Семиуровневая модель управления в сетях

НА ИХ ОСНОВЕ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

СЕМИУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ В СЕТЯХ

К основным требованиям, которым должна удовлетворять организация вычислитель­ных сетей:

• открытость, т. е. возможность подключения дополнительного оборудования и каналов связи без изменения технических и программных средств существующих ком­понентов;

• гибкость, т. е. сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя какого-либо оборудования, допустимость изменения типов аппарату­ры или каналов связи, а также возможность подключения к общей сети станций разно­го типа;

• эффективность, т. е. обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

Указанные требования реализуются за счет модульного принципа организации уп­равления процессами в сети. Для обеспечения гибкости, открытости и эффективности сети управление в сетях реализуется по многоуровневой схеме. За каждым уровнем зак­реплены программные и аппаратные модули, которые реализуют определенные функ­ции обработки и передачи данных.

Главные принципы разделения модулей на уровни перечислены ниже:

• Каждый уровень реализует определенные сетевые задачи обработки и передачи данных и обеспечивает определенный набор услуг для уровня, расположенного в структуре над ним. Совокупность правил взаимодействия объектов одноименных уровней называется протоколом.

• Уровень N взаимодействует только с уровнями N - 1 и N + 1.

• Функции соседних уровней не перекрываются и не совпадают.

• Многоуровневая организация управления процессами в сети приводит к необходимости модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно только к функциям, реализуемым на этом уровне. При передаче данных между уровнями каждый из уровней добавляет некоторую служебную информацию (заголовок и концевик для данных, которые поступили от верхнего уровня управления), адресованную другим одноименным уровням управления в сети и не рассматриваемую уровнями с другими названиями. На каждом этапе число передаваемых данных возрастает. И каждый более низкий уровень рассматривает всю информацию, поступившую от более высокого уровня, как данные. Чем больше создается уровней управления, тем гибче управление, но тем больше аппаратные затраты и время обработки. Гибкость организации и простота реализации достигаются за счет того, что обмен данными допускается только между объектами одного уровня.

• Большинство сетевых устройств имеют в своем составе реализацию от одного до N уровней управления.

• Границы между уровнями располагаются таким образом, чтобы взаимовлияние смежных уровней было минимальным и изменения внутри одного уровня не требовали перестройки других, т. е. работа уровня N не зависит от функционирования верхних и нижних уровней управления.

С появлением необходимости объединения разнотипных ЭВМ возникла острая по­требность в разработке некоторой идеологической концепции, которая позволила бы установить универсальные правила взаимодействия разнотипных машин. Таким обра­зом, для того чтобы машина смогла войти в сеть, ее аппаратное и программное обеспе­чение должно удовлетворять некоторому набору универсальных соглашений, точное выполнение которых гарантирует возможность взаимодействия различных машин.

По линии Международной организации по стандартизации ISO (International Standart Organization) принята в 1977 г. и рекомендована 7-уровневая модель OSI (Open System Interconnection).

Модули расположены по уровням 1-7. Первый нижний уровень взаимодействует с передающей средой, а седьмой верхний - отвечает за общение с пользователем. OSI содержит следующие уровни (рис. 5.1):

1. физический уровень;
2. канальный уровень;
3. сетевой уровень;
4. транспортный уровень
5. сеансовый уровень;
6. представительский уровень;
7. пользовательский (прикладной) уровень.

Физический уровень осуществляет управление физическим каналом связи (подклю­чение, поддержание и разрыв физического соединения), параметрами физического ка­нала связи и формированием электрических сигналов, представляющих передаваемые данные. Уровень контролирует передачу потока битов, в виде которого передаются дан­ные, через среду передачи. Обеспечивает восстановление канала при отказах электри­ческой цепи. Уровень определяет:

• параметры физической среды передачи;

• механизм кодирования битов;

• механизм передачи данных и способ синхронизации битов в канале;

• физическую топологию сети (шина, кольцо, звезда, сетка);

• тип соединения: точка с точкой (point to point) или многоточечное (multipoint);

• параметры аналоговых и цифровых сигналов (уровни напряжений, фронты сигналов,амплитуды сигналов, фазы, частоты);

• тип кабеля и способ передачи по нему (baseband - один канал в кабеле, broadband -несколько передающих каналов в одном кабеле);

• тип мультиплексирования в канале связи: частотное, временное,

статистическое временное;

• тип передачи (асинхронная или синхронная, дуплексная или полудуплексная).

