Транспортировка информации. Эталонная семиуровневая модель процесса транспортировки. Протоколы передачи данных в сетях
Основным физическим способом реализации процесса транспортировки является использование локальных сетей и сетей передачи данных. При разработке и использовании сетей для обеспечения совместимости используется ряд стандартов, объединенных в эталонную семиуровневую модель открытых систем (OSI), принятую во всем мире и определяющую правила взаимодействия компонентов сети на данном уровне (протокол уровня) и правила взаимодействия компонентов различных уровней (межуровневый интерфейс). Данная модель разработана международной организацией по стандартизации ISO. Большинство производителей сетевых программно-аппаратных средств стремятся придерживаться модели OSI.
Эталонная семиуровневая модель (рисунок) включает:
уровень сетевых аппаратных средств – физический уровень;
уровень сетевого программного обеспечения – канальный, сетевой, транспортный, сеансовый уровни и уровень управления представлением;
уровень пользователей и прикладных программ – прикладной уровень.
Физический уровень реализует физическое управление и относится к физической цепи, например телефонной, по которой передается информация. На этом уровне модель OSI определяет физические, электрические, функциональные и процедурные характеристики цепей связи, а также требования к сетевым адаптерам и модемам.
Рисунок – Эталонная семиуровневая модель
На канальном уровне осуществляется управление звеном сети (каналом) и реализуется пересылка блоков (совокупности битов) информации по физическому звену. Осуществляются такие процедуры управления, как определение начала и конца блока, обнаружение ошибок передачи, адресация сообщений и др. Канальный уровень определяет правила совместного использования сетевых аппаратных средств компьютерами сети.
Сетевой уровень относится к виртуальной (воображаемой) цепи, которая не обязана существовать физически. С помощью интерфейса, обеспечиваемого этим уровнем, удается «спрятать» сложности управления передачей на физическом уровне. Программные средства данного уровня (маршрутизаторы) обеспечивают определение оптимального маршрута передачи пакетов в сети на основе анализа адресной информации. В качестве простейшего маршрутизирующего устройства между сегментами сети или различными локальными сетями может выступать и устройство, функционирующее на более низком канальном уровне модели OSI, называемое мостом.
Первые три уровня образуют общую сеть, в которой коллективно могут работать многие пользователи.
На транспортном уровне контролируется очередность пакетов сообщений и их принадлежность. Таким образом, в процессе обмена между компьютерами поддерживается виртуальная связь, аналогичная телефонной коммутации.
В некоторых случаях трудно организовать процесс взаимодействия между пользователями из-за обилия способов такого взаимодействия. Для устранения этих трудностей на сеансовом уровне координируются и стандартизируются процессы установления сеанса, управления передачей и приемом пакетов сообщений, завершения сеанса. На сеансовом уровне между компьютерами устанавливается и завершается виртуальная связь по такому же принципу, как при голосовой телефонной связи.
Программные средства уровня управления представлением выполняют преобразования данных из внутреннего формата передающего компьютера во внутренний формат компьютера-получателя, если эти форматы отличаются друг от друга. Данный уровень включает функции, относящиеся к используемому набору символов, кодированию данных и способам представления данных на экранах дисплеев или печати. Помимо конвертирования форматов на данном уровне осуществляется сжатие передаваемых данных и их распаковка.
Прикладной уровень относится к функциям, которые обеспечивают поддержку пользователю на более высоком прикладном и системном уровнях, например:
• организация доступа к общим сетевым ресурсам: информации, дисковой памяти, программным приложениям, внешним устройствам (принтерам, плоттерам и др.);
• общее управление сетью (управление конфигурацией, разграничение доступа к общим ресурсам сети, восстановление работоспособности после сбоев и отказов, управление производительностью);
• передача электронных сообщений, включая электронную почту;
• организация электронных конференций;
• диалоговые функции высокого уровня.
Модель OSI представляет собой стандартизированный каркас и общие рекомендации, требования же к конкретным компонентам сетевого программного обеспечения задаются протоколами.
Протокол является стандартом в области сетевого программного обеспечения и определяет совокупность функциональных и эксплуатационных требований к какому-либо его компоненту, которых придерживаются производители этого компонента. Требования протокола могут отличаться от требований эталонной модели OSI.
Протоколы сетевого взаимодействия можно классифицировать по степени близости к физической среде передачи данных. Это протоколы:
• нижнего уровня, распространяемые на канальный и физический уровни модели OSI;
• среднего уровня, распространяемые на сетевой, транспортный и сеансовый уровни OSI;
• верхнего уровня, распространяемые на уровень управления представлением и прикладной уровень модели OSI.
