4. Стандартизация компьютерных сетей. Понятия интерфейса, протокола и стека
По своей сущности компьютерная сети является совокупностью компьютеров и сетевого оборудования, соединенных каналами связи. Поскольку компьютеры и сетевое оборудование могут быть разных производителей, то возникает проблема их совместимости. Без принятия всеми производителя общепринятых правил построения оборудования создание компьютерной сети было бы невозможно. Поэтому разработка и создание компьютерных сетей может происходить только в рамках утвержденных стандартов.
В основу стандартизации компьютерных сетей положен принцип декомпозиции, т.е. разделения сложных задач на отдельные более простые подзадачи. Каждая подзадача имеет четко определенные функции и строго установленные связи между подзадачами. При более внимательном рассмотрении работы компьютера в сети можно выделить две основные подзадачи:
- взаимодействие программного обеспечения пользователя с физическим каналом связи (посредством сетевой карты) в пределах одного компьютера
- взаимодействие компьютера через канал связи с другим компьютером
Современное программное обеспечение компьютера имеет многоуровневую модульную структуру, т.е. программный код, написанный программистом и видимый на экране монитора (модуль верхнего уровня), проходит несколько уровней обработки, прежде чем превратится в электрический сигнал (модуль нижнего уровня), передаваемый в канал связи.
При взаимодействии компьютеров через канал связи оба компьютера должны выполнять ряд соглашений. Например, они должны согласовать величину и форму электрических сигналов, длину сообщений, методы контроля достоверности и т.д. Соглашения должны быть такими, чтобы они были поняты каждым модулем на соответствующе уровне каждого компьютера.
Суть работы многоуровневого протокола можно пояснить как «письмо в конверте». Каждый уровень протокола надписывает на «конверте» свою информацию. Сетям нужно только понимать «надпись» на «конверте», чтобы предать его в место назначения, а до содержания письма им дела нет.
На Рис.2 схематически показана модель взаимодействия двух компьютеров в сети. Для упрощения показаны четыре уровня модулей для каждого компьютера. Процедура взаимодействие каждого уровня этих компьютеров может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары модулей соответствующих уровней.
Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются модули, лежащие на одном уровне, но в различных компьютерах называются протоколами.
1-й компьютер 2-й компьютер
Рис. 2 Взаимодействие двух компьютеров в сети
Модули, реализующие протоколы соседнего уровня и находящиеся в одном компьютере, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила называются интерфейсом и определяют набор сервисов, предоставляемых данным уровнем соседнему уровню.
Другими словами, в сетевых технологиях традиционно принято, что протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня, но в разных компьютерах, а интерфейсы – соседних уровней в одном компьютере. Модули, таким образом, должны обрабатывать: во- первых свой собственный протокол, а во- вторых интерфейсы с соседними уровнями.
Иерархически организованный набор протоколов для взаимодействия компьютеров в сети называется стеком коммуникационных протоколов.
Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней, как правило, реализуются комбинацией программно- аппаратных средств, а протоколы верхних уровней- чисто программными средствами.
Отметим, что протоколы каждого уровня обладают независимостью друг от друга, т.е. протокол любого уровня может быть изменен не оказывая при этом никакого влияния на протокол другого уровня. Главное, чтобы интерфейсы между уровнями обеспечивали необходимые связи между ними.
Принцип взаимодействия компьютеров в сети можно объяснить на примере сотрудничества двух фирм. Два генеральных менеджера каждой из фирм осуществляют сделки между собой на основании заключенных договоров и соглашений. Указанные взаимодействия являются «протоколом уровня генеральных менеджеров». На каждой из фирм у менеджеров есть секретари, причем каждый менеджер имеет свой метод и стиль работы с секретарем. Один, например, предпочитает устные указания, а второй дает только письменные распоряжения. Таким образом, каждая фирма имеет свой собственный интерфейс «главный менеджер — секретарь», что не мешает, однако, нормально работать генеральным менеджерам между собой. Секретари в свою очередь договорились обмениваться информацией с помощью факсов, реализуя протокол «секретарь — секретарь». В случае, если секретари перейдут на электронную почту, то генеральные менеджеры этого даже и не заметят- главное, чтобы секретари выполняли их распоряжения, т.е. должен безукоризненно работать интерфейс «менеджер — секретарь». С другой стороны, менеджеры могут заключить совершенно новый договор, т.е. изменить «протокол уровня генеральных менеджеров». Передача не старого, а нового договора на уровне секретарей пройдет для этих секретарей абсолютно не замеченной.
В рассмотренном примере мы определили два уровня протоколов – уровень генеральных менеджеров и уровень секретарей. Каждый из указанных уровней имеет свой собственный протокол, который может быть изменен независимо от протокола другого уровня. Такую независимость обеспечивает правильное функционирование интерфейсов «менеджер — секретарь».
Независимость протоколов каждого уровня друг от друга и взаимодействие самих уровней посредством интерфейсов является важнейшей предпосылкой для создания ряда стандартных протоколов для компьютерных сетей.
Протоколы и интерфейсы вычислительной сети.
Взаимосвязь одноименных уровней программной структуры сети определяется сводом стандартных правил, включающих процедуры их взаимодействия. Эти правила называются протоколами.
Взаимосвязь соседних (в одной машине) слоев программных структур определяется стандартами, называемыми интерфейсами. Интерфейсы имеют локальное значение, ибо определяют стыковку соседних слоев программных структур. Протоколы же характеризуют функции всей вычислительной сети в целом.
Протоколы делятся на три группы.
Эти протоколы определяют взаимодействие двух машин любого типа, соединенных друг с другом физическим каналом: хост-машина – коммуникационная машина; терминальная машина – коммуникационная машина; коммуникационная машина – коммуникационная машина и т.п.
