Как компьютеры взаимодействуют в сети

Глава

 

В этой главе вы найдете ответы на следующие вопросы:

■ Что такое
эталонная
модель OSI?

■ Каковы функции
каждого уровня
в модели OSI?

■ Как определять
уровни модели OSI,
на которых
выполняются
конкретные
сетевые
операции?

■ Какие возможны
расширения
модели OSI

со стороны IEEE?

В предыдущей главе вы узнали, что такое компью­терные сети, познакомились с основными типами сетей и поняли, как компьютеры (точнее, работаю­щие на них программы) общаются друг с другом в сети. Теперь рассмотрим принципы взаимодействия компьютеров в сети более подробно.

Чтобы общаться, люди чаще всего используют устную речь. Однако такое непосредственное обще­ние возможно, только если собеседники находятся рядом друг с другом и только в воздушной среде. Но представьте себе, что надо передать данные ва­шему товарищу, который живет в другом городе, а тем более — в другой стране. Здесь уже не обойтись без целого ряда определенных действий: нужно на­писать текст на листе бумаги, подписать его, вло­жить в конверт, указать на нем адреса отправителя и получателя, наклеить марку и отдать почтальону (или бросить в почтовый ящик). Дальнейшая судьба этого письма зависит уже не от вас, а от почтовой службы. Каким-либо способом — на поезде, кораб­ле, самолете или как-то иначе, но письмо доходит до страны и города, где живет ваш друг, затем достав­ляется в его почтовое отделение и, наконец, попада­ет к нему в почтовый ящик. Только тогда ваш адре­сат получает возможность открыть конверт и прочитать ваше сообщение. Заметим, что если ка­кая-либо из стадий доставки не сработает, напри­мер, из-за отсутствия почтальона или различий в

Как компьютеры взаимодействуют в сети

правилах записи адресов в разных странах, то ин­формация до вашего друга так и не дойдет.

Точно так же поступают и компьютеры при об­щении в сети. Способов непосредственного обще­ния у них нет — разговаривать друг с другом компьютеры пока еще не научились. Поэтому, что­бы общаться, им приходится прибегать к целому ряду последовательно выполняемых процедур, на­зываемых сетевыми протоколами. Чтобы протоко­лы работали надежно и согласованно, каждая опе­рация в них строго регламентируется. А чтобы программы и оборудование разных производителей могли взаимодействовать друг с другом, протоколы должны соответствовать определенным промыш­ленным стандартам.

Протокол — набор правил и процедур, регулирую­щих порядок взаимодействия компьютеров в сети.

За долгие годы существования компьютерных сетей было создано великое множество различных протоколов — как открытых (опубликованных для бесплатного применения), так и закрытых (разра­ботанных коммерческими компаниями и требую­щих лицензирования для их использования). Одна­ко все эти протоколы принято соотносить с так называемой эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection Reference Model), или просто моделью OSI. Ее опи­сание было опубликовано в 1984 г. Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO), поэтому для нее часто используется другое название — модель ISO/OSI. Эта модель представляет собой набор специфика­ций, описывающих сети с неоднородными устрой­ствами, требования к ним, а также способы их взаимодействия.

Глава 2

Структура модели OSI

Модель OSI имеет вертикальную структуру, в кото­рой все сетевые функции распределены между се­мью уровнями (рис. 2.1). Каждому такому уровню соответствуют строго определенные операции, обо­рудование и протоколы.

Реальное взаимодействие уровней, т. е. переда­ча информации внутри одного компьютера, возможно только по вертикали и только с соседними уровнями (выше- и нижележащими).

Логическое взаимодействие (в соответствии с правилами того или иного протокола) осуществ­ляется по горизонтали — с аналогичным уровнем другого компьютера на противоположном конце линии связи. Каждый более высокий уровень поль­зуется услугами нижележащего уровня, зная, в ка­ком виде и каким способом (т. е. через какой интер­фейс) нужно передать ему данные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Компьютер А				Компьютер В
Прикладной		Прикладной
и		и
Представительский			Представительский
Сеансовый		Сеансовый
Виртуальная связь
Транспортный			Транспортный
п
Сетевой			Сетевой
П			и
Канальный			Канальный
Физический			Физический

Рис. 2.1. Взаимосвязи между уровнями модели OSI

Как компьютеры взаимодействуют в сети____________________ 2Л_

Задача более низкого уровня — принять данные, добавить свою информацию (например, форматиру­ющую или адресную, которая необходима для пра­вильного взаимодействия с аналогичным уровнем на другом компьютере) и передать данные дальше. Только дойдя до самого нижнего, физического уров­ня сетевой модели, информация попадает в среду пе­редачи и достигает компьютера-получателя. В нем она проходит сквозь все слои в обратном порядке, пока не достигнет того же уровня, с которого была послана компьютером-отправителем.

