Архитектура и средства поддержки информационных сетей
Эволюция логической архитектуры межмашинных коммуникаций в составе информационно-вычислительных сетей, т.е. число выделяемых уровней иерархии, услуги и функции уровней, коммуникационные протоколы и единицы данных на уровнях, привела к развитию ряда корпоративных и открытых архитектур. При этом главным направлением стандартизации в этой области является стандартизация коммуникационных протоколов, группируемых в стеки, которые реализуют конкретную коммуникационную модель.
Наиболее популярными сейчас являются стеки TCP/IP , IPX/ SPX , NetBIOS/SMB, SNA , ATM и OSI .
Стек OSI
Терминологически стек OSI следует отличать от модели ISO/OSI, которая является концептуальной основой взаимосвязи открытых систем. Стек OSI представляет собой набор вполне определенных спецификаций протоколов. В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью соответствует семиуровневой модели OSI. На нижних уровнях (физическом и канальном) стек включает спецификации протоколов локальных (LAN — Local Area Network) сетей 802.3 (Ethernet), 802.5 (Token Ring), FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100 VG Any LAN, а также глобальных сетей ISDN, PSDN , PSTN [4.7]. Специфицированы и разработаны протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровня стека OSI, но они мало распространены. Наиболее популярными протоколами стека являются прикладные протоколы. К ним относятся протоколы: ISO 8571 ( FTAM -File Transfer Access and Management), ISO 9040 ( Virtual Terminal ), x.500 ( Directory Services ), X.400 (Message Handling Services) и ряд других. Из-за своей сложности протоколы OSI требуют использования высокопроизводительных машин и малопригодны для сетей персональных компьютеров. Стек OSI поддерживается правительствами США и Великобритании по программе GOSIP , в соответствии с которой все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях, должны поддерживать стек OSI.
Стек TCP/IP
В стеке TCP/IP определены четыре уровня. Каждый из них участвует в решении основной задачи — организации надежной и производительной работы составной сети (например, Internet), части которой построены на основе разных сетевых технологий.
Уровень сетевых интерфейсов (рис. 4.9) в стеке не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней для локальных и глобальных сетей (рис. 4.10). В их числе имеется спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня.
Уровень межсетевого взаимодействия реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, не предусматривающую обмен управляющей информацией (обеспечивающей синхронизацию) до начала передачи данных. Основным протоколом уровня является протокол IP (Internet Protocol), являющийся дейтаграммным, т.е. не гарантирующим доставку пакетов до узла назначения.
К этому уровню относятся также протоколы маршрутизации RIP, OSPF и др., межсетевых управляющих сообщений (об ошибках) ICMP (Internet Control Message Protocol), разрешения адреса ARP (Address Resolution Protocol).
На транспортном уровне основным является протокол TCP (Transmission Control Protocol), служащий для надежного, сопровождаемого проверкой обмена данными между хост-компьютерами сети. Протокол UDP (User Datagram Protocol) обеспечивает предоставление прикладным программам транспортных услуг и выполняет функции мультиплексора между протоколом IP и многочисленными службами прикладного уровня.
Прикладной уровень объединяет службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям (рис. 4.10). К ним относятся упрощенный протокол управления сетью SNMP, протокол передачи файлов FTP (использует функции протокола ТСР), простой протокол передачи электронной почты SMTP, протокол эмуляции удаленного терминала Telnet, в том числе специальная версия TN 3270 протокола Telnet, ориентированная на работу с мэйнфреймами IBM, и др. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения новых служб, например, передачи гипертекстовой информации НТТР и т.д.
В TCP/IP-сетях данные перемещаются между портами взаимодействующих компьютеров. Порт представляет собой адрес, который идентифицирует приложение на передающей или принимающей стороне. Всем портам присваиваются уникальные 16-разрядные номера из диапазона 0-65535. Некоторые номера протокольных портов стандартизированы, их выделение пользователям контролирует IANA (Internet Assigned Numbers Authority).