Канальный уровень обеспечивает управление каналом связи и передачу данных по физическому уровню, формирует кадры данных, следит за порядком подключения стан­ций к сети.

Уровень определяет:

• логическую топологию сети;

• тип доступа (конкуренция, передача маркера, опрос и т. д.);

• передачу кадров по физическому пути;

• организацию битов в логические группы (или кадры - frames);

• синхронизацию передачи (указывает начало и конец кадра);

• синхронизацию кадра (определяет расположение и размер полей в кадре);

• обнаружение ошибок передачи кадров (потеря кадра, ошибка в заголовке, в контрольной сумме) и повторяет передачу кадра с ошибкой;

• разбивку длинного сообщения по кадрам, нумерацию кадров и контроль корректности обмена нумерованными кадрами;

• гарантирует, что ни один кадр не пропадет;

• адресует кадры к нужной машине, производит идентификацию (адресацию)

станций в рамках одной сети;

• максимизирует пропускную способность сети.

Сетевой уровень управляет передачей данных через сеть, осуществляет выбор мар­шрута передачи и его реализацию. Уровень обеспечивает установление, поддержание и разъединение логических (виртуальных) сетевых соединений между двумя пользовате­лями, не информируя их о том, по каким физическим линиям идет их обмен. Сетевой уровень в отличие от канального описывает методы передачи информации между неза­висимыми сетями через коммутаторы, адресацию сетевого уровня и алгоритмы маршру­тизации. Уровень обеспечивает:

• определение типа соединения (коммутация цепей - circuit switching, коммутация сообщений - message switching, коммутация пакетов - packet switching);

• адресацию в рамках нескольких объединенных сетей;

• управление маршрутизацией пакетов по логическим каналам между машинами, но без оптимизации нагрузок по маршрутам;

• разбиение сообщений на пакеты для уменьшения времени их доставки и уменьшения требований к буферам. Каждый пакет имеет адрес назначения и порядковый номер; существуют пакеты сданными и управляющие пакеты (запрос на соединение или разъединение, готовность приема, подтверждение соединения); в процессе передачи последовательность пакетов может быть нарушена, и уровень обеспечивает, что они будут доставлены пользователю в том порядке, в каком они были посланы;

• применение алгоритмов исследования маршрутов в сети;

• обход поврежденных узлов по альтернативным маршрутам (маршрутизацию);

• управление потоками сообщений с целью избежания заторов трафика и нехватки буферов для приема и сборки пакетов;

• восстановление при неполадках в виртуальной цепи.

Транспортный уровень обеспечивает оптимизацию использования ресурсов сети и передачи пакетов в сети, выбирая наиболее выгодные маршруты и учитывая все заявки и ресурсы, имеющиеся в системе. Уровень использует динамическую маршрутизацию, при этом различные пакеты одного сеанса могут следовать разными маршрутами для уменьшения заторов и выравнивания интенсивности трафика. При необходимости могут использоваться параллельные маршруты для передач одного и того же пакета.

Уровень гарантирует:

• отсутствие пропаданий (потерь) пакетов и дублирование при обработке

одинаковых пакетов;

• оптимизацию маршрута передачи;

• доставку сообщений в порядке их отправления, отправку извещения о

невозможности передачи или выполняет повторную передачу при

возникновении ошибок;

• контроль ошибок в средствах доступа к сети;

• предотвращение перегрузок ресурсов передач машинами, блокирующими других пользователей.

Все уровни 1-4 предоставляют транспортную услугу, т. е. обеспечивают передачу сообщений между станциями, не обрабатывая их.

Сеансовый уровень стандартизирует процессы установления, поддержки и заверше­ния сеанса обмена. В момент установления сеанса определяется правило ведения диа­лога и производится администрация сеанса. Таким образом, уровень занимается орга­низацией и синхронизацией диалога.

Диалог может быть следующих типов: однонаправленный (один передает, а другие толь­ко принимают), полудуплексный (устройство может передавать и принимать, но в текущий момент времени передача идет в одном направлении по одному каналу) и полнодуплекс­ный (одновременная передача в обоих направлениях по двум каналам связи).

Уровень выполняет:

• обмен информацией о протоколах диалога, который будет использован в работе;

• администрирование сеанса: проверку login-имени и паролей; установление связи с узлом, получение его согласия на сеанс; определение необходимого сервиса соединения; проверку наличия на узле необходимых для взаимодействия ресурсов; контроль и восстановление протокольных ошибок и ошибок выполнения функций; продол­жение сеанса без потерь в случае сбоя или его завершение; определение условий окончания сеанса.

