Для программной структуры вычислительных сетей протоколами являются стандартные для всей сети правила, включающие характеристики элементов и узлов сети и процедуры их воздействия.
В любой вычислительной сети действует целая иерархия протоколов. Подобно модулям ПО, протоколы должны быть относительно взаимно независимы. Это позволяет изменить любое из них, не изменяя остальные. Такой порядок позволяет легко изменять и совершенствовать компьютерные сети, не затрагивая основных принципов их строения и работы.
Наиболее благоприятные условия эксплуатации ЛВС складываются при функционировании в них одинаковых ЭВМ, т.к. в этом случае и ПО тоже может быть одинаковым. Поэтому наиболее мощные сетевые функции реализуются в системах однородных компьютеров с общим управлением. (например, распределенные файловые системы, где ЭВМ имеет доступ к файлам независимо от их местоположения в ЛВС, и возможность «миграции» программ в любой компьютер для выполнения).
При наличии в сети разнородных ЭВМ сетевые протоколы усложняются и добавляются специальные аппаратные и программные интерфейсы.
При разработке сетей ЭВМ возникает задача согласования взаимодействия ЭВМ клиентов, серверов, линий связи и других устройств. Она решается путем установления определенных правил, называемых протоколами. Реализацию протоколов совместно с реализацией управления серверами называют сетевой ОС. Часть протоколов реализуется программно, часть - аппаратно. Для стандартизации протоколов была создана Международная организация по стандартизации (МОС) - ISO. Она ввела понятие архитектуры открытых систем, что означает возможность взаимодействия систем по определенным правилам, хотя сами системы могут быть созданы на различных технических средствах. Основой архитектуры открытых систем является понятие уровня логической декомпозиции сложной информационной сети. Система разбивается на ряд подсистем, или уровней, каждый из которых выполняет свои функции. ISO установила семь таких уровней.
Первый уровень, физический, определяет некоторые физические характеристики канала. Это требования к характеристикам кабелей разъемов (RS, E1A, Х.21) и электрическим характеристикам сигнала (например, модель V.22 бис обеспечивает скорость передачи данных 2400 бод).
Второй уровень, канальный, управляет передачей данных между двумя узлами сети. Он обеспечивает контроль корректности передачи сблокированной информации. Каждый блок снабжается контрольной суммой. В последних разработках этот контроль перемещается в аппаратную среду. Модем, работающий по одному из протоколов коррекции ошибок и обнаруживший таковую, запрашивает перепередачу. Для повышения скорости обмена осуществляется сжатие данных по типу архивации с применением тех же алгоритмов, например алгоритма, используемого в архиваторе ARC, или алгоритма Зимпеля в архиваторе PKZIP. При получении сообщения оно разворачивается.
Третий уровень, сетевой, обеспечивает управление потоком, маршрутизацию. Он распространяется на соглашения о блокировании данных и адресации. По одному каналу может передаваться информация с нескольких модемов для увеличения его загрузки. К этому уровню относятся Протоколы Х.25 и Х.75 (космический). Для объединения неоднородных сетей различных технологий используется Протокол IP.
Четвертый уровень, транспортный, отвечает за стандартизацию обмена данными между программами, находящимися на разных ЭВМ сети.
Пятый уровень, сеансовый, определяет правила диалога прикладных программ, рестарта, проверки прав доступа к сетевым ресурсам.
Шестой уровень, представительный, определяет форматы данных, алфавиты, коды представления специальных и графических символов (ASCII, EBCD1C, ASN.l, X.409).
Седьмой уровень, прикладной, определяет уровень услуг. Например, Протокол Х.400 связан со стандартизацией электронной почты. Известны такие технические средства, как телекс, телефакс, видеотекс, телетекс и др. Каждый уровень решает свои задачи и обеспечивает сервисом расположенный над ним уровень. Правила взаимодействия разных систем одного уровня называют протоколом, правила взаимодействия соседних уровней в одной системе - интерфейсом. Каждый протокол должен быть прозрачным для соседних уровней. Прозрачность - свойство передачи информации, закодированной любым способом, быть понятным взаимодействующим уровням.
Сети делятся на общественные, частные и коммерческие. По рекомендациям ISO для физического уровня определены следующие классы общественных сетей: до 1000 км - средней длины; до 10 000 км -длинные; до 25 000 км - самые длинные наземные; до 80 000 км - магистральные через спутник; до 160 000 км - магистральные международные через два спутника.