Физический уровень (Physical Layer — PL) обеспечивает побитовую транспортировку кадров (часто называемую пакетом) между узлами по требуемой физической среде передачи (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконная линия связи, радиоканал).
Физический уровень определяет следующие процедуры и функции, которые физические устройства и интерфейсы должны выполнять в ситуациях, возникающих при передаче информации:
· Физические характеристики интерфейсов и сред передачи. На физическом уровне задают характеристики интерфейса между устройствами и средами передачи. Он также определяет тип среды передачи.
· Представление бит. Физические данные уровня состоят из потока битов (последовательность нулей или единиц) без любой интерпретации. Чтобы быть переданными, биты должны кодироваться электрическими или оптическими сигналами. Физический уровень определяет тип кодирования (каким именно образом нули и единицы представляются в форме электрических сигналов).
· Скорость данных. Скорость передачи — число бит, передаваемых каждую секунду — также определяется физическим уровнем. Другими словами, физический уровень задает продолжительность бита, которая определяет, как долго длится передача блоков информации.
· Синхронизация битов. Передатчик и приемник могут иметь расходящиеся по своим значениям скорости, которые должны быть синхронизированы на уровне разряда.
· Конфигурация линии. Физический уровень определяет подключением устройств к среде передачи. В конфигурации "точка-точка" два устройства связаны вместе через приданную им линию связи. В многоточечной конфигурации линия связи разделена между несколькими устройствами.
· Физическая топология. Физическая топология определяет, как устройства связаны для того, чтобы создать сеть. Устройства могут быть связаны, используя топологию "каждый с каждым" (каждое устройство связано с каждым другим устройством), звездную топологию (устройства связано через центральное устройство), кольцевую топологию (каждое устройство связано со следующим, формируя кольцо) или топологию типа "шина" (каждое устройство на общей линии связи).
· Режим передачи. Физический уровень также определяет направление передачи между двумя устройствами: симплекс, полудуплекс или дуплексный. В симплексном режиме только одно устройство может передать, а другое может только получить. Симплексный режим — однонаправленная связь. В полудуплексном режиме два устройства могут передать и получать, но не в одно и то же время. В полнодуплексном (или просто дуплексном) режиме два устройства могут передавать и получать информацию одновременно.
На канальном уровне (Data Link Layer — DLL) реализуются механизмы обнаружения и коррекции ошибок, возникающих в канале связи между узлами.
Задачи уровня звена передачи данных состоят в следующем:
· Цикловая синхронизация. Канальный уровень данных преобразует поток битов, полученных от сетевого уровня в управляемые модули данных, которые называются кадрами.
· Физическая адресация. Если кадры должны быть распределены между несколькими различными приемниками, уровень звена передачи данных добавляет заголовок к кадру, чтобы определить конкретный передатчик и/или приемник кадра. Если кадр предназначен для системы вне сети передатчика, добавляется адрес приемника или адрес устройства, которое подключает его к другой сети.
· Управление потоком. Если скорость, на которой данные поглощаются приемником, меньше, чем скорость, порождаемая в передатчике, уровень звена передачи данных применяет механизм управления потоком, чтобы предотвратить переполнение приемника.
· Контроль ошибок. Для этого пакет, поступающий с вышележащего (сетевого) уровня, преобразуется в кадр, т. е. дополняется контрольной суммой и обрамляется специальной последовательностью "Флаг", позволяющей определить начало и конец кадра. На приеме "Флаги" отбрасываются, и снова вычисляется контрольная сумма. Если вычисленная контрольная сумма совпадает с суммой, принятой из кадра, то кадр считается правильным и в виде пакета передается на сетевой уровень, а на передающую сторону высылается квитирующий кадр. В случае искажения или пропажи кадра квитирующий кадр не высылается, и передающая сторона через некоторый промежуток времени возобновляет повторную передачу. Поскольку к узлу (например, маршрутизатору) обычно подключено несколько каналов связи с различными технологиями передачи кадра, то для каждой технологии передачи канальный уровень добавляет к пакету соответствующее дополнительное поле. Сетевому уровню поставляются пакеты единообразного вида.
· Управление доступом. Когда два или более устройств могут использовать одну и ту же линию связи, протоколы уровня звена передачи данных необходимы для того, чтобы определить, какое устройство может иметь доступ к линии связи в конкретный момент времени.
