Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем
Даже беглого взгляда на перечень проблем, связанных с логической организацией взаимодействия удаленных процессов, достаточно, чтобы понять, что построение сетевых средств связи – задача более сложная, чем реализация локальных средств связи. Поэтому обычно задачу создания таких средств решают по частям, применяя уже неоднократно упоминавшийся нами «слоеный», или многоуровневый, подход.
Как уже отмечалось при обсуждении «слоеного» строения операционных систем на первой лекции, при таком подходе уровень N системы предоставляет сервисы уровню N+1, пользуясь в свою очередь только сервисами уровня N-1. Следовательно, каждый уровень может взаимодействовать непосредственно только со своими соседями, руководствуясь четко закрепленными соглашениями – вертикальными протоколами, которые принято называть интерфейсами.
Самым нижним уровнем в слоеных сетевых вычислительных системах является уровень, на котором реализуется реальная физическая связь между двумя узлами сети. Из предыдущего раздела следует, что для обеспечения обмена физическими сигналами между двумя различными вычислительными системами необходимо, чтобы эти системы поддерживали определенный протоколфизического взаимодействия – горизонтальныйпротокол.
На самом верхнем уровне находятся пользовательские процессы, которые инициируют обмен данными. Количество и функции промежуточных уровней варьируются от одной системы к другой. Вернемся к нашей аналогии с пересылкой почтовых отправлений между людьми, проживающими в разных городах, правда, с порядком их пересылки несколько отличным от привычного житейского порядка. Рассмотрим в качестве пользовательских процессов руководителей различных организаций, желающих обменяться письмами. Руководитель (пользовательский процесс) готовит текст письма (данные) для пересылки в другую организацию. Затем он отдает его своему секретарю (совершает системный вызов – обращение к нижележащему уровню), сообщая, кому и куда должно быть направлено письмо. Секретарь снимает с него копию и выясняет адрес организации. Далее идет обращение к нижестоящему уровню, допустим, письмо направляется в канцелярию. Здесь оно регистрируется (ему присваивается порядковый номер), один экземпляр запечатывается в конверт, на котором указывается, кому и куда адресовано письмо, впечатывается адрес отправителя. Копия остается в канцелярии, а конверт отправляется на почту (переход на следующий уровень). На почте наклеиваются марки и делаются другие служебные пометки, определяется способ доставки корреспонденции и т. д. Наконец, поездом, самолетом или курьером (физический уровень!) письмо следует в другой город, в котором все уровни проходятся в обратном порядке. Пользовательский уровень (руководитель) после подготовки исходных данных и инициации процесса взаимодействия далее судьбой почтового отправления не занимается. Все остальное (включая, быть может, проверку его доставки и посылку копии в случае утери) выполняют нижележащие уровни.
Заметим, что на каждом уровне взаимодействия в городе отправителя исходные данные (текст письма) обрастают дополнительной служебной информацией. Соответствующие уровни почтовой службы в городе получателя должны уметь понимать эту служебную информацию. Таким образом, для одинаковых уровней в различных городах необходимо следование специальным соглашениям – поддержка определенных горизонтальных протоколов.
Точно так же в сетевых вычислительных системах все их одинаковые уровни, лежащие выше физического, виртуально обмениваются данными посредством горизонтальныхпротоколов. Наличие такой виртуальной связи означает, что уровень N компьютера 2 должен получить ту же самую информацию, которая была отправлена уровнем N компьютера 1. Хотя в реальности эта информация должна была сначала дойти сверху вниз до уровня 1 компьютера 1, затем передана уровню 1 компьютера 2 и только после этого доставлена снизу вверх уровню N этого компьютера.
Формальный перечень правил, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты различных вычислительных систем, лежащие на одном уровне, мы и будем называть сетевым протоколом.
Всю совокупность вертикальных и горизонтальных протоколов(интерфейсов исетевых протоколов) в сетевых системах, построенных по «слоеному» принципу, достаточную для организациивзаимодействия удаленных процессов, принято называтьсемействомпротоколовилистекомпротоколов. Сети, построенные на основе разных стековпротоколов, могут быть объединены между собой с использованием вычислительных устройств, осуществляющих трансляцию из одного стекапротоколовв другой, причем на различных уровнях слоеной модели
Эталоном многоуровневой схемы построения сетевых средств связи считается семиуровневая модель открытого взаимодействия систем (Open System Interconnection – OSI), предложенная Международной организацией Стандартов (International Standard Organization – ISO) и получившая сокращенное наименование OSI/ISO(см.рис. 14.1).
Давайте очень кратко опишем, какие функции выполняют различные уровни модели OSI/ISO[Олифер, 2001]:
- Уровень 1 – физический. Этот уровень связан с работой hardware. На нем определяются физические аспекты передачи информации по линиям связи, такие как: напряжения, частоты, природа передающей среды, способ передачи двоичной информации по физическому носителю, вплоть до размеров и формы используемых разъемов. В компьютерах за поддержку физического уровня обычно отвечает сетевой адаптер.
- Уровень 2 – канальный. Этот уровень отвечает за передачу данных по физическому уровню без искажений между непосредственно связанными узлами сети. На нем формируются физические пакеты данных для реальной доставки по физическому уровню. Протоколыканального уровня реализуются совместно сетевыми адаптерами и их драйверами (понятие драйвера рассматривалось в лекции 13).