Представительский уровень обеспечивает представление данных пользователя в унифицированной форме, понятной для сетевого программного обеспечения. Уровень может осуществлять следующие виды трансляций для обеспечения работы компьюте­ров разного типа в сети:

• битов (если компьютеры в сети имеют разное - 7- или 8-битовое представление данных);

• байтов (если компьютеры в сети имеют разный порядок выдачи байтов в канал связи: т. е. первым может выдаваться или старший, или младший бит, кроме того, на стороне абонента могут по разным правилам определяться младший и старший значащие биты в слове);

• символов (если компьютеры в сети имеют разное представление символов, отличное от ASCII);

• файлов (если компьютеры в сети работают с разными локальными ОС, в которых различаются форматы представления файлов MS DOS-UNIX).

Основные задачи уровня:

• пользовательские данные делятся на группы сообщений, по отношению к которым будут применяться те или иные методы восстановления;

• пользовательские данные редактируются, перекодируются, шифруются, уплотняются и реорганизовываются в сеансовые сообщения;

• определяются форматы представления данных, используемых для связи пользовательского и сетевого ПО;

• выполняет контроль и восстановление при ошибках в прикладном ПО.

Прикладной уровень (уровень пользователя) обеспечивает доступ ПО пользователя к сетевому ПО. Поддержка команд пользователя или прикладных программ в «сетевой ар­хитектуре». Уровень обеспечивает поддержку различных служб сервиса в сети:

• File service (обмен, хранение, создание резервных копий файлов);

• Print service (доступ к одному ресурсу от многих пользователей, управление очередями; разделение ресурсов и назначение приоритетов доступа к ним);

• Message service (электронные средства общения, контроль совместной работы в рабочих группах);

• Directory service (позволяет сетевым приложениям общаться с другими приложениями,не «задумываясь», где они находятся, на каком устройстве, и о маршрутизации к этому устройству);

• Application service (координируют деятельность ПО, запуская ее на соответствующем
оборудовании, управляют специализированными серверами, повышают вычислительную мощность сети);

• Database service (управление базами данных, распределение БД, защита информации, координация территориально распределенных БД, управление способом досту­па и временем доступа для клиентов, репликация содержимого БД).

Организация сетей также базируется на принципах многоуровневого управления. Со­здан специальный стандарт IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ориентированный на локальные сети, отличие заключается в том, что канальный уро­вень OSI разбивается на два подуровня:

• управление доступом к среде (Medium Access Controls, MAC) обеспечивает доступ станции к среде передачи, не мешая при этом другим станциям и учитывая особенности физического канала.

• управление логической связью (Logical Link Control, LLC) обеспечивает надежность передачи данных по сети, определяет порядок и способы проверок достоверности информации.

В узловых сетях каналы соединяют два узла, причем каналы не имеют на своем про­тяжении контактов с иными узлами. Так выглядят соединения «точка-точка». К узлу мо­гут быть подключены несколько каналов. Узлы могут соединять и системы с разнородны­ми протоколами. Типы узлов поясняет рис. 5.2.

Шлюз предназначен для соединения сетей, созданных по разным стандартам. Переда­ча информации из одной сети в другую выполняется при помощи прикладных программ.

Маршрутизатор удобен, когда уровни 7, б, 5 и 4 ЭМВОС одинаковые, для этих уров­ней маршрутизатор «прозрачен» благодаря тому, что на нижних трех уровнях происходит преобразование протоколов. Если к тому же и нижние уровни одинаковые, то маршрути­затор является узлом коммутации пакетов, выполняемой в соответствии с адресами на­значения, записанными в заголовках пакетов.

Мост служит для соединения каналов различного типа, например моноканала с цик­лическим кольцом. При передаче через мосты преобразуется структура адресов пакетов и,возможно,размеры кадров,для этого мост содержит память и хотя бы простейший процессор.

Коммутатор не имеет буферных памятей, физический процесс соединения реали­зуется электронной схемой.

Семиуровневая модель позволила улучшить понимание этапов подготовки пакетов, внутри которых передаются данные пользователя, а это позволило фирмам создать аппа­ратуру, обеспечивающую разные уровни системы и стыковку изделий разных фирм. Не­редко в одном изделии объединены функции нескольких уровней. Наибольшую пользу модель принесла в области телекоммуникаций. Новейшие стандарты на вычислитель­ные системы создаются так, чтобы один базовый стандарт охватывал возможно боль­шее число уровней для достижения максимальной экономичности изделий и скомпоно­ванных из них систем.