Вторая группа протоколов определяет стандарты и процессы транспортировки пакетов от порта к порту. К ним относятся:
Эти правила описывают правила передачи информации между: хост – хост, хост – терминальная машина, терминальная ЭВМ – терминальная ЭВМ и т.д. Такое взаимодействие двух машин, определяющееся протоколами этой группы. Не зависит от числа физических каналов и коммуникационных машин, расположенных между ними.
Над рассмотренными протоколами находится группа, включающая три протокола высокого уровня:
- Управление сеансами
- Управление представлениями
- Управление программами пользователей
Эти протоколы определяют правила взаимодействия процессов, расположенных в различных машинах. Как и модули программного обеспечения, протоколы должны быть относительно независимы друг от друга.
Рис. 11. Взаимодействие процессов расположенных в разных машинах.
Управление каналами реализуется техническими средствами уровня 1. Сопряжение с техническими средствами определяются интерфейсом Х.21. Интерфейс Х.21 определяет сопряжение между ООД и АПД по синхронному (цифровому) каналу передачи данных. В качестве ООД может выступать устройство сопряжения главной, терминальной или коммуникационной ЭВМ с АПД по линиям связи. Интерфейс состоит из 8 линий:
Взаимодействие через Х.21 сводится к 3 основным процедурам:
- Установление соединения по инициативе ООД или АПД
- передача данных
- разъединение
Линия индикации – индикация установления соединения и прекращение связи.
Этот интерфейс – последовательный. Есть параллельный интерфейсы, например, ИРПР (интерфейс радиальный параллельный расширенный-16 линий для данных) и др.
Интерфейс С2 определяется рекомендацией V.24. Учитывая, что большая часть ЭВМ все еще подключается к аналоговым телефонным каналам с помощью модемов, ITU (МККТТ) разработал и утвердил Рекомендацию Х.21бис совместимую с Рекомендацией V.24. В Х.21бис используется подмножество цепей, определяемых V.24. Его применение позволяет подключать ЭВМ через стандартные модемы к телефонным каналам связи. Наряду с этим Х.21бис позволяет работать и с дискретными каналами связи, определяющими Х.21. Таким образом, интерфейс Х.21бис является универсальным и обеспечивает подключение вычислительных машин как к аналоговым, так и дискретным каналам связи.
Протоколы канального уровня.
Протокол управления информационным каналом определяет значительное число функций управления информационным каналом, к которому относятся управление процедурами установления и прекращения связи; упаковка передаваемой информации в кадры перед передачей и распаковка после приема; генерация и чтение управляющих кадров; обеспечение прозрачности информационного канала; передача и прием квитанций, повторная передача; управление потоками кадров.
В физических каналах используется два метода передачи информации: 1) параллельный (по d цепям передается d символов одновременно)
2) последовательный (бит за битом по одной и той же цепи).
Характер управления передачей кадров по информационному каналу зависит от процедуры управления. В современных цепях используется два вида процедур: байт-ориентированные и бит-ориентированные. В байт-ориентированных протоколах осуществляется побайтовая (посимвольная) передача информации. В бит-ориентированных протоколах передается неделимый на байты поток бит.
Широко распространенной байт-ориентированной процедурой является BSC фирмы IBM, ставший, по существу, международным стандартом. Байт-ориентированный протокол хорошо увязывается с характеристиками ЭВМ, но из-за передачи значительного числа управляющих символов не очень эффективно использует телефонную сеть. Поэтому в последние годы большое внимание уделяется бит-ориентированным процедурам.
Протокол BSC синхронную полудуплексную передачу. В BSC кадры двух типов – информационные и управляющие.
Рис. 13. Формат кадров протокола BSC.
SYN – символ, используемый для синхронизации машин, а также для заполнения времени между кадрами; 2 символа подряд (SYNSYN) сообщают о начале кадра.
STX – символ, предшествующий основе пакета.
ETB – символ, следующий за основой пакета.
BCC1, ВСС2 – контрольная информация.
Сеанс связи между парой машин, соединенных информационным каналом, осуществляется в 5этапов, называемых фазами:
- Подключение канала. Эта фаза необходима, когда соединение осуществляется через коммутирующую телефонную сеть. При использовании выделенного канала – эта фаза не нужна.
- Запрос на передачу
- Передача кадров
- Окончание передачи
- Отключение канала (для выделенного канала – эта фаза не нужна).
Всё взаимодействие идее по принципу «запрос-ответ».
Прозрачность. Для управления информационным каналом соответствующая аппаратура должна отличать управляющие символы (STX, ETB, SYN и т.д.) от содержимого кадра, передаваемого в его основе. Однако, при произвольном способе кодирования символов основы кадра в нем могут появиться также, которые имеют те же кадры, что и управляющие символы. Иначе говоря, в кадре могут быть символы, не отличимые от управляющих. Для того, чтобы отличить символы основы кадра от управляющих символов, вводится специальный символ DLE и выполняется следующая процедура: перед любым управляющим символом заголовка и концевика дописывают DLE. Перед любым символом DLE, имеющимся в основе кадра, добавляется еще один DLE.
Эта операция называется байтстаффингом и выполняется перед передачей кадра. После приема кадра выполняется обратная операция – удаление символов DLE. Появление в кадре символа DLE, является предупреждением, что следующий символ является управляющим , если он отличен от DLE. Если же этот символ совпадает с DLE, то он не является управляющим.
Большой опыт, полученный при эксплуатации BSC позволил IBM разработать новый , более совершенный бит-ориентированный протокол SDLC. На его основе МОС создан и утвержден международным протоколом HDLC – бит-ориентированный.