- Уровень 3 – сетевой. Сетевой уровень несет ответственность за доставку информации от узла-отправителя к узлу-получателю. На этом уровне частично решаются вопросы адресации, осуществляется выбор маршрутов следования пакетов данных, решаются вопросы стыковки сетей, а также управление скоростью передачи информации для предотвращения перегрузок в сети.
- Уровень 4 – транспортный. Регламентирует передачу данных между удаленными процессами. Обеспечивает доставку информации вышележащим уровнем с необходимой степенью надежности, компенсируя, быть может, ненадежность нижележащих уровней, связанную с искажением и потерей данных или доставкой пакетов в неправильном порядке. Наряду с сетевым уровнем может управлять скоростью передачи данных и частично решать проблемы адресации.
Рис. 14.1.Семиуровневая эталонная модель OSI/ISO
- Уровень 5 – сеансовый. Координирует взаимодействие связывающихся процессов. Основная задача – предоставление средств синхронизации взаимодействующих процессов. Такие средства синхронизации позволяют создавать контрольные точки при передаче больших объемов информации. В случае сбоя в работе сети передачу данных можно возобновить с последней контрольной точки, а не начинать заново.
- Уровень 6 – уровень представления данных. Отвечает за форму представления данных, перекодирует текстовую и графическую информацию из одного формата в другой, обеспечивает ее сжатие и распаковку, шифрование и декодирование.
- Уровень 7 – прикладной. Служит для организации интерфейса между пользователем и сетью. На этом уровне реализуются такие сервисы, как удаленная передача данных, удаленный терминальный доступ, почтовая служба и работа во Всемирной паутине (Web-браузеры).
Надо отметить, что к приведенной эталонной модели большинство практиков относится без излишнего пиетета. Эта модель не предвосхитила появления различных семейств протоколов, таких как, например, семействопротоколовTCP/IP, а наоборот, была создана под их влиянием. Ее не следует рассматривать как готовый оптимальный чертеж для создания любого сетевого средства связи. Наличие некоторой функции на определенном уровне не гарантирует, что это ее наилучшее место, некоторые функции (например, коррекция ошибок) дублируются на нескольких уровнях, да и само деление на 7 уровней носит отчасти произвольный характер. Хотя в конце концов были созданы работающие реализации этой модели, но наиболее распространенные семействапротоколовлишь до некоторой степени согласуются с ней. Как отмечено в книге [Таненбаум, 2002], она больше подходит для реализации телефонных, а невычислительных сетей. Ценность предложенной эталонной модели заключается в том, что она показывает направление, в котором должны двигаться разработчики новыхвычислительных сетей. Проблемы 3–5, перечисленные в разделе «Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами, относятся в основном ксетевомуитранспортному уровнямэталонной модели и, соответственно, решаются на уровне сетевых и транспортныхпротоколов. Давайте приступим, наконец, к их рассмотрению.
Многоуровневые сетевые модели
Глобальные сети объединяют в себе огромное количество географически распределённых узлов. Множество вариантов программно-технической реализации передачи информации породили необходимость создания открытых стандартов — стандартов, официально опубликованных и доступных для разработчиков программно-аппаратных компонентов.
Взаимодействие приложений через сеть очень сложно. Разделение его на уровни позволяет понизть сложность. Каждый уровень взаимодействует через сеть с одноименным уровнем. Для этого уровень пользуется услугами нижележащего уровня и каждый уровень предоставляет услуги вышележащему уровню.
Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и понятнее.
Сетевая модель определяет:
- службы— то,чтоделается на данном уровне;
- интерфейсы(API) — как обращаться к другим уровням;
- протоколы— набор правил общения с одноуровневым компонентом на другом узле сети.
Как устроена сетевая модель
Каждый сетевой уровень подчиняется определенному сетевому протоколу, определяющему набор сетевых служб, присущих данному уровню. Сетевая служба— это набор функций, которыми обладает определенный сетевой уровень, выполняемых для вышележащего уровня (например, коррекция ошибок). Каждый сетевой уровень запрашивает определенную сетевую службу от нижележащего уровня. Протокол уровня определяет структуру данных и формат пакета для выполнения запрашиваемой сетевой службы. Протокол— это правила, которым должен следовать уровень, чтобы реализовать сетевую службу. Сетевой протокол описывает формат данных или пакетов данных, то есть правила оформления, которым данные должны подчиняться, чтобы программное обеспечение выполняло ту или иную функцию или сетевую службу (для случая коррекции ошибок протокол описывает какие ошибки сетевая служба должна исправлять).
Эталонная модель osi
Эталонная модель взаимодействия открытых систем, Open Systems Interconnection Reference Model (OSI), создавалась как единый международный стандарт сетевых технологий. Набор протоколов называется открытым, если описание и детали протоколов опубликованы. Система, реализующая открытые протоколы называется открытой системой, несмотря на то, что код программ может быть закрыт. ISO— международная организация по стандартизации. OSI ISO— абстрактная модель для сетевых коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к сети. Каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и понятнее. Существует 7 уровней с помощью которых происходит сетевое взаимодействие. От нижнего уровня к верхнему:
Общие замечания относительно osi iso
- Избыточность и низкая функциональность верхних уровней.
- Учет в стандартах всех теоретически возможных ситуаций.
- Сложность спецификаций для реализации.
- Очень высокие требования к ресурсам сетевых компьютеров.