7.15 Стандартизация в компьютерных сетях
Цель стандартизации– максимально упорядочить и упростить процессы разработки и модернизации компьютерных сетей, обеспечить совместимость оборудования различных производителей. В стандартизации важную роль играет понятие открытой системы. Открытая система – это любая система (компьютер, сеть, ОС, программный пакет и так далее), построенная в соответствии с общедоступными спецификациями стандартов, принятых в результате публичного обсуждения всеми заинтересованными сторонами. Спецификация – это формальное описание программных и аппаратных компонентов (принципы их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, а также набор их характеристик и ограничений). Открытые спецификации – это общедоступные спецификации, опубликованные и соответствующие стандартам. Такими спецификациями, например, являются ОС Unix, модель OSI, сеть Internet.
В начале 1980-х годов ряд международных организаций по стандартизации разработал модель, сыгравшую большую роль в развитии сетей — модель OSI. Эта модель (Open SystemInterconnection, OSI) стандартизирует взаимодействие открытых систем, определяет7 уровней такоговзаимодействия,дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.Она никогда не была реализована в полном объеме, так каа явилась обобщением всего многолетнего опыта использования сетей и является своеобразным эталоном. В реальных сетевых протоколах различные уровни модельи OSI объединены.В модели OSI (рис.7.10) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Рис.7.10. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI
Идеологической основой стандартизации в компьютерных сетях стал многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Для организации взаимодействия сетевых компонентов двух узлов необходимы следующие средства:
Протокол – это формальные правила, которые определяют формат ипоследовательность сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты одного уровня, но в разных узлах.
Интерфейс – это формальные правила, которые определяют взаимодействие сетевыхкомпонентов соседних уровней одного узла.
Пусть, например, приложение обращается с запросом к файловой службе (прикладному уровню, реализованному в ОС) с целью записи файла на удаленном компьютере. Прикладной уровень формирует сообщение, состоящее из пересылаемых данных и заголовка со служебной информацией для прикладного уровня компьютера-адресата (тип операции, место записи и так далее). Затем прикладной уровень передает сформированноесообщение нижележащему уровню.Каждый последующий уровень выполняет над полученным сообщением действия, которые указаны в заголовке предыдущего уровня, и добавляет к сообщению свой заголовок. В нем содержатся указания для протокола аналогичного уровня на компьютере-адресате, и для протокола нижележащего уровня на локальном компьютере.
На компьютере-адресате каждый уровень выполняет действия, указанные в соответствующем заголовке полученного сообщения, удаляет этот заголовок и направляет сообщение протоколу более высокого уровня.
Таким образом, сообщение имеет следующий вид:
Рис. 1.11. Структура сообщения
Иерархический набор согласованных между собой протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов сети (на всех уровнях), называется стеком коммуникационных протоколов. Наиболее известные стек протоколов – TCP/IP (на этом стеке построен Internet).
Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней — как правило, чисто программными средствами.
Чтобы еще раз пояснить понятия «протокол» и «интерфейс», рассмотрим пример, не имеющий отношения к компьютерным сетям, а именно обсудим взаимодействие двух предприятий А и В; связанных между собой деловым сотрудничеством. Между предприятиями существуют многочисленные договоренности и соглашения, такие, например, как регулярные поставки продукции одного предприятия другому. В соответствии с этой договоренностью начальник отдела продаж предприятия А регулярно в начале каждого месяца посылает официальное сообщение начальнику отдела закупок предприятия В о том, сколько и какого товара может быть поставлено в этом месяце. Вответ на это сообщение начальник отдела закупок предприятия В посылаетв ответ заявкуустановленного образца на требуемое количество продукции. Возможно, процедура взаимодействия этих начальников включает дополнительные согласования, в любом случае существует установленный порядок взаимодействия, который можно считать «протоколом уровня начальников». Начальники посылают свои сообщения и заявки через своих секретарей.
После того как сообщения переданы секретарям, начальников не волнует, каким образом эти сообщения будут перемещаться дальше — обычной или электронной почтой,факсом или нарочным. Выбор способа передачи — это уровень компетенции секретарей, они могут решать этот вопрос, не уведомляя об этом своих начальников, так как их протокол взаимодействия связан только с передачей сообщений, поступающих сверху, и не касается содержания этих сообщений.
Итак, в данном случае мы имеем дело с двумя уровнями — уровнем начальников и уровнем секретарей, и каждый из них имеет собственный протокол, который может быть изменен независимо от протокола другого уровня. Эта независимость протоколов друг от друга и делает привлекательным многоуровневый подход.
13.8. Протоколом передачі даних в комп’ютерних мережах називається послідовність дій, які необхідно виконати для з’єднання двох комп’ютерів і передачі пакету інформації.
Серед локальних мереж найбільш розповсюдженою є мережа Ethernet з шинною топологією та мережа Token Ring з кільцевою топологією.
