Основы организации и функционирования сетей ЭВМ
В 1984 году Международная организация по стандартизации ISO (International Standard Organization) закончила начатую в 1977 году разработку модели открытого системного взаимодействия OSI (Open System Interface), которая является в настоящее время международным стандартом для передачи данных по сетям ЭВМ. Модель OSI определяет:
1. Способы установки связи и обмена данными между сетевыми устройствами при использовании ими различных систем кодирования данных;
2. Методы определения момента начала передачи данных;
3. Методы обеспечения передачи нужной информации конкретным адресатам;
4. Организацию коммутации элементов физической среды передачи данных;
5. Поддержание необходимой скорости передачи данных всеми сетевыми устройствами;
6. Методы представления двоичных битов в среде передачи данных. Модель OSI не описывает ничего реального - это концептуальная основа, с
помощью которой общая задача передачи данных разделяется на отдельные легко обозримые компоненты. Модель OSI реализована в виде сетевых протоколов. Под сетевым протоколом понимается соглашение между производителями сетевого оборудования и программного обеспечения о способах обмена информацией между ЭВМ. Сетевые протоколы бывают:
1. Аппаратный протокол. Аппаратный протокол определяет, как функционируют и взаимодействуют между собой устройства ЭВМ (например: тип среды передачи данных, уровни сигналов в среде передачи данных, способы кодирования информации и т.п.);
2. Программный протокол. Программный протокол определяет способы взаимодействия программ друг с другом (например: способы распознавания типа передаваемой информации, контроля целостности передаваемой информации и т. п.).
Существуют два способа коммуникаций между ЭВМ в сети:
1. Коммуникации, не ориентированные на установление соединения. Эти коммуникации реализуют сквозную передачу потока данных, заранее предполагая, что потеря данных маловероятна и они гарантированно достигнут адресата. Как правило, этот способ коммуникаций применяется в сетях с высоким качеством среды передачи данных и низкой вероятностью возникновения перегрузок в сети;
2. Коммуникации, ориентированные на установление соединения. Этот способ коммуникации предполагает, что в процессе передачи данные могут теряться или поступать в некорректном порядке. Как правило, данный способ коммуникаций применяется в сетях с низким качеством среды передачи данных и высокой вероятностью возникновения перегрузок в сети.
Сетевые протоколы, как программные, так и аппаратные, подразделяются по тем же признакам, что и способы коммуникаций - сетевые протоколы, ориентированные на установление соединения, и сетевые протоколы, не ориентированные на установление соединения.
Модель OSI имеет семь иерархических уровней:
1. Физический уровень. Это самый нижний уровень модели OSI, определяющий физические аспекты передачи двоичной информации в среде передачи данных. Протоколы физического уровня детально описывают природу среды передачи данных, напряжения, частоты, виды синхронизации и т.п.;
2. Канальный уровень. Данный уровень обеспечивает безошибочную передачу данных через среду передачи данных, то есть через физический уровень, которая при передаче может их искажать. Протоколы канального уровня определяют порядок оформления исходящей информации в блоки данных стандартного размера, называемые кадрами, и алгоритмы коррекции возникающих при передаче ошибок. Канальный уровень принимает пакеты данных от вышележащего сетевого уровня, делит их на кадры и добавляет к каждому кадру управляющую информацию. При приеме информации канальный уровень распознает кадры, адресованные данной ЭВМ, выявляет испорченные и потерянные кадры и дополнительно запрашивает их у корреспондента. Канальный уровень реализует так называемое прямое соединение, то есть соединение двух сетевых устройств, взаимодействующих непосредственно друг с другом без помощи третьего устройства. Ввиду большой сложности реализации канального уровня модели OSI, он был разбит на два подуровня:
а) Подуровень управления доступом к среде передачи (нижний подуровень);
б) Подуровень управления логическим каналом (верхний подуровень);
3. Сетевой уровень. Сетевой уровень обеспечивает проводку сообщений по сети, которая может иметь более одного прямого соединения. Протоколы сетевого уровня определяют порядок деления информации на пакеты и алгоритмы маршрутизации сообщений. Под маршрутизацией понимается процесс определения пути, по которому следует пересылать данные между ЭВМ;
4. Транспортный уровень. Этот уровень обеспечивает надежность передачи потоков данных в сети и контроль соединения между конечными точками маршрута. Протоколы транспортного уровня определяют организацию передачи данных по маршруту, определенному на сетевом уровне (например: комплектность данных, порядок передачи данных и т. п.);
5. Сеансовый уровень. Данный уровень обеспечивает совместную работу программ на различных ЭВМ. Протоколы сеансового уровня дают возможность двум программам найти друг друга и установить соединение, а в случае отказа в сети повторно передать только данные, посланные после возникновения отказа;
6. Представительный уровень. Представительный уровень обеспечивает преобразование данных из формата представления данных конкретной ЭВМ в формат сети и обратно. Протоколы представительного уровня определяют алгоритмы перекодировки двоичной, текстовой информации и изображений, сжатия и распаковки данных, преобразования различных сетевых стандартов;
7. Прикладной уровень. Это самый верхний уровень модели OSI. Он обеспечивает интерфейс между прикладной программой и сетью. Ни пользователь, ни прикладная программа не имеют доступа ни к одному из уровней модели OSI, кроме прикладного.
Каждый уровень модели OSI реализуется соответствующими сетевыми протоколами. Каждый уровень модели OSI имеет не менее одного связанного с ним сетевого протокола. Таким образом, для реализации коммуникационного процесса необходимо иметь не менее семи сетевых протоколов. Поэтому существует понятие стека протоколов, то есть набора сетевых протоколов, упорядоченных в виде уровней для реализации коммуникационного процесса. Физически протоколы реализованы в виде пакетов сетевых программ, входящих в состав той или иной операционной системы, функционирующей на конкретной ЭВМ.
На передающей ЭВМ данные, которые необходимо передать по сети, поступают на верхний, прикладной уровень модели OSI. Далее эти данные передаются вниз по уровням модели OSI от прикладного до физического. Каждый уровень модели OSI, кроме физического, добавляет к поступившим от вышележащего уровня данным заголовок, содержащий управляющую информацию для соответствующего уровня принимающей ЭВМ. На сетевом уровне совокупная информация (данные и заголовки) делится на пакеты по числу маршрутов передачи, а на канальном уровне эти пакеты делятся на кадры стандартного размера, пригодные для непосредственной передачи на физическом уровне.
На принимающей ЭВМ поступившая по сети информация передается вверх по уровням модели OSI от физического до прикладного. Каждый уровень модели OSI, кроме физического, удаляет соответствующий адресованный ему заголовок. На канальном уровне принятые кадры упорядочиваются, так как могут быть приняты не в той последовательности, чем посылались, дополнительно запрашиваются потерянные и искаженные кадры, и из них формируется пакет, который передается затем на вышележащий сетевой уровень. На сетевом уровне после прихода всех пакетов одного сообщения, передававшихся по разным маршрутам, они упорядочиваются, и из них формируется полная информация, переданная с другой ЭВМ. Полученные от другой ЭВМ данные, выдаются прикладным уровнем модели OSI запрашивающему процессу.