Семиуровневая эталонная модель взаимодействия уровней. Назначение уровней.
В 1984 году International Standards Organization (ISO) выпустила набор спецификаций, описывающих архитектуру сети с неоднородными устройствами, названную эталонной моделью открытых систем (Open System Interconnection reference model, OSI). Версия 1984 года стала международным стандартом. Эта модель - широко распространенный метод описания сетевых сред. Являясь многоуровневой системой, она отражает взаимодействие аппаратного и программного обеспечения при осуществлении сеанса связи, а также помогает решить разнообразные проблемы.
Многоуровневая архитектура
В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы.
На рис. 1 представлена многоуровневая архитектура модели OSI. На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней, вышележащего и нижележащего. Например, сеансовый уровень должен взаимодействовать только с представительским и транспортным уровнем и т. п. Все эти функции подробно описаны.
Рис. 1. Модель OSI
Нижние уровни - 1-й и 2-й - определяют физическую среду передачи данных и сопутствующие задачи (такие, как передача битов данных через плату сетевого адаптера и кабель). Самые верхние уровни определяют, каким способом осуществляется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.
Каждый уровень предоставляет несколько услуг (т. е. выполняет несколько операций), подготавливающих данные для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отличаются друг от друга границами - интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень использует услуги нижележащего уровня.
Взаимодействие уровней модели OSI
Задача каждого уровня - предоставление услуг вышележащему уровню, маскируя детали реализации этих услуг. При этом каждый уровень на одном компьютере работает так, будто он напрямую связан с таким же уровнем на другом компьютере. Эта логическая, или виртуальная, связь между одинаковыми уровнями показана на рис. 2. Однако в действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера - программное обеспечение, работающее на каждом уровне, реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов.
Рис. 2. Взаимодействие уровней модели OSI
Перед подачей в сеть данные разбиваются на части. Пакет (packet) - это единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется некоторая информация, форматирующая или адресная, которая необходима для успешной передачи данных по сети.
На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. Программное обеспечение на каждом уровне читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до прикладного уровня, вся адресная информация будет удалена и данные примут свой первоначальный вид.
Таким образом, за исключением самого нижнего уровня сетевой модели, никакой уровень не может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера. Информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по сетевому кабелю на компьютер-получатель и опять проходит сквозь все слои, пока не достигнет того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе. Например, если сетевой уровень передает информацию с компьютера А, она спускается через канальный и физический уровни в сетевой кабель, далее по нему попадает в компьютер Б, где поднимается через физический и канальный уровни и достигает сетевого уровня.
В клиент-серверной среде примером информации, переданной сетевым уровнем компьютера А сетевому уровню компьютера Б, мог бы служить адрес и, очевидно, информация контроля ошибок, добавленные к пакету.
Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интерфейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень предоставляет верхнему, и способ доступа к ним. Поэтому каждому уровню одного компьютера кажется, что он непосредственно взаимодействует с таким же уровнем другого компьютера.
Далее описывается каждый из семи уровней модели OSI и определяются услуги, которые они предоставляют смежным уровням.
Уровень сети – совокупность станций одинакового ранга, входящих в иерархическую сеть. Под станцией понимается входной, промежуточный или выходной пункт передачи сообщений по каналу.
Существуют следующие уровни сетей.
Первый уровень, физический , определяет некоторые физические характеристики канала. Сюда относятся типы кабелей, разъёмов, электрические характеристики сигнала. По типу характеристик сети делятся на аналоговые и цифровые. Единицей обмена является бит.
Второй уровень, канальный , управляет передачей данных между двумя узлами сети. Он обеспечивает контроль корректности передачи сблокированной информации посредством проверки контрольной суммы блока. Для повышения скорости обмена осуществляется сжатие данных. При получении сообщение разворачивается. Единицей обмена является пакет.
Третий уровень, сетевой , обеспечивает управление маршрутизацией пакетов. Он распространяется на соглашение о блокировании данных и их адресов. По одному каналу может передаваться информация с нескольких модемов для увеличения его загрузки. Используются сетевые протоколы IPX и SPX и др. (в локальных сетях), IP ( Internet Protocol – интернет протокол) и TCP ( Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) и др. – в сетях интернета. Единицей обмена является, также пакет.
Четвёртый уровень, транспортный , отвечает за стандартизацию обмена данных между портами разных ЭВМ сети. Используются протоколы TP 0. TP 1. Единицей обмена является сеансовое сообщение.
Пятый уровень, сеансовый , определяет правила диалога прикладных программ, рестарта, проверки прав доступа к сетевым ресурсам. Единицей обмена этого и следующих уровней является пользовательское сообщение.
Шестой уровень, представления , определяет форматы данных, алфавиты, коды, представления специальных и графических символов. Здесь же определяется стандарт на форму передаваемых документов. В банковской системе распространён стандарт Swift . Он определяет расположение и назначение полей документа.
