Многоуровневая сетевая иерархия 1 страница

Универсальный тезис о пользе стандартизации, справедливый для всех отраслей, в компьютерных сетях приобретает особое значение. Суть сети – это соединение разного оборудования, а значит, проблема совместимости является одной из наиболее острых. В сетях передачи данных идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетево-го взаимодействия.

Для передачи данных сеть использует комбинацию аппаратных и про-граммных средств. Аппаратные средства состоят из физического оборудования, которое преимущественно обеспечивает перенос сигналов от одного узла сети в другой. Так как сами по себе услуги, предоставляемые сетью, являются более сложными, по сравнению с простой передачей сигналов, то для реализации ло-гики работы сети необходимы программные средства.

Организация взаимодействия между устройствами в сети является слож-ной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универ-сальный прием – декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на не-сколько более простых задач-модулей. Например, задача отправки E-mail с од-ной точки в другую может быть поделена на несколько задач, каждая из кото-рых выполняется отдельным программным модулем или пакетом. Каждый та-кой программный модуль одного уровня использует результаты выполнения программы предыдущего уровня. Таким образом, при декомпозиции часто ис-пользуется многоуровневый подход.

Иерархия задач

Многоуровневый подход заключается в том, что все множество задач разбивают на уровни, которые образуют иерархию, то есть имеются вышеле-жащие и нижележащие уровни. Для выполнения своих задач каждый уровень обращается с запросами только непосредственно примыкающему нижележа-щему уровню. С другой стороны, результаты работы некоторого уровня, могут быть переданы только соседнему вышележащему уровню. Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уров-ня и интерфейсов между ними. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате достигает-ся относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены. Таким образом, средства сетевого взаимодействия также могут быть представлены в виде иерархически организованного множества уровней. При этом модули нижнего уровня могут, например, решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя соседними узлами.

Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 21 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 22

Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пре-делах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня. А на верхнем уровне работают модули, предоставляющие пользовате-лям доступ к различным службам – файловой, печати и т.п. Иерархически ор-ганизованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Следует различать понятия протокол и сервис (служба). Служба – это на-бор операций, которые более низкий уровень предоставляет более высокому, т.е. нижний уровень является поставщиком сервиса, а верхний – его потребите-лем. Протокол, в свою очередь, задается набором правил в рамках равноранго-вого (одноуровневого) процесса. Таким образом, службы связаны с межуровне-выми интерфейсами, а протоколы – равноранговыми процессами.

Рассмотрим многоуровневый подход на простом примере отправки поч-тового письма. Решение такой задачи иллюстрируется на рис. 2.3.

Отправитель ПолучательУровень 3

Интерфейс 2–3

Уровень 2

Интерфейс 1–2

Написать письмо,

поместить в конверт, Верхнийуровень бросить в почтовый ящик

Взять письмо из ящика, извлечь из конверта, прочесть письмо

Уровень 1

Рис. 2.1. Многоуровневый подход – создание иерархии задач

Перенести письмо из

почтового ящика в офис Среднийуровеньпочтовой службы

Перенести письмо из офиса почтовой службы в почтовый ящик

В процессе обмена сообщениями участвуют две стороны и необходимо организовать согласованную работу двух «иерархий» многоуровневого пред-ставления. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена (узла) должны принять соглашения для всех уровней. Уровень N одного узла поддер-живает связь с уровнем N другого узла. Формализованные правила и соглаше-ния, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обме-ниваются компоненты этого уровня, называются протоколом уровня N.

Соседние уровни, находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами. Эти правила принято называть интерфейсом который определяет набор сервисов, предос-тавляемый данным уровнем соседнему уровню (рис. 2.2).

Протокол 3А–3В

Интерфейс 2В–3В

Протокол 2А–2В

Интерфейс 1В–2В Протокол 1А–1В

Рис. 2.2. Модель взаимодействия двух узлов

Доставить письмо с по- Доставить письмо от мощью почтовой службы Нижнийуровень транспортной службы в

транспортной службе офис почтовой службы

Перевозка пакетов с письмами (самолет, поезд, авто)

Рис. 2.3. Многоуровневая модель отправки почтового письма

На стороне отправителя

На верхнем уровне иерархии задач отправитель пишет письмо, вкладывает его в конверт, пишет на нем адреса отправителя и получателя, бросает письмо в почтовый ящик. Средний уровень – почтальон забирает письмо из ящика и дос-тавляет его в ближайшее почтовое отделение. На нижнем уровне в почтовом отделении все письма сортируются и заданное письмо передается соответст-вующей транспортной службе для его перевозки.

