Лекция 10. Многоуровневый подход. Модель взаимодействия открытых систем (OSI)

В процессе обмена сообщениями между двумя участниками не­обходимо организовать согласованную работу соответствующих уровней иерархии и принять различные соглашения. Например, оба участника должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, установить методы контроля достоверности и т. д.

Соглашения должны быть приняты для всех уровней: от самого низкого - уровня передачи единичных элементов до самого высоко­го, реализующего сервис для пользователей сети.

На рис. 1 изображена модель взаимодействия двух узлов.

Рисунок 1- Иерархия взаимодействия двух узлов

С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырь­мя уровнями. Процедуру взаимодействия этих двух узлов можно описать в виде набора правил взаимодействия соответствующих уровней обеих участвующих сторон. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которы­ми обмениваются сетевые компоненты одноименных уровней раз­ных узлов (систем), называются протоколами.

Модули соседних уровней одного узла также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами, которые называются интерфейсом. В практике телекоммуникаци­онных систем и сетей встречается несколько другое определение, непротиворечащее рассмотренному: под стандартным интер­фейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструкторских средств, необходимых для реали­зации взаимодействия различных функциональных элементов в системе или сети. Кроме рассмотренных используется более узкое, чем интерфейс, понятие стык, которое обозначает совокуп­ность соединительных цепей и правил взаимодействия различных устройств, определяющих тип и назначение соединительных цепей, порядок обмена, а также тип и форму сигналов, передаваемых по этим цепям.

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

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

Модель OSI. В начале 1980-х годов ряд международных организаций по стан­дартизации - ISO, ITU-T и другие разработали модель взаимодейст­вия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Эта модель определяет различные уровни взаимодействия систем, при­сваивает им стандартные имена и определяет функции каждого уровня. В рамках данной модели под открытостью понимается готовность сетевых устройств взаимодействовать между собой с использованием стандартных правил. Примером открытой системы является международная сеть Internet. На рисунке 1 представлена обобщенная модель взаимодействия открытых систем А и В (модель ВОС или OSI). Средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Эта модель относится только к сетям с коммутацией пакетов.

Прикладной уровень (7) – это набор разнооб­разных протоколов, с помощью которых пользователи сети получа­ют доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совмест­ную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Прикладной уровень в качестве единицы данных использует сооб­щение (message). Прикладной уровень является основным в эталонной модели взаимосвязи открытых систем ЭМВОС. Он диктует нижним уровням, какие услуги действительно должны быть вызваны.

Представительский уровень (6). К функциям представительского уровня относятся:

- адресация прикладных процессов и их портов,

- сжатие и расширение сообщений,

-кодирование, шифровка и расшифровка сообщений, если они реализуются программными методами, а не аппаратурой.

Взаимодействие логических процессов представительского уровня, подобно прикладному, организуется с помощью нижестоящего, сеансового уровня.

Таким образом, выше представительского уровня сообщение имеет явную смысловую форму, а ниже оно рассматривается только с точки зрения приведения к форме, удобной для передачи по элементам открытой системы модели, и его смысловое значение не влияет на обработку.

Сеансовый уровень(5) – главной задачей сеансового уровня является организация диалога между абонентскими устройствами (терминалами), т.е. организация сеансов связи и управление обменом сообщениями по логическим каналам, которые существуют только на время сеанса связи.

Сеансы связи могут быть одно-,либо двусторонними. В этом смысле можно говорить о симплексной, полудуплексной и дуплексной связи соответственно.

Транспортный уровень(4) – на этот уровень возлагается задача подготовки сообщений к виду, пригодному для передачи по сети связи, т.е. транспортный уровень освобождает верхние уровни от учета особенностей сетей связи. На транспортном уровне на передающей стороне производится деление длинных сообщений, поступающих от верхнего (сеансового) уровня, на сегменты (пакеты). Каждый сегмент снабжается заголовком (З) (служебная информация), концевиком (К) и передается через нижестоящие уровни в сеть связи. На приемной стороне открытой системы с помощью транспортного уровня модели описываются процессы сбора сообщений из принятого набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровни. Кроме того, транспортный уровень должен исключить потерю пакетов или их смещение. Таким образом, на транспортный уровень, кроме подготовки сообщений для передачи в сетевой уровень, возлагаются функции повышения достоверности, а также:

- предоставление приоритетов при передаче блоков сообщений (нормальные, срочные),

- передача подтверждений о переданных блоках сообщений,

- ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети,

- контроль качества обслуживания по различным параметрам (среднему времени прохождения сообщения от отправителя до адресата, производительности сети, вероятности ошибок).

Транспортный уровень является границей, ниже которой пакет данных становится единицей информации, управляемой сетью. Выше транспортного уровня в качестве единицы информации рассматривается только сообщение.

