Уровни модели ВОС и их основные свойства
| Номер уров-ня | Уровень модели ВОС | Основное назначение | Вид данных для передачи | Функции | Протоколы, интерфейсы |
| 7 | Прикладной | Сетевой сервис с разделением ресурсов | Сообщение | Предоставление сетевого сервиса | SNMP, CMIP |
| 6 | Представления | Форматирование и трансляция данных | Пакет | Трансляция данных и файлов. Форматирование данных. Шифрование данных. Сжатие данных | FTP |
| 5 | Сеансовый | Управление взаимодействием узлов сети и организация логических каналов | Пакет | Управление взаимодействием узлов. Организация логических каналов. Взаимодействие узлов. Контроль ошибок. Обработка транзакций. Поддержка вызовов удаленных процедур | – |
| 4 | Транспортный | Гарантированная доставка сообщений | Сегмент, дейтаграмма, кадр, пакет | Надежность передачи. Гарантированная доставка сообщений. Мультиплексирование | TCP, UDP |
| 3 | Сетевой | Маршрутизация сообщений между узлами сети | Дейтаграмма | Маршрутизация сообщений. Создание и ведение таблиц маршрутизации. Фрагментация и сборка данных. Не ориентированная на соединение доставка | IP, ATM, AAL, ISDN, X25 |
| 2 | Канальный | Формирование и передача кадров-сообщений | Кадр, пакет | Доставка сообщений по физическому адресу сетевого узла. Синхронизация кадров. Доступ к среде передачи | ATM, Frame Relay, FDDI, X25, PPP |
| 1 | Физический | Передача битов информации | Биты | Синхронизация битов. Сигнализация. Спецификации среды передачи | E0, E1, STM-N (N = 1, 4, 16 …) |
Когда сообщение поступает на сетевой узел, оно принимается на физическом уровне и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Сообщение каждого уровня анализируется и обрабатывается. Заголовок сообщения своего уровня выполняет соответствующие данному уровню функции, а затем удаляется и сообщение передается вышележащему уровню.
|
|
|
Физический уровень.На физическом уровне биты информации или данных передаются по физическим каналам связи, таким, как коаксиальный кабель, витая пара, оптический кабель, радиоканал или цифровой канал связи. Этот уровень определяет характеристики физических сред передачи (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление, потери и т.п.). На физическом уровне задаются характеристики сигналов электросвязи – электрических и оптических, например: уровни сигналов, тип кодирования, скорость передачи и др., и стандартизуются физические интерфейсы – типы разъемов и назначение каждого контакта.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключаемых к сети (в сетевых адаптерах, портах пользовательских интерфейсов, повторителях). Применительно к технологии АТМ физический уровень разделяют на два подуровня: согласования с системой передачи и физической среды. Подуровень согласования с системой передачи упаковывает ячейки АТМ, поступающие с верхнего уровня, в передаваемые транспортные кадры, например модули СЦИ/SDH. Если ячейки передаются напрямую по физической линии, то такая упаковка не требуется. На этом же уровне подсчитывается контрольная сумма и делаются другие операции. На подуровне физической среды задаются скорость передачи и синхронизация передающего и приемного узлов.
|
|
|
Канальный уровень.Обеспечивает передачу сообщений в виде блоков данных – кадров через физический канал. Канальный уровень физически адресует передаваемые сообщения, обеспечивая правильность использования физического канала; выявляет неисправности и ошибки передачи, синхронизации кадров и управления потоками сообщений.
Функции протоколов канального уровня зависят от предназначения протокола для ЛВС или транспортных магистральных сетей. Протоколы канального уровня в ЛВС ориентированы на использование разделяемой между компьютерами среды передачи данных с определенной топологией (общая шина, кольцо и звезда). Процедуры управления потоком кадров становятся излишними в ЛВС, так как узлы сети не отправляют новый кадр до полного приема предыдущего. Протоколы канального уровня ЛВС используют дейтаграммный метод доставки сообщений, который применяется в сети с хорошим качеством каналов связи. Протоколами канального уровня для ЛВС являются такие, как Ethernet, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, FDDI, Token Ring.
|
|
|
В транспортных магистральных сетях, для которых характерна сложная и нерегулярная топология, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними узлами, соединенными выделенными каналами или отдельными линиями связи. Это относится к протоколам типа точка-точка, например PPP, SLIP, LAP-B и LAP-D, которые не используют подуровень доступа к среде, но требуют процедур управления потоком кадров, так как промежуточные коммутаторы могут переполняться при слишком высокой интенсивности трафика. В магистральных каналах с высокой степенью помех используются протоколы передачи данных с предварительным установлением соединения и повторной передачей кадров для устранения ошибок при передаче и потере данных.
В технологии АТМ соединение реализуется с помощью механизма виртуальных каналов и виртуальных трактов. При этом один виртуальный тракт может содержать несколько виртуальных каналов и при необходимости передавать трафик от различных пользователей.
|
|
|
Для качественной транспортировки сообщений в сетях произвольной топологии и разной сложности функций канального уровня недостаточно. Эта задача возлагается на два уровня – сетевой и транспортный.
Сетевой уровень.Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи сообщений между узлами. Его услугами пользуются более высокие уровни, а в качестве средства выполнения функций используется канальный уровень. Канальный уровень не обеспечивает адресацию в сложных сетях, отличных от базовых топологий ЛВС. Поэтому в кадры канального уровня добавляется заголовок сетевого уровня, который позволяет находить узлы сети и пользователя с произвольной топологией.
Логическое соединение на сетевом уровне обеспечивает механизм доставки пакетов от отправителя к получателю в масштабе времени, определяемом сетевым протоколом. Сетевой уровень обеспечивает соединение двух узлов или систем, подключенных к разным сетям, и выбор маршрута соединения. Он позволяет образовать единую транспортную систему, объединяющую несколько сетей, имеющих различные принципы передачи данных и сетевые технологии. Сетевой уровень предоставляет средства доставки пакетов в сетях с произвольной топологией, структуризацию сети методом локализации разнородного трафика, согласование канальных уровней.
Локальные сети соединяются между собой маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основе пересылает пакеты сообщений сетевого уровня в сеть назначения. Для передачи сообщение должно пройти некоторый маршрут, каждый раз разный в зависимости от реальной
загрузки всей сети. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, соединяющих различные сети, через которые проходит пакет сообщения от одного пользователя к другому.
Выбор маршрута в сети называют маршрутизацией. Критерием выбора часто является время передачи сообщения по маршруту и зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика в данный момент.
Подмаршрутизацией в сетях связи понимается процесс определения (выбора) пути следования информации от источника к адресату. Основной целью маршрутизации является обеспечение наилучшего пути следования информации с точки зрения ее минимально возможной задержки и максимальной пропускной способности сети. Кроме того, должна обеспечиваться достаточная защита и надежность передачи информации.
Маршрутизация является одной из основных функций сетевого уровня и в общем случае сводится к выбору узлом коммутации пути дальнейшей передачи поступившей на его вход информации. При всей простоте постановки задачи выбор оптимального маршрута является достаточно сложной задачей, не имеющей однозначного решения для сетей с различной топологией, величиной и характером потока данных. Сложность решения этой задачи обусловлена рядом причин. Во-первых, маршрутизация, как правило, требует координации работы всех узлов сети связи. Во-вторых, система маршрутизации должна справляться с выходом из строя отдельных узлов и линий связи. В-третьих, система должна учитывать перегрузку отдельных областей сети и изменять маршруты следования сообщений.
Следует заметить, что основные принципы маршрутизации являются общими для различных видов коммутации, при этом наибольшим разнообразием способов маршрутизации (рис. 6.10) характеризуются сети коммутации пакетов, относительно которых и будем рассматривать данный вопрос.
Принято различать централизованные и децентрализованные (распределенные) способы маршрутизации. В случае централизованного способа маршрутизация осуществляется одним центром управления (менеджером сети), который определяет направление движения пакетов через сеть передачи данных. Узлы коммутации данной сети принимают минимальное участие в маршрутизации и обладают относительно простой структурой. В свою очередь, при увеличении числа узлов возрастает сложность организации централизованного управления сетью передачи данных. Существенным недостатком централизованного управления является прямая зависимость надежности сети от надежности ее менеджера, которая с увеличением сложности последнего имеет тенденцию к снижению.
Рис. 6.10. Основные способы маршрутизации в сетях связи
Кроме того, менеджер сети должен иметь оперативную информацию о состоянии сети, так как выход из строя узла или его перегрузка может привести к потере работоспособности всей сети. Прираспределенном управлении каждый узел самостоятельно, на основе хранящейся в нем управляющей информации, определяет направление передачи пакетов. Это приводит к увеличению сложности узлов коммутации. Однако система обладает более высокой живучестью, так как выход из строя какого-либо узла коммутации не влечет за собой потерю работоспособности всей сети.
Различают простую и табличную маршрутизации. Простая маршрутизация реализуется без учета топологии и загрузки сети передачи данных и, как правило, отличается низкой эффективностью. При табличной маршрутизации в каждом узле коммутации формируется специальная таблица маршрутов, указывающая, по какому пути может передаваться пакет с заданным адресом, чтобы он в кратчайший срок достиг получателя.
К простой маршрутизации относятся случайная и лавинная маршрутизации. Случайная маршрутизация представляет собой метод, при котором пакет передается из узла в любом случайно выбранном направлении, кроме направления, по которому он поступил в данный узел. Существует конечная вероятность того, что пакет через определенный момент времени достигнет адресата. Метод характеризуется значительным временем доставки пакетов и неэффективным использованием пропускной способности сети. Тем не менее различные модификации случайной маршрутизации находят применение в сетях с низкой интенсивностью потоков в случае необходимости обеспечения устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее компонентов. Можно предложить ряд мер, увеличивающих эффективность данного метода маршрутизации, например, при повторном прохождении пакета через узел изменять направление его дальнейшей передачи и т. п.
В основелавинной маршрутизации лежит эффект размножения пакетов, при котором узел, получив пакет, генерирует дополнительные идентичные с ним пакеты и передает их во всех направлениях, кроме того, по которому поступил пакет. Таким способом копии пакета единообразно распространяются по сети. Достоинством метода является то, что он обеспечивает минимальную задержку распространения пакетов, поскольку используются все пути через сеть, в том числе и кратчайший, по которому и придет первый пакет. В то же время при большом числе связей между узлами сильно проявляется эффект размножения, что сказывается на пропускной способности сети. Влияние эффекта размножения пакетов можно уменьшить за счет добавления определенных средств учета прохождения пакетов через узлы коммутации. Например, каждый узел может распознавать повторное попадание в него копии полученного ранее пакета и удалять ее. Так копии пакетов постепенно исчезают из сети.
Дальнейшим развитием способа простой маршрутизации следует считать маршрутизациюпо предыдущему опыту, при которой обеспечивается коррекция первоначально случайно выбранных маршрутов. С этой целью пакеты дополнительно снабжаются счетчиком пройденных узлов, на основании которого формируется адрес следующего узла на пути следования пакета к получателю. Таким образом, на начальном этапе маршрутизации путь следования пакетов может определяться случайным образом или способом лавинного заполнения пакетов, а затем по мере прохождения следующих пакетов путь их следования корректируется. После прохождения первого пакета по какому-то маршруту в каждом узле коммутации сохраняется информация об адресе отправителя, получателя предыдущего узла и числе пройденных узлов. При поступлении пакета с теми же значениями адресов отправителя и получателя, но с меньшим значением счетчика пройденных узлов осуществляется корректировка маршрута в узлах коммутации.
Табличные методы маршрутизации в зависимости от момента формирования таблиц маршрутов подразделяют на статические и динамические. Пристатической маршрутизации таблицы маршрутов формируются при генерации сети и в последующем, как правило, не изменяются. И только при изменении конфигурации сети, например при выходе некоторого узла из строя, осуществляется корректировка соответствующих маршрутов.
К статическим способам маршрутизации относятся фиксированная и маршрутизация способом кратчайшей очереди. При фиксированной маршрутизации для любой пары абонентских систем устанавливаются одиночный или групповой канал передачи данных. В первом случае говорят об однопутевой маршрутизации, так как существует только один маршрут следования пакетов от отправителя к получателю. Это наиболее простой способ маршрутизации, однако он не учитывает возможные аварийные ситуации и реальную загрузку отдельных каналов, что может привести к перегрузке отдельных участков сети при общей недогрузке ее в целом. В целях выравнивания нагрузки на основных (магистральных) каналах передачи данных используют многопутевую маршрутизацию, при которой между смежными узлами коммутации создается группа виртуальных каналов, каждый из которых может назначаться тому или иному пути следования пакетов.
Маршрутизация способом кратчайшей очереди предусматривает наличие для каждого узла коммутации таблицы маршрутов с указанием нескольких вариантов направления движения пакетов, при этом выбор конкретного пути движения осуществляется случайным образом. Поскольку данный способ характеризуется относительно малой эффективностью, то в таком варианте он используется относительно редко. В целях повышения эффективности данного способа маршрутизации определенным образом устанавливают приоритеты направлений передачи данных. Затем при выборе канала передачи узел коммутации просматривает в порядке уменьшения приоритета перечень допустимых путей передачи и выбирает первый свободный канал, что обеспечивает оптимальный путь движения пакета с минимальной задержкой его в промежуточных узлах. Благодаря относительной простоте и достаточной эффективности рассматриваемый способ часто используется в сетях коммутации пакетов, в частности в сетях с низкой надежностью коммутационных систем.
Наиболее эффективными, но и, пожалуй, самыми сложными являются способы динамической (адаптивной) маршрутизации, при которой содержимое таблиц маршрутов изменяется в зависимости от состояния и загрузки каналов передачи данных и узлов коммутации. Для адаптации к изменению нагрузки каждый узел коммутации должен обладать определенной информацией о состоянии сети передачи данных и в первую очередь о ее топологии, интенсивности потоков данных и задержках (очередях) в узлах коммутации. Эта информация отслеживается (собирается) с помощью специальных управляющих пакетов, которыми обмениваются узлы
коммутации. Качество маршрутизации во многом зависит от оперативности обновления управляющей информации. В общем случае оптимальная маршрутизация достигается при наличии информации о мгновенном состоянии сети и ее загрузке. Однако это, как правило, приводит к значительному увеличению потока управляющих пакетов в сети передачи данных и в конечном счете к снижению ее эффективности.
Как уже отмечалось, адаптивная маршрутизация представляет собой достаточно сложный процесс, включающий:
· формирование маршрутов, осуществляемое с помощью алгоритмов маршрутизации путем составления в каждом узле коммутации таблиц маршрутов пакетов;
· реализацию маршрутов, представляющую собой процесс управления пакетами при движении их по подсети связи до требуемого места назначения, осуществляемую с помощью специальных протоколов сетевого уровня;
· контроль состояния сети, в том числе анализ топологии сети, структуры потоков и задержек в узлах коммутации;
· передачу информации о состоянии сети, используемую для корректировки таблиц маршрутов;
· корректировку маршрутов.
В зависимости от выбранной стратегии корректировки маршрутов различают: централизованную, локальную, распределенную и гибридную маршрутизации.
В случаецентрализованной адаптивной маршрутизации каждый узел сети подготавливает и в определенный момент передает менеджеру сети информацию о своей загрузке. На основании этой информации менеджер составляет глобальную картину состояния сети, используемую для определения наилучших маршрутов следования пакетов. В качестве основного критерия оптимальности маршрута выступает время задержки передачи пакетов. После вычисления оптимальных путей менеджер длякаждого узла коммутации формирует таблицы маршрутов, которые затем рассылаются по соответствующим узлам сети передачи данных.
В зависимости от способа сбора информации о состоянии сети и рассылки управляющих директив процесс маршрутизации может быть синхронным или асинхронным. В первом случае сбор информации и посылка управляющих директив осуществляются через регулярные интервалы времени. Во втором случае эти процедуры осуществляются только при существенных изменениях сети передачи данных. Как правило, при синхронном режиме осуществляется более интенсивный режим обмена служебной информацией, а при асинхронном режиме необходим постоянный контроль изменений состояния сети. В любом случае на менеджере сети лежит
основная нагрузка по формированию маршрутов, которая резко возрастает с увеличением числа узлов сети передачи данных. Общим недостатком централизованных методов маршрутизации является потеря управления сетью при выходе из строя менеджера сети, вероятность выхода из строя которого возрастает с увеличением нагрузки на него. Кроме того, задержки, вызванные обменом и обработкой большого объема управляющей информации, приводят к снижению эффективности управления сетью, особенно при быстром изменении потоков данных.
Этих недостатков лишены методы распределенного управления маршрутизацией, которые и нашли наиболее широкое применение в современных глобальных компьютерных сетях.
Прираспределенной адаптивной маршрутизации каждый узел коммутации сам формирует свою таблицу маршрутов, используя для этого информацию, получаемую от всех узлов, находящихся на возможных путях к получателю. Узлы обмениваются информацией о своем состоянии, временных задержках и очередях пакетов. При выборе маршрутов дополнительно учитывается время, которое потребовалось для получения положительных подтверждений на предыдущие пакеты. Таким образом, любое существенное отклонение от исходного состояния сразу же передается смежным узлам для коррекции их таблиц маршрутов.
Одним из простейших вариантов распределенной маршрутизации являетсялокальная адаптивная маршрутизация, при которой узел коммутации практически сам выбирает маршруты передачи пакетов, не получая информации от других узлов. Таблицы маршрутов загружаются заранее централизованным способом. В дальнейшем маршрут выбирается на основе сведений о длине выходных очередей и топологии сети передачи данных. Пакет направляется по кратчайшему пути с минимальной длиной выходной очереди.
В целом локальная адаптивная маршрутизация обеспечивает высокую гибкость работы сети передачи данных, быстрый и эффективный метод решения проблемы обхода неисправных или перегруженных узлов. В то же время она характеризуется сложностью программы формирования и обработки таблицы маршрутов, вероятностью «автоколебания» и потери пакета при движении его во время изменений таблиц маршрутов.
Наиболее эффективным методом маршрутизации следует считать гибридную маршрутизацию, соединяющую положительные черты локальной и централизованной маршрутизации. Примером является «дельта-маршрутизация», при которой менеджер с определенным запаздыванием следит за глобальной ситуацией в сети, в то время как всем остальным узлам предоставлена определенная свобода действия для того, чтобы они могли быстро и независимо реагировать на локальные колебания нагрузки сети и изменения состояний ее отдельных компонентов.
Одной из основных задач большинства способов маршрутизации является нахождение кратчайшего пути между отправителем и получателем информации. В качестве критерия длины пути может выступать время или стоимость передачи информации. К наиболее распространенным алгоритмам выбора кратчайшего пути относятся алгоритмы Дейкстры и Форда-Фалкерсона. Результаты работы данных алгоритмов в равной степени могут использоваться для формирования таблиц маршрутов какдля централизованного, так и для распределенного алгоритмов маршрутизации.
Алгоритмы Дейкстры и Форда-Фалкерсона послужили основой для создания множества современных алгоритмов маршрутизации.
На сетевом уровне действуют два вида протоколов. Один определяет правила передачи пакетов от конечных узлов сети к маршрутизаторам и между маршрутизаторами. Другие, называемые протоколами обмена информацией о маршрутах, собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Примером является протокол межсетевого взаимодействия IP стека протоколов TCP/IP.
В технологии АТМ сетевому уровню модели ВОС соответствует уровень адаптации АТМ – ААL (ATM Adaptation Layer), который состоит из двух частей: подуровня конвергенции CS (Convergence Sub layer) и подуровня сегментации и сборки SAR (Segmentation and Reassemble Sub layer). Основной функцией первого является «нарезка» блоков пользовательских данных, поступающих с более высоких уровней, на 48-байтные информационные поля ячеек АТМ (на передающей) и выделение информации из поступающих ячеек (на принимающей стороне). Подуровень конвергенции выполняет функции обеспечения транспортировки данных.
Физический, канальный и сетевой уровни эталонной модели ВОС/OSI являются обязательными практически для всех сетевых технологий. Они формируют информационные потоки сообщений, обеспечивают коммутацию и маршрутизацию, т.е. доставку сообщений пользователям.
Транспортный уровень.Обеспечивает высшим уровням модели ВОС – прикладному и сеансовому – передачу сообщений с гарантированными качеством и надежностью. Модель ВОС определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем, которые отличаются качеством услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования через общий транспортный протокол, а главное – способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких, как искажение, потеря и дублирование пакетов.
Транспортный уровень предназначен для оптимизации передачи сообщений между пользователями в сети, управления потоком данных и реализации запрошенного сеансовым уровнем качества обслуживания. На этом уровне определяется размер пакета на основе объема отправляемых данных и максимального размера пакета для данной сетевой технологии. Если объем данных в сообщении превышает максимально допустимый размер пакета для сети, то транспортный уровень его разделяет на фрагменты подходящего размера и доставляет в определенном порядке. Транспортный уровень обеспечивает передачу сообщений с той степенью надежности, которая требуется. Все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети – компонентами их операционных систем (например, TCP и UDP стека протоколов TCP/IP).
Сеансовый уровень.Обеспечивает управление взаимодействием – диалогом между двумя узлами сети, точнее управляет устройствами пользователей, подключенными к этим узлам сети. На нем устанавливаются правила начала и завершения взаимодействия и поддерживаются функции восстановления после обнаружения ошибок и получения информации о них от верхних уровней.
На сеансовом уровне определяется, какая из сторон является активной в данный момент, а также предоставляются средства синхронизации. Последние позволяют организовывать контрольные точки в длинных передачах, чтобы при отказе можно было вернуться назад к последней контрольной точке, не начиная всю передачу данных сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
Уровень представления. Обеспечивает форму представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержание. Он преобразует данные между устройствами с различными форматами. На этом уровне могут выполняться шифровка и дешифровка данных. В режиме передачи он передает информацию от прикладного уровня сеансовому после того, как он сам выполнит модификацию или конвертирование данных из одного формата в другой. В режиме приема этот уровень передает информацию вверх от сеансового уровня к прикладному и гарантирует, что информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, будет понятна прикладному уровню другой. Примером протокола уровня представления является SSL (Secure Socket Layer), который обеспечивает защищенный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня TCP/IP.
Прикладной уровень.Это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам (файлам, принтерам Web-страницам, электронной почте и др.), а также организуют их совместную работу в сети. На прикладном уровне единицу данных обычно называют сообщением.
Он служит пользовательским интерфейсом с сетью и непосредственно взаимодействует с пользовательскими прикладными программами, предоставляя им доступ в сеть. Все другие уровни служат для поддержки прикладного. На этом уровне определяется наличие ресурсов.
Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – зависят от структуры и аппаратной реализации сети. Соответствующие этим уровням протоколы тесно связаны с технической реализацией сети и с используемым сетевым телекоммуникационным оборудованием.
Три верхних уровня – сеансовый, уровень представления и прикладной – ориентированы на приложения и мало зависят от особенностей построения сети. Транспортный уровень – промежуточный. Он скрывает от верхних уровней детали функционирования нижних, что позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от аппаратных средств передачи сообщений.
Протоколы физического уровня.Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений на данном уровне эталонной модели ВОС, называют протоколами обмена сообщениями. Соответствующим образом иерархически организованную совокупность протоколов называют стеком коммуникационных протоколов. Протоколы соседних уровней модели ВОС на одном узле взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами, определяющими формат сообщений, которые принято называть интерфейсами. Интерфейс определяет набор и формат услуг, которые может предоставлять нижележащий уровень вышележащему. В эталонной модели ВОС различают два основных вида протоколов: с установлением соединения и без предварительного установления соединения.
В соответствии с архитектурой открытых систем физический уровень должен предоставлять канальному следующие услуги:
· реализовывать физическое соединение между двумя или большим числом компонентов канального уровня для передачи данных;
· передавать по соединению некоторые определенные для физического уровня единицы данных, например, биты при последовательной передаче или байты при параллельной;
· предоставлять канальному уровню оконечные точки доступа к соединению физического уровня, через которые передаются единицы данных физического уровня;
· идентифицировать цепи (пути) передачи данных между компонентами физического уровня;
· обеспечивать требуемые параметры качества обслуживания.
Первые интерфейсы физического уровня разрабатывались еще в
60-х гг. и не в полной мере выполняют требования, предъявляемые к
физическому уровню модели ВОС. Примером таких интерфейсов являются стыки между терминалом и модемом V.24 ITU-T, которые определяют порядок передачи данных через выделенный телефонный (аналоговый) канал. Эти процедуры были расширены стандартом X.21bis на подключение абонентов через телефонный канал к цифровым сетям коммутации, который позволяет устанавливать соединение через коммутируемые каналы для доступа к цифровым сетям. Порядок передачи данных через цифровые каналы определяется стандартом X.21, который шире используется в вычислительных сетях и рассматривается в качестве интерфейса, определяющего порядок сопряжения абонента с цифровым каналом передачи данных.
Протоколы канального уровня.Должны обеспечивать взаимосвязь между сетевым и физическим уровнями, предоставляя сетевому более широкий набор услуг по сравнению с физическим. В рамках архитектуры ВОС на канальный уровень возлагаются следующие функции:
· инициализация – обмен между взаимодействующими станциями служебными сообщениями, подтверждающими готовность к передаче данных;
· идентификация – обмен между взаимодействующими станциями служебной информацией, подтверждающей правильность соединения;
· синхронизация – выделение в последовательности передаваемых битов границ знаков;
· сегментация – формирование кадров для их передачи по каналу;
· обеспечение прозрачности – предоставление расположенному выше уровню возможности передачи произвольной последовательности битов или знаков;
· управление потоком – обеспечение согласования скоростей передачи и приема;
· контроль ошибок и управление последовательностью передачи – обнаружение ошибок в передаваемых кадрах и запрос повторной передачи искаженных кадров, обеспечение соответствия последовательности кадров на входе и выходе канала;
· выход из сбойных ситуаций – обнаружение нарушений нормальной передачи кадров и реализация процедур выхода из таких ситуаций;
· управление каналом – обеспечение возможности контроля работы канала, выявление отказов, восстановление, сбор статистики о работе канала;
· завершение работы канала – ликвидация логического соединения, образованного при инициализации канала.
Наибольшее распространение получили следующие протоколы канального уровня: протокол установления соединения, передачи данных
и ликвидации соединения HDLC (High-Level Data Link Control) – протокол передачи кадров переменной длины и протокол Х.25, определяющий доступ к сетям передачи данных с коммутацией пакетов.
Протокол канального уровня установления соединения, передачи данных и ликвидации соединения HDLC обеспечивает передачу последовательности пакетов через физический канал, искажения в котором вызывают ошибки в передаваемых данных, потерю, дублирование пакетов и нарушения порядка прибытия пакетов к адресату. Он вводит совокупность средств, позволяющих организовать надежный канал передачи пакетов, вероятность искажения битов в котором не выше 10-8–10-9. Единицей данных бит-ориентированного протокола канального уровня, передаваемой как целое через канал связи, является кадр. Этот кадр имеет пять основных частей (рис. 6.11):
· последовательность-флаг, которая используется для установки границ данных и обозначает начало и конец кадра. Флаг является 8-битной комбинацией (01111110);
· адрес, который используется для выделения команд из ответов в двухточечных и многоточечных протоколах, а также служит для идентификации подчиненной станции в многоточечных системах;
· управляющая информация, которая идентифицирует тип отправляемого кадра и содержит некоторую информацию для выявления ошибок (порядковый номер);
· данные вышележащего уровня. Это поле может и отсутствовать в зависимости от типа кадра (например, некоторые кадры подтверждений не содержат пользовательских данных);
· последовательность проверки кадра FCS (Frame Check Sequence), которая содержит биты кода циклического контроля CRC (Cyclic Redundancy Check) для выявления ошибок.
Рис. 6.11. Формат кадра HDLC
Процедуры управления канального уровня обеспечивают прозрачность канала за счет битстаффинга. При передаче данных формируется проверочная последовательность битов (два октета), которая включается в кадр. При приеме кадра она формируется повторно и сравнивается с принятой. Если обе совпадают, то принятый кадр считается корректным. В противном случае фиксируется искажение принятого кадра. При искажении флагов, разделяющих последовательно передаваемые кадры, два кадра сливаются в один искаженный. Процедура формирования проверочных последовательностей битов при передаче и приеме гарантирует обнаружение этих искажений.
Протокол Х.25 дает средства для взаимодействия пользователя с
сетью передачи данных и коммутацией пакетов PSDN (Packet Switching Data Network) и определяется рекомендацией Х.25 ITU-T, разработанной и применяемой в качестве стандарта управления на сетевом уровне. Протокол Х.25 обеспечивает строгое управление потоком пакетов и существенные услуги управления данными пользователя. Основное преимущество метода коммутации пакетов состоит в том, что один и тот же физический канал может одновременно использоваться несколькими абонентами. Метод разделения физического канала между пользователями сети передачи данных Х.25 называют логическим или статистическим мультиплексированием. В отличие от временного разделения каналов TDM здесь нет жесткой привязки к заранее заданным временным интервалам для каждого пользователя (абонента).
На сетевом уровне рекомендацией Х.25 определяются форматы пакетов и процедуры управления передачей пакетов между абонентской системой и сетью передачи данных. С учетом достаточно большого набора функций, выполняемых на сетевом уровне, определено несколько типов пакетов, однако все они имеют общую структуру и состоят из заголовка и основы (тела). Заголовок пакета содержит служебную информацию, необходимую для взаимодействия абонентских систем на сетевом уровне. Основой пакета является информационная часть пакета. В зависимости от характера информации, помещенной в основу, пакеты делятся на информационные и управляющие. Информационные пакеты предназначены для передачи блоков данных, получаемых с транспортного уровня. Управляющие пакеты обеспечивают выполнение процедур сетевого уровня, связанных с управлением сетью передачи данных при передаче информационных пакетов. Содержащаяся в информационных пакетах управляющая информация также используется для решения задач маршрутизации и управления потоком данных.
К процедурам управления передачей пакетов относится установление и разъединение виртуального канала, собственно передача данных, управление потоками пакетов, прерывание передач, восстановление соединений после возникновения ошибочных ситуаций. Кроме того, стандарт обеспечивает процедуры подтверждения, отмены, восстановления ошибочных пакетов, управление потоком, т.е. реализует практически все функции сетевого уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем. Следует подчеркнуть, что рекомендация Х.25 определяет лишь часть функций сетевого уровня, в частности она не содержит алгоритмов маршрутизации.
Для обеспечения передачи информации протокол Х.25 определяет 19 типов пакетов, общий формат которых представлен на рис. 6.12. Первые три байта являются общими для всех типов пакетов. Первый байт содержит поле идентификатора общего формата и поле группового номера логического канала. Поле идентификатора общего формата (четыре бита) предназначено для указания общего формата (структуры) остальной части заголовка, который зависит от типа пакета.
Рис. 6.12. Общий формат пакета, определенный протоколом Х.25
Рекомендация Х.25 допускает одновременное существование некоторого множества сгруппированных между собой логических каналов. Для указания номера группы логического канала, отведенного абонентской системе, и предназначено поле группового номера логического канала. Это поле занимает остальные четыре бита первого байта. Второй байт пакета содержит поле номера логического канала в рамках определенной группы. Таким образом, обеспечивается идентификация 4096 логических каналов, из которых 4095 предоставляются пользователю, а один с номером 0 зарезервирован для управления (пакеты рестарта и диагностики). При установлении виртуального соединения абонентская система выбирает свободный логический канал из числа доступных ей каналов.
Содержимое третьего байта для управляющих пакетов трактуется как поле идентификатора типа пакета (ИТП), а для информационных – байтом последовательности передачи пакетов. К информационным относятся пакеты «Данные» и «Дейтаграмма», содержащие информацию пользователя. Остальные пакеты являются управляющими и обеспечивают передачу информационных пакетов по сети коммутации пакетов. Идентификация типа пакета осуществляется на основании бита типа пакета (Т), расположенного в третьем байте пакета. Для информационных пакетов значение этого бита равно нулю, а для управляющих пакетов – единице. В свою очередь, по функциональному назначению управляющие пакеты делятся на пакеты: установления и завершения соединения, управления потоком и повторной установки, прерывания, повторного пуска. Следует подчеркнуть, что в зависимости от направления передачи один и тот же пакет имеет разное название, например, пакет, инициализирующий соединение между абонентами, при передаче из оконечного оборудования данных в сеть передачи данных имеет название «Запрос вызова», а при передаче в обратном направлении – «Входящий вызов».
Как отмечалось раньше, многие протоколы передачи данных предполагают нумерацию передаваемых данных: для этого в байте идентификатора типа пакета отводится по три разряда на порядковый номер передачи пакета и порядковый номер приема пакета. Нумерация используется для контроля передачи пакетов и управления темпом передачи, например, с помощью реализации режима «скользящего окна».
Бит «М» является признаком продолжения данных и используется для указания цепочки пакетов. Значение М = 1 указывает на то, что передается промежуточный пакет, и передача пакетов данных на этом не заканчивается. При М = 0 пакет данных является последним в цепочке пакетов.
Длина поля данных в информационных пакетах может быть равной 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048 или 4096 байтов. По умолчанию длина поля данных считается равной 128 байтам. В управляющих пакетах поле данных вообще может отсутствовать.
Рекомендация Х.25 позволяет организовать четыре способа обмена данными: виртуальный вызов, постоянная виртуальная цепь, вызов с быстрым выбором, вызов с быстрым вызовом и немедленной очисткой.
В настоящее время наиболее распространенным способом обмена являетсявиртуальное соединение. С помощью данной процедуры создаются временные коммутируемые виртуальные каналы. Процесс организации виртуального соединения аналогичен процедуре соединения в сетях коммутации каналов и телефонных сетях.
Процесс организации виртуального соединения между абонентами сети протекает следующим образом. При наличии свободного канала вызывающий абонент посредством оконечного оборудования данных передает в сеть передачи данных пакет «Запрос вызова», который, проходя через промежуточные узлы в качестве пакета «Входящий вызов», достигает адресата. Вызываемый абонент по тем или иным причинам может быть не готов к организации виртуального соединения, в этом случае он передает пакет «Запрос разъединения». Если вызываемый абонент готов к организации виртуального соединения, то он передает пакет «Вызов принят». Вызывающий абонент воспринимает это сообщение в виде пакета «Соединение установлено». Соединение установлено и начинается передача данных. Темп передачи пакетов регулируется с помощью метода «скользящего окна» на основании анализа порядковых номеров приема и передачи пакетов.
После передачи последнего пакета данных передающий абонент формирует и передает пакет «Запрос завершения», который в виде пакета «Индикация завершения» поступает к принимающему абоненту. Последний подтверждает окончание передачи данных пакетом «Подтверждение завершения со стороны оконечного оборудования данных». Пройдя через сеть передачи данных, этот пакет поступает на вход передающего оконечного оборудования данных как пакет «Подтверждение завершения со стороны аппаратуры передачи данных». На этом сеанс обмена заканчивается.
