного уровня полем данных (полезной нагрузкой). Добавив свой заголовок, протокол транспортного уровня переда­ет запрос сетевому уровню. Протокол сетевого уровня добавляет к заголовку протокола транспортного уровня свой собственный заго­ловок. Таким образом, для протокола сетевого уровня полезной на­грузкой становятся исходный запрос и заголовок протокола тран­спортного уровня. Вся эта конструкция становится полезной нагруз­кой для протокола канального уровня, который добавляет к ней заго­ловок и трейлер. Итогом этой деятельности является пакет (packet), готовый для передачи по сети. Когда пакет достигает места назначения, процесс повторяется в обратном порядке. Протокол каждого следующего уровня стека (теперь снизу вверх) обрабатывает и удаля­ет заголовок эквивалентного протокола передающей системы. Когда процесс завершен, исходный запрос достигает приложения, которо­му он предназначен, в том же виде, в каком он был сгенерирован.

Процесс добавления заголовков к запросу (рис. 6), сгенериро­ванному приложением, называется инкапсуляцией данных (data encaрsulation). По сути эта процедура напоминает процесс подготовки письма для отправки по почте. Запрос — это само письмо, а добавле­ние заголовков аналогично вкладыванию письма в конверт, написа­нию адреса, штемпелеванию и собственно отправке.

Рис. 6.   Двигаясь по стеку протоколов вниз, данные «обрастают» заголовками и трейлерами

Физический уровень

На самом нижнем уровне модели OSI — физическом (physical) — имеет дело с передачей потока битов по физическим канала связи, такими как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой канал.

Функции этого уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера эти функции выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10BaseT технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, max длину физического сегмента 100 М, манчестерский код для представления данных в кабеле и др. характеристики сигналов.

Коммуникационный элемент, определяемый на физичес­ком уровне, — тип сигнала для передачи данных по сетевой среде. Для кабелей с медной основой таким сигналом является электричес­кий заряд, для оптоволоконного кабеля — световой импульс. В сете­вых средах других типов могут использоваться радиоволны, инфра­красные импульсы и другие сигналы. Помимо природы сигналов, на физическом уровне устанавливается схема их передачи, т. е. комби­нация электрических зарядов или световых импульсов, используемая для кодирования двоичной информации, которая сгенерирована вы­шестоящими уровнями. В системах Ethernet применяется схема пе­редачи сигналов, известная как манчестерская кодировка (Manchester encoding), а в системах Token Ring используется дифференциальная манчестерская (Differential Manchester) схема.

Физический уровень не вникает в смысл информации, которую он передает. Для него информация представляет поток битов, которые нужно доставить без искажений и в соответствии с заданной тактовой частотой (интервалом между соседними битами).

Канальный уровень

Протокол канального (data-link) уровня обеспечивает обмен инфор­мацией между аппаратной частью включенного в сеть компьютера и сетевым ПО. Он подготавливает для отправки в сеть данные, пере­данные ему протоколом сетевого уровня, и передает на сетевой уро­вень данные, полученные системой из сети.

Функции средств канального уровня определяются по-разному для локальных и глобальных сетей: