Cервис с соединением и сервис без соединения
Уровни могут предоставлять вышележащим два вида сервисов: ориентированный на соединение и без соединения.
Сервис с соединением предполагает, что между получателем и отправителем сначала устанавливается соединение, и только потом доставляется сервис. Пример - телефонная сеть.
Сервис без соединениядействует подобнопочтовой службе. Каждое сообщение имеет адрес получателя. В надлежащих точках оно маршрутизируется по нужному маршруту. Независимо от других сообщений. При таком сервисе вполне возможно, что сообщение позже посланное придет раньше. В сервисе с соединением - это невозможно.
Любой сервис характеризуется качеством. Например, надежный сервис, гарантирующий доставку данных без потерь, предполагает подтверждение получения каждого сообщения. Несомненно, это требует определенных накладных расходов. Это- плата за качество. Пример надежного сервиса с соединением - передача файлов. Ясно, что вряд ли кто-то рискнет передавать файл, пусть даже быстрее, при возможности потерять часть битов или нарушить их порядок.
Надежный сервис с соединением имеет две разновидности: последовательность сообщений и поток байтов. В первом случае четко различаются границы каждого сообщения. Если было послано два сообщения по 1МВ, то получено будет два сообщения по 1МВ. Ни при каких условиях у получателя не окажется одно сообщение в 2МВ.
В случае потока байтов, получатель получит 2МВ. У него нет способа распознать, то ли это 2 сообщения по 1МВ, 1 в 2МВ и 2048 по 1 байту.
Если мы захотим передать книгу на фотонаборное устройство, то нам надо проследить, чтобы каждая страница имела четкие границы. В то же время, для поддержки соединения между терминалом и сервером в режиме командной строки - потока байтов вполне достаточно. Для некоторых приложений задержки из-за уведомления получения данных неприемлемы. Примерами таких приложений являются - цифровая, телефонная связь, цифровые видео конференции. При телефонном разговоре, люди готовы смириться с шумом на линии, искажениями слов, но паузы из-за уведомлений будут просто не приемлемы. Аналогично, при видео конференции или передаче видео фильма. Небольшие дефекты картинки допустимы, но подергивание экрана из-за уведомлений будет раздражать зрителя.
Пример приложения, не требующего соединения, - электронная почта. Вряд ли отправитель второстепенного сообщения захочет ждать установки и разрыва соединения, чтобы передать второстепенное сообщение. Ему вряд ли требуется стопроцентная гарантия доставки , особенно, если это связано с увеличением стоимости. Все, что ему нужно - простой способ передать сообщение, которое с большой вероятностью будет принято, но без всяких гарантий. Ненадежный сервис (т.е. без уведомления) часто называют дейтаграммным (datagramm), по аналогии с телеграммным без уведомления. Однако, для тех приложений, где необходима гарантия доставки даже небольшого сообщения, используется datаgramm сервис с подтверждением, подобно телеграмме с уведомлением о получении.
Другой разновидностью дейтаграммного сервиса является запрос-ответ сервис. Он типичен для взаимодействия между клиентами и сервером.
Примитивы сервиса
Сервис формально определяется набором примитивных операций (или примитивов), с помощью которых пользователь или какая-либо активность получала доступ к сервису.
Эти примитивы сообщают сервису о необходимости выполнить некоторое действие или сообщить о действии, выполненном равнозначной активностью.
4.3 Взаимосвязь услуг и протоколов
Услуги и протоколы - понятия разные, хотя их часто путают. Различие между ними настолько важно, что рассмотрим его еще раз. Услуги - это набор примитивов, который уровень предоставляет уровню над ним. Сервис определяет, какие операции данный уровень предназначен выполнить по поручению его пользователей, но он ничего не говорит о том, как эти операции реализованы. Сервис относится к интерфейсу между уровнями. Нижележащий уровень является поставщиком сервиса, а вышележащий - пользователем услуг.
Протокол - это набор правил, определяющих формат, назначение фреймов, пакетов, сообщений, которыми обмениваются равнозначные активности на уровне. Активности используют протоколы для реализации определения их сервиса. Они могут изменить протокол, но не сервис, видимый их пользователями. Отсюда ясно, что сервис и протокол - не связаны.
Эталонные модели
Рассмотрим две конкретные эталонные модели сетей ISO OSI эталонную модель и TCP/IP эталонную модель.
Эталонная модель OSI
Модель OSI (модель взаимодействия открытых систем была разработана Международной Организацией по Стандартизации (OSI) в целях разработки международных стандартов для вычислительных сетей. Это модель систем открытых для взаимодействия с другими системами.
Модель OSI имеет семь уровней. Принципы выделения этих уровней таковы:
1. Каждый уровень отражает надлежащий уровень абстракции.
2. Каждый уровень имеет строго определенную функцию.
Эта функция выбиралось прежде всего так, чтобы можно было определить международный стандарт.
Границы выбирались так, чтобы минимизировать поток информации через интерфейсы.
Число уровней должно быть достаточно большим, чтобы не объединять разные функции на одном уровне и оно должно быть достаточно малым, чтобы архитектура не была громоздкой.
Теперь рассмотрим каждый уровень этой модели. Отметим что это модель, а не архитектура сети. Она не определяет протоколов и сервис каждого уровня. Она лишь говорит, что он должен делать. Однако, ISO выпустила и стандарты для каждого уровня, но они не являются частью модели.
Физический уровень
Физический уровень отвечает за передачу последовательности битов через канал связи. Основной проблемой является, как гарантировать что если на одном конце послали 1, то на другом получили 1, а не 0. На этом уровне решают такие вопросы: каким напряжением надо представлять 1, а каким - 0; сколько микросекунд тратиться на передачу одного бита; следует ли поддерживать передачу данных в обоих направлениях одновременно; как устанавливается начальное соединение и как оно разрывается; каково количество контактов на сетевом разъеме, для чего используется каждый контакт. Здесь в основном вопросы механики, электрики.
Уровень канала данных
Основной задачей уровня канала данных - превратить несовершенную среду передачи в надежный канал, свободный от ошибок передачи. Эта задача решается разбиением данных отправителя на фреймы (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч байтов), передачей фреймов последовательно и обработкой фреймов уведомления, поступающих от получателя. Поскольку физический уровень не распознает структуры в передаваемых данных, то это целиком и полностью задача канала данных определить границы фрейма. Эта задача решается введением специальной последовательности битов, которая добавляется в начало и в конец фрейма и всегда интерпретируется как границы фрейма.
Помехи на линии могут разрушить фрейм. В этом случае он должен быть передан повторно. Он будет повторен также и в том случае если фрейм уведомление будет потерян. И это уже заботы уровня как бороться с дубликатами одного и того же фрейма, потерями или искажениями фреймов. Уровень канала данных может поддерживать сервис разных классов для сетевого уровня, разного качества и стоимости.
Другой проблемой, возникающей на уровне канала данных (равно как и на других вышележащих уровнях) как управлять потоком передачи. Например, как предотвратить «захлебывание» получателя? Как сообщить передающему размер буфера для приема передаваемых данных, имеющийся у получателя в этот момент?
Если канал позволяет передавать данные в обоих направлениях одновременно, то возникает новая проблема: фреймы уведомления для потока от А к В используют тот же канал, что и трафик от В к А. Решение - использовать фреймы DU для передачи фреймов уведомлений.
В сетях с вещательным способом передачи возникает проблема управления доступом к общему каналу. За это отвечает специальный подуровень: подуровень доступа к среде (MAC Media ACcess).
Сетевой уровень
Сетевой уровень отвечает за функционирование подсети. Основной проблемой здесь является как маршрутизировать пакеты от отправителя к получателю. Маршруты могут быть определены заранее и прописаны в статической таблице, которая не изменяется. Они могут определяться в момент установления соединения. Наконец, они могут строиться динамически в зависимости от загрузка сети.
Если в подсети циркулирует слишком много пакетов, то они могут использовать одни и те же маршруты, что будет приводить к заторам. Эта проблема так же решается на сетевом уровне.
Поскольку за использование подсети, как правило, предполагается оплата, то на этом уровне также присутствуют функции учета: как много байт, символов послал или получил абонент сети. Если абоненты расположены в разных странах, где разные тарифы, то надо должным образом скорректировать цену услуги.
Если пакет адресован в другую сеть, то надо предпринять надлежащие меры: там может быть другой формат пакетов, отличный способ адресации, размер пакетов, протоколы и т.д. - это все проблемы неоднородных сетей решаются на сетевом уровне.
В сетях с вещательной передачей проблемы маршрутизации просты и этот уровень часто отсутствует.
Транспортный уровень
Основная функция транспортного уровня это: принять данные с уровня сессии, разделить, если надо, на более мелкие единицы, передать на сетевой уровень и позаботиться, чтобы все они дошли в целостности до адресата. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы скрыть от вышележащего уровня непринципиальные изменения на нижних.