Сетевой уровень (Network Layer — NL) служит для образования сквозной транспортной системы между оконечными устройствами пользователя через все промежуточные сети связи — "из конца в конец".
Он выполняет следующие задачи:
· Логическая адресация. Чтобы передать пакет, средства сетевого уровня собирают информацию о топологии сетевых соединений и используют ее для выбора наилучшего пути. Каждый пакет содержит адрес получателя, который состоит из старшей части — номера сети и младшей — номера компьютера (узла) в этой сети. Все компьютеры одной сети имеют один и тот же номер сети, т. е. сеть — это совокупность компьютеров, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети. (Сетевой уровень добавляет заголовок к пакету, прибывающему от верхнего уровня, который среди других атрибутов включает логические адреса передатчика и приемника).
· Маршрутизация. Когда независимые сети или линии связи включены вместе, чтобы создать интернет-сети (сеть сетей) или большую сеть, то используются подключающие устройства (называемые маршрутизаторами, или коммутаторами). Они последовательно направляют или коммутируют пакеты к конечному пункту назначения. Одна из функций сетевого уровня должна обеспечить этот механизм.
Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор — это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от слова hop — прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.
Сетевой уровень — доставка пакета:
· между любыми двумя узлами сети с произвольной топологией;
· между любыми двумя сетями в составной сети;
· сеть — совокупность компьютеров, использующих для обмена данными единую сетевую технологию;
· маршрут — последовательность прохождения пакетом маршрутизаторов в составной сети.
На рис.1.5 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегает два маршрута: первый — через маршрутизаторы 1 и 3, а второй — через маршрутизаторы 1, 2 и 3.
Рис.1.5. Пример составной сети.
Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь — не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может с течением времени изменяться. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, таким как надежность передачи.
В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень также решает задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.
Транспортный уровень (Transport Layer — TL) определяет правила транспортировки пакетов по сети. Транспортный уровень наблюдает за доставкой из конца в конец индивидуальных пакетов, он не учитывает никаких зависимостей между этими пакетами (даже принадлежащими к одному сообщению). Он обрабатывает каждый пакет как если бы каждая часть принадлежала отдельному сообщению, независимо от того, так это на самом деле или нет. Транспортный уровень гарантирует, что все сообщения прибывают в конечный пункт неповрежденными и пакеты располагаются в первоначальном порядке. Он осуществляет контроль нарушения информации и контроль ошибок, а также управление потоком по всему тракту "источник — пункт назначения".
· Транспортный уровень выполняет следующие задачи:
· Адресация точки сервиса. Компьютеры часто выполняют несколько программ в одно и то же время. По этой причине доставка "источник — пункт назначения" означает доставку не только от одного компьютера до следующего, но также и от заданного процесса (функционирующей программы) на одном компьютере к заданному процессу (функционирующей программе) на другом. Поэтому заголовок транспортного уровня должен включать тип адреса, называемый адрес сервисной точки (или адрес порта). Сетевой уровень доставляет каждый пакет на корректный адрес компьютера; транспортный уровень доставляет полное сообщение к корректному процессу на этом компьютере.
· Сегментация и повторная сборка. Сообщение разделено на транспортируемые сегменты, каждый сегмент содержит порядковый номер. Эти номера дают возможность транспортному уровню после достижения пункта назначения правильно повторно собрать сообщение и заменять пакеты, которые были потеряны в передаче.
· Управление подключением. Транспортный уровень может быть ориентирован на работу без установления соединения (connectionless transfer) или ориентирован на подключение (connection-oriented transfer) — дейтаграммный режим. Транспортный уровень без установления соединения (по предварительно установленному виртуальному соединению) обрабатывает каждый сегмент как независимый пакет и поставляет его транспортному уровню в машине пункта назначения. Ориентированный на подключение транспортный уровень сначала перед поставкой пакетов устанавливает соединение с транспортным уровнем в компьютере пункта назначения. После того как все данные переданы, подключение заканчивается.
· В режиме, не ориентированном на соединение, транспортный уровень используется для передачи одиночных дейтаграмм, не гарантируя их надежную доставку. Режим, ориентированный на соединение, применяется для надежной доставки данных.
· Управление потоком. Подобно уровню звена передачи данных, транспортный уровень несет ответственность за управление потоком. Однако управление потоком на этом уровне выполняется от "конца концу".
