Сетевая модель DoD

Спецификация  IEEE 802 разделяет этот уровень на два подуровня: MAC (media access control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (logical link control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают концентраторы, коммутаторы, мосты и другие устройства. Говорят, что эти устройства используют адресацию второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы канального уровня: ARCnet, ATM, Cisco Discovery Protocol (CDP), Controller Area Network (CAN), Econet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC), IEEE 802.2 (provides LLC functions to IEEE 802 MAC layers), Link Access Procedures, D channel (LAPD), IEEE 802.11 wireless LAN, LocalTalk, Multiprotocol Label Switching (MPLS), Point-to-Point Protocol (PPP), Point-to-Point Protocol over Ethernet (PPPoE), Serial Line Internet Protocol (SLIP, obsolete), StarLan, Spanning tree protocol, Token ring, Unidirectional Link Detection (UDLD), x.25.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой. Это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS, UDI.

Физический уровень (англ. physical layer) — нижний уровень модели, предназначенный непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

На этом уровне также работают повторители сигнала и медиаконвертеры.

Функции физического  уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны  компьютера функции физического  уровня выполняются сетевым адаптером  или последовательным портом. К физическому  уровню относятся физические, электрические  и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие виды среды передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Протоколы физического  уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, DSL, ISDN, SONET/SDH, 802.11 Wi-Fi, Etherloop, GSM Um radio interface, ITU и ITU-T, TransferJet, ARINC 818, G.hn/G.9960. 

Эталонная модель TCP/IP

Рассмотрим теперь эталонную модель, использовавшуюся в компьютерной сети ARPANET, которая является бабушкой нынешних сетей, а также в ее наследнице, всемирной сети Интернет. Хотя краткую историю сети ARPANET мы рассмотрим чуть позднее, некоторые ключевые моменты ее следует отметить прямо сейчас. ARPANET была исследовательской сетью, финансируемой Министерством обороны США. В конце концов, она объединила сотни университетов и правительственных зданий при помощи выделенных телефонных линий. Когда впоследствии появились спутниковые и радиосети, возникли большие проблемы при объединении с ними других сетей с помощью имеющихся протоколов. В результате понадобилась новая эталонная архитектура. Таким образом, возможность объединять различные сети в единое целое составляла одну из главных целей с самого начала. Позднее эта архитектура получила название эталонной модели TCP/IP, по своим двум основным протоколам.

Поскольку Министерство обороны беспокоилось, что ценные хосты, маршрутизаторы и межсетевые шлюзы могли быть мгновенно уничтожены, другая важная задача состояла в том, чтобы добиться способности сети сохранять работоспособность при возможных потерях подсетевого оборудования, так чтобы при этом связь не прерывалась. Другими словами, Министерство обороны требовало, чтобы соединение не прерывалось, пока функционируют приемная и передающая машины, даже если некоторые промежуточные машины или линии связи внезапно выходили из строя. Кроме того, от архитектуры требовалась определенная гибкость, поскольку предполагалось использовать приложения с различными требованиями, от переноса файлов до передачи речи в реальном времени.

Прикладной  уровень

В модели TCP/IP нет сеансового уровня и уровня представления. В этих уровнях не было необходимости, поэтому они не были включены в модель. Опыт работы с моделью OSI доказал правоту этой точки зрения: большинство приложений в них мало нуждаются.

Над транспортным уровнем располагается прикладной уровень. Он содержит все протоколы высокого уровня. К старым протоколам относятся протокол виртуального терминала (TELNET), протокол переноса файлов (FTP) и протокол электронной почты (SMTP), как показано на рис. 2. Протокол виртуального терминала позволяет пользователю регистрироваться на удаленном сервере и работать на нем. Протокол переноса файлов предоставляет эффективный способ перемещения информации с машины на машину. Электронная почта изначально представляла собой разновидность переноса файлов, однако позднее для нее был разработан специальный протокол. С годами было добавлено много других протоколов, таких как DNS (Domain Name Service - служба имен доменов), позволяющий преобразовывать имена хостов в сетевые адреса, NNTP (Network News Transfer Protocol - сетевой протокол передачи новостей), HTTP - протокол, используемый для создания страниц на World Wide Web, и многие другие.

Транспортный  уровень

Уровень, расположенный  над межсетевым уровнем модели TCP/IP, как правило, называют транспортным. Он создан для того, чтобы одноранговые сущности на приемных и передающих хостах могли поддерживать связь, подобно транспортному уровню модели OSI. На этом уровне должны быть описаны два сквозных протокола. Первый протокол, TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей), является надежным протоколом на основе соединений, позволяющим без ошибок доставлять байтовый поток с одной машины на любую другую машину объединенной сети. Он разбивает входной поток байт на отдельные сообщения и передает их межсетевому уровню. На пункте назначения получающий TCP-процесс восстанавливает из полученных сообщений выходной поток. Кроме того, TCP осуществляет управление потоком, чтобы быстрый отправитель не завалил информацией медленного получателя.

Второй протокол этого уровня, UDP (User Data Protocol - пользовательский протокол данных), является ненадежным протоколом без установления соединения, не использующим последовательное управление потоком протокола TCP, а предоставляющим свое собственное. Он также широко используется в одноразовых клиент-серверных запросах и приложениях, в которых оперативность важнее аккуратности, например при передаче речи и видео. Взаимоотношения протоколов IP, TCP и UDP показаны на рис. 1. Со времени создания протокола IP этот протокол был реализован на многих других сетях.