Комбинация IP-адреса и номера порта называется сокетом. Сокет идентифицирует отдельный сетевой процесс для Internet в целом. Для определения соединения в ориентированных на логическое соединение протоколах, таких как TCP, требуется два сокета: один в передающей системе, другой — в принимающем хосте.
Стек SNA
SNA (Systems Network Architecture ) является патентованной архитектурой компании IBM, созданной в 1974 году в соответствии с иерархической моделью построения сетей, которой в то время придерживалась IBM. В эту иерархию включились мэйнфреймы (хост), коммуникационные контроллеры, кластерные (групповые) контроллеры и терминалы [4.8].
Уровневая архитектура и основные протоколы стека SNA в сопоставлении с архитектурой ISO/OSI представлены на рис. 4.9, 4.10. Как видно, модель SNA напоминает модель ISO/OSI. Но функции в ней сгруппированы по-другому.
Верхний уровень службы транзакций (Transaction Services) обеспечивает средства приложений для распределенной обработки и управления сетью. К прикладным протоколам относятся:
- DIA (Document Interchange Architecture) — определяет стандарты обмена документами между разнородными вычислительными системами; координирует передачу файлов, поиск документов и их хранение;
- SNADS ( SNA Distributed Service) — управляет распространением документов и сообщений (инфраструктура для распространения электронной почты);
- DDM (Distributed Data Management ) — обеспечивает прозрачный удаленный доступ к файлам за счет механизма перенаправления запросов.
Уровень службы представления данных (Presentation Services) выполняет часть функций шестого уровня модели ISO/OSI (трансляция данных) и частично седьмого по административному управлению совместного использования ресурсов и синхронизации операций.
Уровень управления потоком данных (Data Flow Control ) по своим функциям в основном соответствует сеансовому уровню модели ISO/OSI. Он управляет диалогами, обработкой запросов и ответов, групповых сообщений и прерыванием потока данных по запросу.
Уровень управления передачей (Transmission Control) выполняет функции транспортного уровня ISO/OSI по управлению передачей данных в пределах установленных сессий и некоторые функции (шифрование/дешифрование и др.) шестого уровня.
Уровень управления маршрутом (Path Control) определяет функции, в основном входящие в сетевой уровень модели ISO/OSI, а также включает в себя управление потоками данных (в модели ISO/OSI это функция канального уровня).
Уровень звена данных (Data Link) почти аналогичен второму уровню эталонной модели и совместим с ним по используемому протоколу, так как протоколы 802.2 и SDLC входят в семейство оригинального протокола HDLC .
На этих уровнях располагаются протоколы:
- APPC (Advanced Program-to-Program Communication) — выполняет функции сеансового и транспортного уровней ISO/OSI; на сеансовом уровне обеспечивает администрирование сеанса и трансляцию синтаксиса файлов, а на транспортном — организацию последовательностей сегментов и сквозное управление потоком данных.
- CICS (Customer Information Control System ) — инструментальное средство для построения приложений обработки транзакций, организует доступ к распределенной файловой системе, защиту информации, многозадачность и пр.
- IMS (Information Management System) — еще одна среда обработки транзакций, подобная CICS , позволяющая нескольким приложениям совместно использовать базы данных и планировать приоритеты транзакций.
- TSO ( Time Sharing Operation) — обеспечивает интерактивный пользовательский терминальный интерфейс, реализуя одновременную поддержку множества независимых параллельных пользовательских сеансов; каждый пользователь TSO при помощи специальных команд получает возможность выполнять операции над наборами данных, запускать задания и контролировать ход их выполнения, использовать устройства, связываться с другими пользователями и т.п.
Среди них коммуникационные:
- APPN (Advanced Peer-to-Peer Networking) — работает на сетевом и транспортном уровнях и обеспечивает одноранговое сетевое взаимодействие между несколькими физическими устройствами (миникомпьютерами, кластерными контроллерами, шлюзами, рабочими станциями и пр.); предусматривает управление окном передач и службу каталогов.
- VTAM (Virtual Telecommunication Access Method ) — обеспечивает управление, обмен данными и управление потоками данных в сетях SNA ; на сеансовом уровне VTAM управляет диалогом и реализует управление сеансом, а на транспортном уровне обеспечивает сквозное управление потоками данных.