Седьмой уровень, прикладной , управляет выполнением прикладной программы.
Каждый уровень решает свои задачи, и обеспечивает сервисом расположенный над ним уровень. Правила взаимодействия соседних уровней в одной системе называют интерфейсом.
В виду многоплатформенности сетевых ОС наблюдается тенденция стандартизации серверных платформ, обеспечивающих функции сетевых ОС. Наиболее популярными являются Server Windows NT фирмы Microsoft, NetWare фирмы Novell.
1. Физический уровень обеспечивает интерфейс между взаимодействующими ЭВМ и средой передачи дискретных сигналов: последовательность битов, включая выделение начала и конца кадра, несущего в себе передаваемые данные, и пропускную скорость физической среды (кабель, модемы и т.д.). Здесь по нужде бывают усилители, усиливающие и повторяющие сигналы ("repeaters"), при большом расстоянии между станциами.
2. Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-ым уровнем, т.н. кадры и их последовательность. Здесь тоже осуществляется управление доступом к передающей среде (логин и пароль), и здесь обнаруживаются и исправляются ошибки: если сумма битов в полученном кадре не равна числу, написанному в заголовке, то этот кадр надо передать еще раз. Протокол рекомендации X.25 называется HDLC (High-level Data Link Control). Здесь бывают мосты ("bridges"), которые соединяют в основном идентичные сети.
3. Сетевой уровень реализует дополнительно функции для того, чтобы кадры 2-ого уровня, здесь уже называемые "пакетами", могли передаваться через несколько каналов по одной или несколько сетям. Обычно это требует включения в пакет сетевых адресов отправителя и получателя, так называемая "маршрутизация" ("routing"). Она готовит данные на следующий уровень, а также разделяет физический канал на много логических каналов (до 4096), чтобы каждая пара пользователей, получая логический канал, работала так, как будто она имеет целый физический канал. Конечно, это резко повышает эффективность физического канала.
4. Транспортный уровень занимает центральное место в иерархии уровней сети. Здесь все объекты или точки на сети делятся на пользователей и исполнителей, ("clients" & "servers") чтобы освободить пользователей ("clients") от изучения всех функций коммутации и маршрутизации. На этом уровне пакеты собираются в "окна". Одно окно состоит обычно из 8 пакетов, и получатель должен послать отправителю сообщение о том, что данные пришли к нему и ошибок в них нет. Собирание 8 пакетов в окно уменьшает загрузку коммуникационной среды, так как подтверждение происходит реже. Если, например, вы сказали "да, я понял" после каждого моего предложения, это перегрузило бы наши собеседования. Здесь бывают маршрутизаторы ("routers"), которые соединяют различные сети, например Ethernet и Arcnet, или различные узлы по Интернету.
Мосты и маршрутизаторы тоже обеспечивают безопасность, надежность и повышение производительности. Безопасность – обычно сеть распространяет информацию по всей кабельной системе сети. Разделив большую сеть в несколько маленьких сетей, вы ограничиваете распространение информации. Надежность – если одна большая сеть выходит из строя из-за остановки сервера или поломки кабеля, то все рабочие станции не имеют доступа к серверу. Несколько маленьких сетей могут работать, даже если одна из них вышла из строя. Повышение производительности – когда поток данных по сети слишком увеличивается, сеть будет перегружена. Скажем, что 12 инженеров работают за компьютерами на одной сети, но сервер не может обеспечить их чертежами вовремя. Но разделив сеть на две сети по 6 рабочих станций, нагрузка, связанная с потоком данных, уменьшится вдвое.
5. Сеансовый уровень является обеспечением обмена блоками данных между объектами прикладного уровня, т. е. поддержание диалога между процессами определенного типа. Что такое диалог? Он состоит из 1) установления соединения, 2) передачи данных и 3) разъединения.
6. Представление данных: на этом уровне осуществляется интерпретация передаваемых данных ("я знаю что он сказал, но что он имел в виду?"), анализируются представление символов, формат страниц и графическое кодирование. При управлении экраном реализуются другие функции: чистка экрана, защита некоторых частей экрана от стирания и яркий шрифт для выделения особо важных полей. При управлении принтером, Ctrl-L обозначает обычно новую страницу.
7. Прикладной уровень реализует все функции, которые не могут быть приписаны нижним уровням. на этом уровне ISO в первую очередь рассматривает протоколы
FTAM (File Transfer) – передача и управление файлами
JTM (Job Transfer) – передача и обработка заданий
VTSP (Virtual Terminal) – виртуальный терминальный сервис.
Здесь бывают т.н. шлюзы ("gateways"), которые способны переводить все семь уровней протоколов из одного пакетного формата в другой или из одной системы кодирования в другую.