Рис. 1. Протоколы и сети в модели TCP/IP

Интернет-уровень

Все эти требования обусловили выбор модели сети с коммутацией  пакетов, в основе которой лежал  не имеющий соединений межсетевой уровень. Этот уровень, называемый Интернет-уровнем или межсетевым уровнем, является основой всей архитектуры. Его задача заключается в обеспечении возможности каждого хоста посылать пакеты в любую сеть и независимо двигаться к пункту назначения (например, в другой сети). Они могут прибывать не в том порядке, в котором были отправлены. Если требуется соблюдение порядка отправления, эту задачу выполняют более верхние уровни. Обратите внимание, что слово "Интернет" здесь используется в своем первоначальном смысле, несмотря на то, что этот уровень присутствует в сети Интернет.

Здесь можно  усмотреть аналогию с почтовой системой. Человек может бросить несколько  международных писем в почтовый ящик в одной стране, и, если повезет, большая часть из них будет  доставлена по правильным адресам в  других странах. Вероятно, письма по дороге пройдут через несколько международных почтовых шлюзов, однако это останется прозрачным для корреспондентов. В каждой стране (то есть каждой сети) могут быть свои марки, свои предпочитаемые размеры конвертов и правила доставки, незаметные для пользователей почтовой службы.

Межсетевой уровень  определяет официальный формат пакета и протокол, называемый IP (Internet Protocol). Задачей межсетевого протокола является доставка IP-пакетов к пунктам назначения. Основными аспектами здесь являются выбор маршрута пакета и недопущение закупорки транспортных артерий. Поэтому можно утверждать, что межсетевой уровень модели TCP/IP функционально близок сетевому уровню модели OSI. Это cоответствие показано на рис.1.

Рис. 2. Эталонная модель TCP/IP

Хост-сетевой  уровень

В эталонной  модели TCP/IP не описывается подробно, что располагается ниже межсетевого уровня. Сообщается только, что хост соединяется с сетью при помощи какого-нибудь протокола, позволяющего ему посылать по сети IP-пакеты. Этот протокол никак не определяется и может меняться от хоста к хосту и от сети к сети. В книгах и статьях, посвященных модели TCP/IP, этот вопрос обсуждается редко.

Сравнение модели OSI и стека  протоколов TCP/IP

Сравнение эталонных моделей OSI и TCP

У моделей OSI и TCP имеется много общих черт. Обе  модели основаны на концепции стека  независимых протоколов. Функциональность уровней также во многом схожа. Например, в обеих моделях уровни, начиная с транспортного и выше, предоставляют сквозную, не зависящую от сети транспортную службу для процессов, желающих обмениваться информацией. Эти уровни образуют поставщика транспорта. Также в каждой модели уровни выше транспортного являются прикладными потребителями транспортных сервисов.

Несмотря на это фундаментальное сходство, у  этих моделей имеется и ряд  отличий. В данном разделе мы обратим  внимание на ключевые различия. Обратите внимание на то, что мы сравниваем именно эталонные модели, а не соответствующие им стеки протоколов. Сами протоколы будут обсуждаться несколько позднее. Существует книга (Piscitello и Chapin, 1993), которая целиком посвящена сравнению моделей TCP/IP и OSI.

Для модели OSI центральными являются три концепции:

1. Службы.

2. Интерфейсы.

3. Протоколы.

Вероятно, наибольшим вкладом модели OSI стало явное  разделение этих трех концепций. Каждый уровень предоставляет некоторые  сервисы для расположенного выше уровня. Сервис определяет, что именно делает уровень, но не то, как он это делает и каким образом сущности, расположенные выше, получают доступ к данному уровню.

Интерфейс уровня определяет способ доступа к уровню для расположенных выше процессов. Он описывает параметры и ожидаемый  результат. Он также ничего не сообщает о внутреннем устройстве уровня.

Наконец, равноранговые  протоколы, применяемые в уровне, являются внутренним делом самого уровня. Для выполнения поставленной ему  задачи (то есть предоставления сервиса) он может использовать любые протоколы. Кроме того, уровень может менять протоколы, не затрагивая работу приложений более высоких уровней.

Эти идеи очень  хорошо соответствуют современным  идеям объектно-ориентированного программирования. Уровень может быть представлен  в виде объекта, обладающего набором методов (операций), к которым может обращаться внешний процесс. Семантика этих методов определяет набор служб, предоставляемых объектом. Параметры и результаты методов образуют интерфейс объекта. Внутреннее устройство объекта можно сравнить с протоколом уровня. За пределами объекта оно никого не интересует и никому не видно.

Изначально в  модели TCP/IP не было четкого разделения между службами, интерфейсом и  протоколом, хотя и производились  попытки изменить это, чтобы сделать  ее более похожей на модель OSI. Так, например, единственными настоящими сервисами, предоставляемыми межсетевым уровнем, являются SEND IP PACKET (послать IP-пакет) и RECEIVE IP PACKET (получить IP-пакет).

В результате в  модели OSI протоколы скрыты лучше, чем  в модели TCP/IP, и при изменении технологии они могут быть относительно легко заменены. Возможность проводить подобные изменения — одна из главных целей многоуровневых протоколов.

Эталонная модель OSI была разработана прежде, чем были изобретены протоколы для нее. Такая последовательность событий означает, что эта модель не была настроена на какой-то конкретный набор протоколов, что сделало ее универсальной. Обратной стороной такого порядка действий было то, что у разработчиков было мало опыта в данной области и не было четкого представления о том, какие функции должен выполнять каждый уровень.