Как видим, все это очень похоже на наш пример с работой почты — программы общаются по сети при­мерно так же, как вы со своим другом по почте. Ваш лист бумаги с текстом передается с верхнего уровня вниз, проходя множество необходимых стадий. При этом он «обрастает» служебной информацией (кон­верт определенного вида, адрес на конверте, почто­вый индекс) и подвергается определенной обработке (почтальон в отделении забирает письмо, на конверт наклеивают марки, ставят штемпели, а после сорти­ровки письмо попадает в контейнер для перевозки почты в другой город). Так ваша информация дохо­дит до самого нижнего уровня — почтового транспор­та, которым она перевозится в пункт назначения. Там происходит обратный процесс: открывается кон­тейнер, письмо извлекается, считывается адрес, по­сле чего почтальон доставляет письмо вашему другу. А затем ваш друг получает информацию в первона­чальном виде — когда извлекает лист из конверта, проверяет подпись и читает текст.

Таким образом, вы с вашим другом логически имеете прямую связь, и детали доставки вас мало заботят. Почтальоны также имеют прямую связь: почтальон в чужом городе получит в точности то, что вы передали своему почтальону — конверт с письмом и адресной информацией. Почтальонов при этом не волнуют проблемы, например, железно­дорожников, которые в действительности и осуще­ствляли перевозку почтовой корреспонденции.

Глава 2

Теперь познакомимся поближе с уровнями моде­ли OSI и определим сетевые услуги, которые они предоставляют смежным уровням.

Уровни модели OSI

Можно предположить, что кон­трольная сумма (CRC) как спо­соб контроля правильности передачи данных появилась одновременно с первыми ЭВМ. Но оказывается, что идея «контрольной суммы» была впервые изобретена... церковниками, озабоченными большим количеством расхож­дений в текстах переписывае­мых вручную Библий (еще до изобретения книгопечатания): ведь при каждом таком копиро­вании писцы не только повто­ряли все ошибки своего ориги­нала, но и добавляли новые.

Уровень 0 — не определен в общей схеме (на рис. 2.1), но весьма важен для понимания. Здесь представлены посредники, по которым собственно и происходит передача сигналов: кабели различных типов, радио-, ИК-сигналы и т. д. На этом уровне ничего не описывается, уровень 0 предоставляет физическому уровню 1 только среду передачи.

Уровень 1 — Физический (Physical). Здесь осу­ществляется передача неструктурированного потока битов, полученных от вышележащего канального уровня 2, по физической среде — например, в виде электрических или световых сигналов. Физический уровень отвечает за под­держание связи (link) и детально описывает электрические, оптические, механические и функциональные интерфейсы со средой переда­чи: напряжения, частоты, длины волн, типы коннекторов, число и функциональность кон­тактов, схемы кодирования сигналов и т. д.

Уровень 2 — Канальный (Data Link). Обеспе­чивает безошибочную передачу данных, полу­ченных от вышележащего сетевого уровня 3, через физический уровень 1, который сам по себе отсутствия ошибок не гарантирует и мо­жет искажать данные. Информация на этом уровне помещается в кадры (frames), где в на­чале (заголовке кадра) содержатся адреса полу­чателя и отправителя, а также управляющая информация, а в конце — контрольная сумма, позволяющая выявить возникающие при пере­даче ошибки (рис. 2.2).

Как компьютеры взаимодействуют в сети

 

 

Рис 2.2. Структура кадра данных в сети

При получении данных на канальном уровне определяются начало и конец кадра в потоке битов, сам кадр извлекается из потока и проверяется на на­личие ошибок. Поврежденные при передаче кадры, а также кадры, для которых не получено подтверж­дение о приеме, пересылаются заново (ретранслиру­ются). Наконец, на канальном уровне обеспечивает­ся управление доступом к среде передачи.

Канальный уровень довольно сложен, поэтому в соответствии со стандартами IEEE (Institute of Elect­rical and Electronics Engineers), выпущенными в фев­рале 1980 г. в рамках «Проекта 802» (Project 802), его часто разбивают на два подуровня (рис. 2.3): управле­ния доступом к среде (Media Access Control, MAC) и управления логической связью (Logical Link Control, LLC).