В нормальных условиях транспортный уровень должен создать специальное сетевое соединение для каждого транспортного соединения по запросу уровня сессии. Если транспортное соединение требует высокой пропускной способности, то транспортный уровень может создать несколько сетевых соединений, между которыми транспортный уровень буден распределять передаваемые данные. И наоборот, если требуется обеспечить недорогое транспортное соединение, то транспортный уровень может использовать одно и то же сетевое соединение для нескольких транспортных соединений. В любом случае, такое мультиплексирование должно быть незаметным на уровне сессии.
Сетевой уровень определяет какой тип сервиса предоставить вышележащим уровням и пользователям сети. Наиболее часто используемым сервисом является канал точка-точка без ошибок, обеспечивающий доставку сообщений или байтов в той последовательности, в какой они были отправлены. Другой вид сервиса - доставка отдельных сообщений без гарантии сохранения их последовательности, рассылка одного сообщения многим в режиме вещания. Тип сервиса определяется при установлении транспортного соединения.
Транспортный уровень - это действительно уровень, обеспечивающий соединение точка-точка. Активности транспортного уровня на машине отправителя общаются с равнозначными активностями транспортного уровня на машине получателя. Этого нельзя сказать про активности на нижележащих уровнях. Они общаются с равнозначными активностями на соседних машинах. В этом одно из основных отличий уровней 1-3 от уровней 4-7. Последние обеспечивают соединение точка-точка.
Многие хост-машины - мультипрограммные, поэтому транспортный уровень для одной такой машины должен поддерживать несколько транспортных соединений. Для того, чтобы определить к какому соединению относиться тот или иной пакет, в его заголовке помещается необходимая информация.
Транспортный уровень также отвечает за установление и разрыв транспортного соединения в сети. Это предполагает наличие механизма именования, т.е. процесс на одной машине должен уметь указать с кем в сети ему надо обменяться информацией. Транспортный уровень также должен предотвращать «захлебывание» получателя в случае очень «быстро говорящего» отправителя. Механизм для этого называется управление потоком. Он есть и на других уровнях. Однако, управление потоком между хостами отличен от управление потоком между маршрутизаторами.
Уровень сессии
Уровень сессии позволяет пользователям на разных машинах (напомним что пользователем может быть программа) устанавливать сессии. Сессия позволяет передавать данные, как это может делать транспортный уровень, но кроме этого этот уровень имеет более сложный сервис, полезный в некоторых приложениях. Например, вход в удаленную систему, передать файл между двумя приложениями.
Одним из видов услуг на этом уровне - управление диалогом. Потоки данных могут быть разрешены в обоих направлениях одновременно, либо поочередно в одном направлении. Сервис на уровне сессии будет управлять направлением передачи.
Другим видом сервиса - управление маркером. Для некоторых протоколов недопустимо выполнение одной и той же операции на обоих концах соединения одновременно. Для этого уровень сессии выделяет активной стороне маркер. Операцию может выполнять тот кто владеет маркером.
Другой услугой уровня сессии является синхронизация. Пусть нам надо передать файл такой, что его пересылка займет два часа, между машинами, время наработки на отказ у которых один час. Ясно что «в лоб» такой файл средствами транспортного уровня не решить. Уровень сессии позволяет расставлять контрольные. В случае отказа одной из машин передача возобновиться с последней контрольной точки.
Уровень представления
Уровень представления предоставляет решения для часто возникающих проблем, чем облегчает участь пользователей. В основном это проблемы семантики и синтаксиса передаваемой информации. Этот уровень имеет дело с информацией, а не с потоком битов.
Типичным примером услуги на этом уровне - унифицированная кодировка данных. Дело в том, что на разных машинах используются разные способы кодировки ASCII, Unicode и т.п. для символов, разные способы представления целых - в прямом, обратном или дополнительном коде, нумерация бит в байте слева направо или наоборот и т.п. Пользователи как правило используют структуры данных, а не случайный набор байт. Для того, чтобы машины с разной кодировкой и представлением данных могли взаимодействовать, передаваемые структуры данных определяются специальным абстрактным способом, не зависящим от кодировки, используемой при передачи. Уровень представления работает со структурами данных в абстрактной форме, преобразует это представление во внутреннее для конкретной машины и из внутреннего, машинного представления в стандартное представление для передачи по сети.
Уровень приложений
Уровень приложений обеспечивает нужные часто используемые протоколы. Например, существуют сотни разных типов терминалов. Если мы захотим создать сетевой экранный редактор, то нам придется писать для каждого типа терминала свою версию.