· Контроль ошибок. Подобно уровню звена передачи данных, транспортный уровень несет ответственность за контроль ошибок. Транспортный уровень передачи удостоверяется, что полное сообщение достигло транспортного уровня приема без ошибки (повреждения, потери или дублирования). Исправление ошибки обычно происходит с помощью повторной передачи.
Сеансовый уровень (Session Layer SL) — сетевой контроллер диалога. Он устанавливает, поддерживает и синхронизирует взаимодействие между связывающимися системами.
При помощи сеансового уровня (Session Layer) организуется диалог между сторонами, фиксируется, какая из сторон является инициатором, какая из сторон активна и каким образом завершается диалог.
Задачи сеансового уровня следующие:
· Управление диалогом. Сеансовый уровень дает возможность двум системам вступать в диалог. Он позволяет обмен сообщениями между двумя процессами. При этом возможны режимы: либо полудуплексный (один путь одновременно), либо дуплексный (два пути одновременно). Например, диалог между терминалом и универсальной ЭВМ может быть полудуплексным.
· Синхронизация. Сеансовый уровень позволяет процессу добавлять контрольные точки (точки синхронизации) в поток данных. Например, если система посылает файл из 2 000 страниц, желательно вставить контрольные точки после каждых 100 страниц, чтобы гарантировать, что каждый модуль со 100 страницами получен и опознается независимо. В этом случае, если случается нарушение в течение передачи страницы 523, единственная страница, которую требуется и которая будет снова послана после системного восстановления — страница 501 (первая страница пятой сотни).
Уровень представления (Presentation Layer) занимается формой предоставления информации нижележащим уровням, например, перекодировкой или шифрованием информации.
Задачи уровня представления следующие:
· Перекодировка информации. Процессы (функционирующие программы) в двух системах обычно меняют информацию в форме символьных строк, чисел и так далее. Информация, прежде чем быть переданной, должна быть изменена на потоки бит. Поскольку различные компьютеры используют различные системы кодирования, уровень представления несет ответственность за способность к взаимодействию между этими различными методами кодирования. Уровень представления в передатчике изменяет информацию от формы, зависящей от передатчика, в общую форму. Уровень представления в компьютере приема заменяет общий формат в формат его приемника.
· Шифрование. Чтобы доставлять конфиденциальную информацию, система должна обеспечить секретность. Шифрование означает, что передатчик преобразовывает первоначальную информацию к другой форме и посылает результирующее сообщение по сети. Расшифровка должна быть полностью противоположна первоначальному процессу, чтобы преобразовать сообщение назад к его первоначальной форме.
· Сжатие. Сжатие данных уменьшает число битов, содержавшихся в информации. Сжатие данных становится особенно важным в передаче мультимедиа, таких как текст, аудио и видео.
Прикладной уровень (Application Layer — AL) — это набор протоколов, которыми обмениваются удаленные узлы, реализующие одну и ту же задачу (программу). Прикладной уровень дает возможность пользователю (человеку либо программному обеспечению) обращаться к сети. Он обеспечивает интерфейсы пользователя и поддержку услуг — электронной почты, удаленного доступа и перевода средств, общедоступного управления базы данных и других типов распределенных информационных служб. Прикладной уровень дает возможность пользователю (человеку либо программному обеспечению) обращаться к сети. Он обеспечивает интерфейсы пользователя и поддержку услуг — электронной почты, удаленного доступа и перевода средств, общедоступного управления базы данных и других типов распределенных информационных служб.
Примеры услуг, оказываемых прикладным уровнем:
· Сетевой виртуальный терминал. Сетевой виртуальный терминал — программная версия физического терминала, он позволяет пользователю войти в удаленный хост. Чтобы сделать это, приложение создает программную имитацию терминала в удаленном хосте. Компьютер пользователя общается с программным терминалом, который, в свою очередь, общается с хостом, и наоборот. Удаленный хост определяет эту связь как связь с одним из его собственных терминалов и позволяет вход.
· Передача файлов, доступ и управление. Это приложение позволяет пользователю обращаться к файлам в удаленном хосте, чтобы изменять или читать данные, извлекать файлы из удаленного компьютера для использования в местном компьютере и администрировать или управлять файлами на удаленном компьютере.
· Услуги почты. Это приложение обеспечивает базу для передачи и хранения электронной почты.
· Услуги каталога. Это приложение обеспечивает распределенные источники базы данных и доступ к глобальной информации о различных объектах и услугах.