Сетевой уровень(3) – служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, называемой составной сетью, или интранетом (не путать с Интернетом, являющейся самой известной реализацией составной сети). Сетевой уровень обеспечивает образование каналов, соединяющих абонентские устройства через телекоммуникационную сеть.

СУ предназначен для выбора маршрута передачи сообщения по сети, коммутации в узлах сети, создания условий, исключающих перегрузку сети, которая может явиться следствием реализации недостаточно эффективной процедуры маршрутизации, передачи номера вызываемого абонента, установления и разъединения коммутируемого соединения. Маршрутизацией называют процесс определения в телекоммуникационной сети пути, по которому вызов либо сообщение может достигнуть адресата. Здесь работают маршрутизаторы.

Очевидно, что транспортный и сетевой уровни в значительной степени дублируют друг друга, особенно в плане функций управления потоком сообщений (пакетов) и контроля ошибок. Главная причина такого дублирования заключается в том, что существует два варианта (режима) связи с коммутацией пакетов – с установлением соединения и без установления соединения. Эти варианты базируются на разных предположениях надежности сети.

Связь с установлением соединения (как и при КК) предусматривает первоначальное установление сквозного соединения, после чего происходит обмен информацией. В этом случае, абоненты не обязаны завершать обмен информацией своим именем, именем вызываемого корреспондента и его адресом, т.к. предполагается, что связь надежна. Адрес пункта назначения необходим лишь при установлении соединения, в самих сообщениях он не нужен. В такой сети сетевой уровень выполняет функцию по контролю ошибок и управлению потоком сообщений, а также сборка пакетов.

Связь без установления соединения (датаграммный) предполагает, что контроль ошибок и управление потоком пакетов (сообщений) осуществляются на транспортном уровне.

Канальный уровень(2) – осуществляет управление передачей информации по каналу. Обычно этот уровень связан с работой клиента в локальных сетях (офисы, предприятия, дом …). На 2 уровне работают коммутаторы локальной сети. С помощью канального уровня описываются процессы передачи стартового сигнала и организации начала передачи информации, самой передачи информации по каналу, проверки получаемой информации и исправления ошибок, отключения канала при его неисправности и восстановления после ремонта, генерации сигнала окончания передачи и перевода канала в пассивное состояние.

На канальном уровне происходит обработка пакетов и передача их в соответствии с заданным на сетевом уровне маршрутом передачи. Для этого пакеты преобразуются в кадры (фреймы) соответствующего размера. Кадр – блок данных, передаваемых на канальном уровне.

Процедура получения кадра сводится к упаковке данных на каждом вышележащем уровне в свой конверт, подписанию на нем адреса и передачу его нижестоящему уровню. Т.о. сетевой уровень отправителя передает канальному уровню пакет, а также указание, какому узлу его передать. Для решения этой задачи канальный уровень создает кадр, который имеет поле данных и заголовок. Канальный уровень помещает пакет в поле данных кадра и заполняет соответствующей служебной информацией заголовок кадра.

Важнейшей информацией заголовка кадра является адрес назначения, на основании которого коммутаторы сети будут продвигать пакет. Однако, прежде чем переправить кадр физическому уровню для непосредственной передачи данных в сеть, канальному уровню требуется решить еще одну важную задачу. Если в сети используется разделяемая среда (общая шина), то прежде чем физический уровень начнет передавать данные, канальный уровень должен проверить доступность среды. Функциипроверки доступности разделяемой среды иногда выделяют в отдельный подуровень управления доступом к среде МАС.

В функции канального уровня входит не только обнаружение ошибок, но и исправление их за счет повторной передачи поврежденных кадров.

Протоколы канального уровня реализуются компьютерами, мостами, коммутаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

Физический уровень(1) – уровень, определяющий механические, оптические, электрические, процедурные средства передачи сигналов через физические средства соединения.

Физический уровень предназначен для переноса сообщения в виде, пригодном для передачи по конкретной используемой физической среде.

Примерами физических каналов являются коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель. На этом уровне определяются характеристики физических сред (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и т.д.) и электрических сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжений или токов, тип кодирования, скорость передачи и т.д.).

Здесь же оговариваются механические характеристики соедине­ний (типы разъемов и назначение контактов). Функции физического уровня реализуются во всех сетевых устройствах. В частности, со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом RS232. Иногда говорят, что физический уровень осуществляет организацию дис­кретного канала.

На физическом уровне происходит диагностика определенного класса неисправностей, например, таких как обрыв провода, пропадание питания, потеря механического контакта.

Применение эталонной модели взаимодействия открытых систем ЭМВОС при построении систем и сетей приносит значительные выгоды:

-обеспечивает экономию затрат и предоставляет более широкие возможности обмена сообщениями;

-минимизирует затраты при изменении структуры системы (сети) связи;

-создает возможность взаимодействия средств связи, предоставляемых различными поставщиками;

- обеспечивает расширенный набор услуг, стандартизированных МСЭ и др.

Модель OSI относится только к сетям с пакетной коммутацией.