Уровень MAC обеспечивает совместный доступ сетевых адаптеров к физическому уровню, опреде­ление границ кадров, распознавание адресов назна­чения кадров (эти адреса часто называют физически­ми, или МАС-адресами).

Уровень LLC, действующий над уровнем MAC, отвечает за установление канала связи и за безоши­бочную посылку и прием сообщений с данными.

Глава 2

 

Канальный уровень

Управление

логической связью

(LLC)

Управление

доступом к среде

(MAC)

Рис 2.3. Разделение канального уровня на подуровни MAC и LLC

Уровень 3 — Сетевой (Network). Отвечает за обеспе­чение связи между любыми, даже находящимися в разных концах земного шара, точками в сети. Этот уровень осуществляет проводку сообщений по сети, которая может состоять из множества отдельных се­тей, соединенных множеством линий связи. Такая доставка требует маршрутизации, т. е. определения пути доставки сообщения, а также решения задач управления потоками данных и обработки ошибок передачи.

Уровень 4 — Транспортный (Transport). Гаранти­рует доставку информации от одного компьютера другому. На этом уровне компьютера-отправителя большие блоки данных разбиваются на более мел­кие пакеты, которые доставляются компьютеру-получателю в нужной последовательности, без по­терь и дублирования. На транспортном уровне компьютера-получателя пакеты вновь собираются в исходные блоки данных. Таким образом, транспорт­ный уровень завершает процесс передачи данных, скрывая от более высоких уровней все детали и проблемы, связанные с доставкой информации лю­бого объема между любыми точками во всей сети.

Уровень 5 — Сеансовый (Session). Позволяет двум сетевым приложениям на разных компьютерах уста­навливать, поддерживать и завершать соединение,

Как компьютеры взаимодействуют в сети

называемое сетевым сеансом. Этот уровень также отвечает за восстановление аварийно прерванных се­ансов связи. Кроме того, на пятом уровне выполняет­ся преобразование удобных для людей имен компью­теров в сетевые адреса (распознавание имен), а также реализуются функции защиты сеанса.

Уровень 6 — Представительский, или Уровень представления данных (Presentation). Определяет форматы передаваемой между компьютерами ин­формации. Здесь решаются такие задачи, как пере­кодировка (перевод информации в вид, понятный для всех участвующих в обмене компьютеров), сжа­тие и распаковка данных, шифрование и дешифров­ка, поддержка сетевых файловых систем и т. д.

Уровень 7 — Прикладной (Application), или Уро­вень Приложений. Обеспечивает интерфейс взаимо­действия программ, работающих на компьютерах в сети. Именно с помощью этих программ пользова­тель получает доступ к таким сетевым услугам, как обмен файлами, передача электронной почты, уда­ленный терминальный доступ и т. д.

К моменту появления модели OSI уже существовали и показали высокую эффективность другие наборы (стеки) протоколов, например стек TCP/IP. Поэто­му построенный в полном соответствии с описанной выше моделью набор протоколов OSI так и не полу­чил широкого распространения. Большинство со­временных сетевых архитектур и наборов протоколов соответствуют этой модели лишь до определенной степени. Несмотря на это, сама мо­дель ISO/OSI до сих пор широко используется для описания взаимодействия в сетевых средах.

Вопросы и задания

1. С какой целью разработана модель OSI?

2. Какие задачи решает физический уровень модели OSI?

3. Изобразите структуру кадра данных в сети

4. Для чего в сетевом пакете служит кон­трольная сумма (CRC)?

5. Что такое ретрансляция потерянных (поврежденных) данных?

6. Что понимается под термином «сетевой прото­кол »?

7. Какие сетевые функции осуществляются в моде­
ли OSI?

8. Какой уровень, согласно модели OSI, отвечает за
выбор маршрута передачи данных?

9. На каком уровне модели OSI взаимодействуют
программы, обеспечивающие передачу сообщений
электронной почты?

10.Что такое эталонная модель OSI?

11.Каковы функции каждого уровня в модели OSI?

12.Зачем нужны сетевые протоколы

13.Зачем разработана модель ISO/OSI.

14.Прикладной

15.Представительский

16.Сеансовый

17.Транспортный

18.Сетевой

19.Канальный

20.Физический

21.Зачем в сетях необходим параметр контрольная сумма (CRC) как способ контроля правильности передачи данных

22.Поврежденные при передаче кадры, а также кадры, для которых не получено подтверждение о приеме, пересылаются заново (ретранслируются)

23.Структура кадра данных в сети (Заголовок +Трейлер) т.е. Преамбула Адрес получ Адрес отпр Протокол CRC Start Frame синхронизации передатчика Конец кадра