Есть другой путь: определить сетевой виртуальный терминал и для него написать редактор. Для каждого типа терминала написать программу отображения этого терминала на сетевой виртуальный терминал. Все программное обеспечение для виртуального сетевого терминала расположено на уровне приложений.
Другой пример - передача файлов. Разные операционные системы используют разные механизмы именования, представления текстовых строк и т.д. Для передачи файлов между разными системами надо преодолевать все такие различия. Для этого есть приложение FTP, также расположенное на уровне приложений. На этом же уровне находятся: электронная почта, удаленная загрузка программ, удаленный просмотр информации и т.д.
Эталонная модель TCP/IP
Здесь мы рассмотрим другую эталонную модель, прототипом для которой послужил прародитель всех компьютерных сетей - сеть ARPA. Позднее мы рассмотрим историю этой сети. Сейчас лишь отметим, что эта сеть образовалась в результате НИР, проведенного по инициативе Министерства Обороны США. Позднее к этому проекту подключились сотни университетов и госучреждений Америки. С самого начала эта сеть задумывалась как объединение нескольких разных сетей. Одной из основных целей этого проекта было разработать унифицированные способы соединения сетей. С появлением спутниковых и радио цифровых каналов связи проблема становилась только актуальнее. Так появилась модель TCP/IP. Свое название она получила по именам двух основных протоколов: TCP - протокол управления передачей (Transmission Control Protocol), и IP -межсетевой протокол (Internet Protocol).
Другой целью проекта ARPA было создание протоколов, независящих от характеристик конкретных хост-машин, маршрутизаторов, шлюзов и т.п.
Кроме этого связь должна поддерживаться даже если отдельные сети компоненты будут выходить из строя во время соединения. Другими словами связь должна поддерживаться до тех пор, пока источник информации и получатель информации работоспособны. Архитектура сети не должна ограничивать приложения, начиная от простой передачи файлов до передачи речи и изображения в реальном времени.
Межсетевой уровень
В силу вышеперечисленных требований выбор очевиден: сеть с коммутацией пакетов с межсетевым уровнем без соединений. Этот уровень называется межсетевым уровнем. Он является основой всей архитектуры. Его назначение обеспечить доставку пакетов, движущихся в сети независимо друг от друга, даже если получатель принадлежит другой сети. Причем пакеты могут поступать к получателю не в том порядке как они были посланы. Упорядочить их в надлежащем порядке - задача вышележащего уровня.
Межсетевой уровень определяет межсетевой протокол IP и формат пакета. Обращаю внимание, что ни протокол, ни формат пакета не являются официальными международными стандартами, в отличии от протоколов эталонной модели OSI. Там большинство протоколов имеют статус международных стандартов.
Итак, назначение межсетевого уровня в TCP/IP доставить IP пакет по назначению. Это как раз то, за что отвечает сетевой уровень в IOS модели.
Транспортный уровень
Над межсетевым уровнем расположен транспортный уровень. Как и OSI модели его задача обеспечить связь точка-точка между двумя равнозначными активностями. В рамках TCP/IP модели было разработано два транспортных протокола. Первый TCP: надежный протокол с соединением. Он получает поток байт, фрагментирует его на отдельные сообщения и передает их на межсетевой уровень. На машине получателе равнозначная активность TCP протокола собирает эти сообщения в поток байтов. TCP протокол также обеспечивает управление потоком.
Второй протокол UDP(User Datagram Protocol). Это ненадежный протокол без соединения для тех приложений, которые используют свои механизмы фрагментации, управления потоком. Он часто используется для передачи коротких сообщений в клиен-серверных приложениях, а также там где скорость передачи важнее ее точности.
Уровень приложений
В TCP/IP модели нет уровней сессии и представления. НеобходиOSIть в них была не очевидна для ее создателей. На сегодня ело обстоит так, что разработчик сложного приложения берет на себя проблемы этих уровней.
Над транспортным протоколом располагается уровень приложений. Этот уровень включает виртуальный терминал - TELNET, передачу файлов - FTP, электронную почту - SMTP. Позднее к ним добавились: служба имен домена - DNS (Domain Name Service) отображающая логические имена хост-машин на их сетевые адреса, протокол для передачи новостей - NNTP, и протокол для работы с гипертекстовыми документами во всемирной паутине (WWW) - HTTP.
Под межсетевым уровнем в TCP/IP модели великая пустота. Модель ничего не говорит что происходит так, лишь что хост-машина должна быть связана с сетью через некоторый протокол. Никаких ограничений на этот протокол, равно как т рекомендаций нет.