При каждой реализации протоколов вышестоящих уровней используются реализации протоколов нижестоящих уровней.
Протоколы нижнего уровня OSI соответствуют уровню сетевых аппаратных средств и нижнему уровню сетевого программного обеспечения. Они позволяют реализовывать протоколы среднего уровня независимо от сетевых аппаратных средств и обеспечивают совместное функционирование разнотипных протоколов среднего уровня.
По типу межкомпьютерного обмена протоколы среднего уровня можно классифицировать следующим образом:
• сеансовые протоколы (протоколы виртуального соединения);
• дейтаграммные протоколы.
Сеансовые протоколы определяют организацию передачи информации между компьютерами по так называемому виртуальному каналу в три этапа:
• установление виртуального канала (установка сеанса);
• реализация непосредственного обмена информацией;
• уничтожение виртуального канала (разъединение).
В сеансовых протоколах порядок следования пакетов при передаче соответствует их исходному порядку в сообщении, а передача осуществляется с подтверждением доставки, а в случае потери отправленных пакетов они передаются повторно.
При использовании дейтаграммных протоколов пакеты сообщений передаются так называемыми дейтаграммами независимо друг от друга, поэтому порядок доставки пакетов каждого сообщения может не соответствовать их исходному порядку в сообщении. При этом пакеты сообщений передаются без подтверждения.
Таким образом, с точки зрения достоверности, сеансовые протоколы являются более предпочтительными, зато скорость передачи при использовании дейтаграммных протоколов гораздо выше.
Наиболее часто используемыми наборами протоколов среднего уровня являются следующие:
• протокол NetBIOS, поддерживаемый большинством сетевых операционных систем и используемый только в локальных сетях;
• протоколы TCP/IP, являющиеся стандартом для глобальной сети Интернет, используемые в локальных сетях и поддерживаемые большинством сетевых операционных систем.
Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) соответствует сетевому, транспортному и сеансовому уровням эталонной модели. Реализация данного протокола обеспечивает прикладной интерфейс, используемый для создания сетевых программных приложений. Реализация протокола NetBIOS обеспечивает решение следующих задач: поддержка имен, поддержка сеансового и дейтаграммного взаимодействия, получение информации о состоянии сети.
Достоинства протокола NetBIOS: удобная адресация, высокая производительность, самонастройка и хорошая защита от ошибок, экономное использование оперативной памяти.
Недостатки NetBIOS связаны с отношением к глобальным сетям: отсутствие поддержки функций маршрутизации и низкая производительность.
Семейство протоколов TCP/IP было разработано для объединения различных компьютерных сетей в одну глобальную сеть, получившую название Интернет.
Семейство протоколов TCP/IP включает протоколы, относящиеся как к средним, так и к другим уровням модели OSI:
• прикладной уровень и уровень управления представлением – протокол передачи файлов (FTP), протоколы электронной почты (SMTP, РОРЗ, IMAP4), протоколы удаленного доступа (SLIP, PPP, Telnet), протокол сетевой файловой системы (NPS), протокол управления сетями (SNMP), протокол передачи гипертекста (НТРР) и др.;
• сеансовый и транспортные уровни – протоколы TCP и UDP;
• сетевой уровень – протоколы IP, ICMP, IGMP;
• канальный уровень – протоколы ARP, RARP.
Дейтаграммный протокол IP (Internet Protocol) является основным для сетевого уровня и обеспечивает маршрутизацию передаваемых пакетов сообщений.
Протокол TCP (Transmission Control Protocol) является протоколом сетевого уровня и обеспечивает надежную передачу данных между двумя компьютерами путем организации виртуального канала обмена и использования его для передачи больших массивов данных.
Протоколы верхнего уровня соответствуют уровню пользователей и прикладных программ. Наиболее распространенными являются следующие высокоуровневые протоколы:
• перенаправления запросов и обмена сообщениями (SMB, NCP);
• управления сетями (SNMP);
• сетевой файловой системы (NFS);
• вызова удаленных процедур (RPC);
• повышающие эффективность использования протоколов TCP/IP среднего уровня (DNS, DHSP);
• удаленного доступа к компьютерным ресурсам (SLIP, PPP, Telnet);
• передачи файлов (FTP);
• передачи гипертекста (HTTP);
• электронной почты (SMTP, POPS, IMAP4);
• организации электронных конференций и системы новостей (NNTP).