В мережі Ethernet кожен PC перед початком передачі даних з’ясовує, чи вільний канал зв’язку, чи зайнятий. Якщо канал вільний, PC починає передачу, що здійснюється пакетами, упакованими в кадри. Можуть виникати колізії, пов’язані з одночасними зверненнями різних PC до каналу передачі. В цьому випадку робоча станція затримує передачу на певний час. Колізії призводять до зменшення швидкодії мережі, але це суттєво проявляється тільки при порівняно великій кількості PC (80-100шт.).
Для мережі Token Ring фірма IBM розробила метод доступу типу “міркірне кільце”. Маркер – це певна послідовність бітів. Він може лише бути вільним, або зайнятим. Маркер вільно циркулює по кільцю передачі даних. Станція, що виходить на зв’язок, захоплює маркер, змінює його стан на “зайнятий” і добавляє до нього кадр інформації з адресою одержувача. Одержувач зчитує інформацію і пропускає маркер до станції-відправника, яка знімає кадр і переводить маркер знову у стан “вільний”.
8. Многоуровневый подход к стандартизации в компьютерных сетях. Понятия «протокол», «интерфейс», «стек протоколов».
Проблема совместимости аппаратного и программного обеспечения одна из наиболее острых в компьютерных сетях. Прогресс в этой области невозможен без разработки стандартов. Идеологической основой стандартизации в компьютерных сетях является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия.
Протоколом называется набор формализованных правил, по которым обмениваются информацией сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах сети.
Интерфейсом называется набор формализованных правил, по которым обмениваются информацией сетевые компоненты соседних уровней одного узла.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.
Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней, как правило, чисто программными средствами. Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто тоже называют протоколом.
Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами (мостами, маршрутизаторами и т.д.).
Модель OSI включает 7-уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический.
Каждый уровень выполняет свою функцию и имеет дело с определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Самый верхний уровень – прикладной, самый нижний – физический.
Обмен данными происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, транспортировки по сети и обратного
Самые популярные стеки: TCP/IP, IPX/SPX, Net BIOS/SMB , OSI.
Достоинства TCP/IP: — поддерживает все популярные стандарты локальных и глобальных сетей;
— поддержка различными аппаратными платформами;
— способность фрагментировать пакет;
9. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.
В 1984 г. Международная организация по стандартизации ISO (International Standards Organization) выпустила ряд спецификаций, названных эталонной моделью взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection). Модель OSI стала международным стандартом для построения сетей различных типов.
В широком смысле открытой системой называется любая система, которая построена в соответствии с открытыми спецификациями (опубликованными, общедоступными, соответствующими стандартам). С точки зрения компьютерных сетей открытая система — это система, реализующая стандартный набор услуг, поддерживаемая стандартными протоколами и отвечающая требованиям эталонной модели OSI.
Эталонная модель взаимодействия открытых систем стандартизирует:
- понятия и основные термины, используемые в построении открытых систем;
- набор услуг, которые должна предоставлять открытая система;
- логическую структуру и протоколы открытых систем.
Модель OSI включает 7-уровней (рис 1): прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование, протоколы и интерфейсы с соседними уровнями.
Информация при ее передаче по сети проходит отдельные уровни базовой модели два раза. Обмен данными происходит путем их перемещения с верхнего уровня (прикладного) на нижний (физический) в узле-отправителе, транспортировки по сети и обратного воспроизведения в узле-получателе с нижнего уровня на верхний. При этом на каждом уровне к исходному сообщению, которое надо передать по сети, добавляется заголовок данного уровня, содержащий служебную информацию, необходимую для передачи. На компьютере-получателе каждый уровень в свою очередь анализирует соответствующий ему заголовок, выполняет нужные функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.
Уровни модели OSI делятся на 2 группы: сетезависимые и сетенезависимые.
К сетезависимым относятся три нижних уровня: сетевой, канальный, физический. Транспортный уровень занимает промежуточное положение между нижними и верхними уровнями.
Транспортный уровень обеспечивает взаимодействие между приложениями и коммуникационными уровнями. Этот уровень отвечает за передачу данных с необходимой степенью надежности.
Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи данных. Этот уровень обеспечивает выбор маршрута и доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией и сетевой технологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных. Единица данных сетевого уровня – это пакет.
Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи кадров. На этом уровне происходит отслеживание и исправление ошибок. Еще одна функция канального уровня – управление доступом к среде передачи (метод доступа).
Физический уровень — самый нижний уровень в модели OSI. Этот уровень осуществляет передачу потока битов по физической среде (например, по сетевому кабелю) от одного узла к другому. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняет сетевой адаптер или последовательный порт.
На этом уровне стандартизируются:
- характеристики физических сред передачи данных (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и т.д.);
- характеристики электрических и оптических сигналов, передающих дискретную информацию (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения и тока передаваемого сигнала, тип кодирования двоичной информации, скорость передачи и т.д.);
- способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера (типы разъемов, количество контактов в разъемах и их функции).