- NCP ( Network Control Program) — протокол управления ресурсами, подключенными к коммуникационным контроллерам; частично выполняет функции сетевого уровня (маршрутизация, шлюзование) и частично — канального уровня (управление доступом к каналу, физическая и логическая адресация, управление потоком данных).
Первый уровень — физический (Physical) подобно модели ISO/OSI определяет характеристики сопряжения со средой передачи данных. Решения этого уровня основаны преимущественно на тех же стандартах и рекомендациях, что и модель ISO/OSI.
Стек ATM
Стек протоколов АТМ формально соответствует нижним уровням модели ISO/OSI и включает уровень адаптации АТМ, собственно уровень АТМ и физический уровень. Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии АТМ и уровнями модели ISO/OSI нет.
Уровень адаптации AAL (ATM Adaptation Layer) представляет собой набор протоколов AAL1 -AAL5; действует как интерфейс с вышерасположенными уровнями и адаптирован к требованиям различных применений (речь, мультимедиа, данные и т.п.). Рекомендация I.362 определяет четыре класса услуг уровня AAL , зависящих от трех параметров:
- временной синхронизации между отправителем и получателем (требуется или не требуется);
- скорости передачи (постоянная или переменная);
- режима соединения (с установлением или без установления соединения).
Таким образом, уровень AAL поддерживает прикладные программы и в таком качестве очень разнообразен; его операции зависят от характера выполняемых в системе приложений. Уровень AAL выполняет при этом некоторые функции уровней 4, 5 и 7 модели ISO/OSI.
Протокол АТМ занимает в стеке протоколов АТМ примерно то же место, что и протокол IP в стеке TCP/IP, выполняя передачу ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, то есть на основании готовых таблиц коммутации портов.
Одноименный уровень несет ответственность за администрирование передачи и приема между узлом пользователя и коммутатором. Уровень выполняет четыре основные функции:
- мультиплексирование ячеек в единый поток при передаче ячеек и демультиплексирование при приеме потока;
- трансляцию номеров виртуальных путей VPI и соединений VCI ;
- генерацию заголовков ячеек АТМ при получении данных от уровня AAL ;
- управление потоком по принятым методам сигнализации.
Уровень АТМ приблизительно соответствует уровням 2 и 3 эталонной модели ISO/OSI [4.9], но имеет функциональные упрощения с целью достижения большей простоты и более высокой производительности сети.
Физический уровень содержит два подуровня: сходимости передачи ТС (Transmission Convergence ) и физической среды РМ ( Physical Medium ). Первый подуровень выполняет функции генерации, формирования и разграничения кадров, генерации контрольной последовательности и корректировки скоростей передачи ячеек.
Подуровень РМ осуществляет передачу битов данных и образует электрический (оптический) интерфейс со средой передачи данных. Рекомендация I.432 определила два стандартных типа подуровня РМ на скоростях 155 и 520 Mb/s (коаксиальный кабель) и 622 Мb/s (оптоволоконный кабель) SDH / SONET . Для локальных сетей компания IBM разработала спецификацию сети АТМ со скоростью 25 Mb/s (витая пара), которая принята АТМ Forum. Имеются и другие физические интерфейсы к сетям АТМ, отличные от SDH / SONET . К ним относятся интерфейсы T1/E1, Т3/Е3 и др.
Комитет АТМ Forum разработал спецификацию, называемую LAN Emulation ( LANE , df- lane -0021.000), которая обеспечивает совместимость традиционных протоколов и оборудования локальных сетей с технологией АТМ (канальный уровень). Спецификация LANE определяет способ преобразования кадров и адресов МАС-уровня традиционных технологий локальных сетей в ячейки и коммутируемые виртуальные соединения технологии АТМ, а также способ обратного преобразования. Ввиду того, что спецификация определяет только канальный уровень взаимодействия с помощью коммутаторов АТМ и компонентов эмуляции LAN, можно образовать только виртуальные сети, а для их соединения необходимо использовать маршрутизаторы.