На пути к получателю

Письмо доставляется в другой почтовый офис, наиболее близко располо-женный к получателю. В качестве средств доставки могут использоваться раз-личный транспорт (авиа, ж/д, судоходный, автодорожный или их комбинации). На пути к почтовому офису получателя письмо может проходить через другие почтовые пункты (в модели на рис. 2.1 не предусмотрено).

На стороне получателя

Нижний уровень – транспортная служба доставляет письмо в почтовый офис получателя. Средний уровень – письмо обрабатывается в почтовом отде-

Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 23 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 24

лении и на основе адреса почтальон доставляет его в почтовый ящик получате-ля. На верхнем уровне получатель забирает конверт из ящика, открывает его и читает письмо.

Весь процесс отправки и получения письма подчиняется строгой иерар-хии. Решение последующей задачи возможно лишь после решения предыду-щей. На передающей стороне чтобы письмо было отправлено (забрано поч-тальоном), необходимо его сначала написать, поместить в конверт и бросить в почтовый ящик. На приемной стороне для того, чтобы получить и прочесть письмо, необходимо его доставить до почтового ящика получателя.

Эталонная модель Интернет

В настоящее время принято считать, что сети Интернет соответствует пятиуров-невая модель, состоящая из следующих уровней (рис. 2.4): физический (Уровень 1), канальный (Уровень 2), сетевой (Уровень 3), транспортный (Уровень 4) и прикладной (Уровень 5). В модели Интернет использу-ются наиболее значимые элементы извест-ной семиуровневой модели OSI. Каждый уровень определяет семейство функций, от-

2.5. показаны уровни процессы передачи со- Рис.2.4.Уровнив модели Интернет общений от узла (Device) А к узлу В.

Станция Станция

Промежуточный Промежуточный узел узел

Равноранговый протокол 5-го уровня

Равноранговый протокол 4-го уровня

3-й 3-й 3-й

2-й 2-й 2-й

1-й 1-й 1-й

Физическое соединение

В пределах одного узла каждый уровень обращается к сервису нижележа-щего уровня и предоставляет сервис более высокому уровню. Между различны-ми узлами сети уровни одного ранга взаимодействуют друг с другом для обеспе-чения процесса передачи информации. Эта взаимосвязь определяется набором правил и соглашений, называемым протоколом. Процесс взаимодействия узлов в пределах заданного уровня называется равноранговым (peer-to-peer) процес-сом. Следовательно, передача сообщений между узлами является равноранговым процессом, использующим протоколы соответствующего уровня.

Равноранговые процессы

На физическом уровне взаимосвязь узлов непосредственная: узел А пере-сылает поток битов непосредственно узлу В. Однако на более высоких уровнях их взаимодействие осуществляется перемещением сообщения вниз по уровням на узле А, транспортировки по среде передачи и обратным перемещением вверх по уровням на узле В. Каждый уровень на передающем узле добавляет собственную (служебную) информацию к сообщению, которое он принимает от верхнего соседнего уровня и передает данные нижестоящему уровню.

На уровне 1 весь комплект данных, вместе со служебной информацией, преобразуется в форму, необходимую для транспортировки по среде передачи. На приемном узле данные распаковываются от уровня к уровню, принимая не-обходимые для соответствующего уровня данные и удаляя ненужные. Такая передача данных между уровнями осуществляется посредством интерфейсов между каждой парой смежных уровней. Каждый интерфейс определяет – какую информацию и сервис необходимо предоставить более высокому уровню. Тем самым обеспечивается независимость различных уровней, т.е. возможность мо-дификации одних уровней, не влияя на другие.

Организация уровней

Пять уровней модели Интернет можно разбить на три основные подгруп-пы. Первые три уровня (физический, канальный и сетевой) относятся к классу межсетевого уровня и обеспечивают перенос данных от одного сетевого узла к другому (электрические спецификации передачи, физические соединения, ад-ресация, синхронизация доставки и надежность). Пятый уровень (прикладной) можно трактовать как уровень поддержки пользователя, он обеспечивает взаи-модействие конкретных прикладных программ (процессов) в окружении дру-гих. Например, если передается непрерывный поток видеоинформации, то на приемной стороне он принимается пользователем с помощью определенных программных средств, среди множества других имеющихся. Четвертый уровень (транспортный) связывает две вышеупомянутых класса уровней и преобразует данные от нижних уровней в ту форму, которая необходима для пятого уровня, например, формирует исходное сообщение из отдельных сегментов.