Постоянная виртуальная цепь по принципу организации передачи аналогична арендованной линии в телефонной сети. Как и арендованная линия, она создается до начала сеансов обмена в заранее согласованные промежутки времени, в течение которого логический канал постоянно находится в состоянии передачи данных. В данном случае, по сравнению с виртуальным соединением, отсутствуют фазы установления и разъединения соединений, что позволяет сократить время сеанса обмена данными. В то же время стоимость передачи данных возрастает за счет возможного простоя канала передачи данных.
Основной особенностью режима быстрого выбора является отсутствие виртуальных каналов. В этом смысле они близки к дейтаграммному способу передачи. Пакеты, используемые в режиме быстрого выбора, кроме запроса вызова содержат поле данных, что позволяет ускорить передачу данных.
В случае необходимости передачи коротких сообщений (один – два пакета) более эффективным является режим быстрого выбора с последующей очисткой, который предполагает в ответ на входящий вызов сразу же передавать пакет «Запрос на очистку», осуществляющий разъединение виртуального соединения.
Протокол Х.25 базируется на средствах информационного канала, определяемого протоколом HDLC, который устанавливает способ исключения искажения пакетов и их последовательностей, передаваемых по физическому каналу. Он определяет процедуры сетевого уровня управления передачей пакетов, обеспечивающие организацию виртуальных каналов и позволяет организовать взаимодействие между сетевыми службами систем через совокупность логических каналов.
В протоколе Х.25 можно отметить некоторую избыточность в процедуре управления передачей информации, связанной с контролем информации на уровне смежных узлов коммутации. Это оправданно для сетей с достаточно высоким уровнем помех, однако с повышением качества каналов связи роль данной процедуры снижается. Более того, использование протокола Х.25 в современных высокоскоростных помехоустойчивых сетях не позволяет достичь в них максимальной скорости передачи информации. В связи с этим в настоящее время широкое применение находит так называемый метод ретрансляции кадров (FR – Frame Relay).
Основная особенность протокола ретрансляции кадров заключается в том, что узлы коммутации выполняют только основные функции канального уровня, связанные с получением и дальнейшей передачей (ретрансляцией) информации. Большинство процедур обработки и управления передачей информации предполагается осуществлять оконечным оборудованием данных с помощью протоколов более высокого уровня. Например, в рамках протокола ретрансляции кадров защита от ошибок ограничивается проверкой контрольной последовательности кадра. Какие-либо механизмы для корректировки ошибочных файлов, например за счет повторной передачи кадров, данным протоколом не предусматриваются. В случае ошибки передается сообщение протоколам более высокого уровня.
В настоящее время, когда большинство протоколов высших уровней обладают собственными алгоритмами управления потоками данных, необходимость в этой функциональной возможности канального уровня уменьшилась. В связи с этим в протоколе ретрансляции кадров отсутствует явно выраженное управление потоками для каждой виртуальной цепи. Вместо этого предусмотрены простые механизмы уведомления о перегрузках, позволяющие информировать абонента о том, что ресурсы сети находятся близко к состоянию перегрузки.
Все это позволяет существенно сократить время задержки кадров в узлах коммутации и в сочетании с высокоскоростными каналами обеспечить скорость передачи данных свыше 1,544 Мбит/с, в то время как скорость сети Х.25 не превышает 56 кбит/с.
Перераспределение функций между сетевым и канальным уровнями отразилось и на структуре информационных блоков. Напомним, что
в сетях Х.25 на канальном уровне информационной единицей является кадр, а на сетевом – пакет. В сетях ретрансляции кадров на этих уровнях используется единая структурная единица – кадр. Следует также отметить, что кадры (рис. 6.13) при максимальной длине в 1024 байтов содержат минимальный объем (6–8 байт) служебной информации, к которой относятся флаг, заголовок и контрольная последовательность кадра, что совпадает со структурой кадра стандарта Х.25.
Рис. 6.13. Структура кадров в сетях ретрансляции кадров:
а – формат кадра и 16-разрядного заголовка; б – структура третьего
и четвертого байтов заголовка кадра
Заголовок длиной 16 или 32 разряда содержит идентификатор виртуального канала (DLCI – Data-Link Connection Identifier), признак команда-ответ (С/R – Command/Response), признак расширенный адрес (ЕА – Extended Address), бит уведомления приемника о перегрузке (FECN – Forward Explicit Notification), бит уведомления источника о перегрузке (ВЕСN – Backward Explicit Notification), бит допустимости удаления кадра (DE – Discard Eligibility).
Метод ретрансляции кадров ориентирован на установление логического соединения в режиме виртуальных каналов, для задания которых используется идентификатор виртуального канала. Эти каналы могут быть как постоянными, так и коммутируемыми. Организация коммутируемого канала между абонентами заключается в обмене кадрами, содержащими служебную информацию, в том числе идентификатор виртуального канала и подтверждение готовности к организации соединения. Кроме того, абонент должен запомнить адрес узла, с которым организуется виртуальный канал.
Управление потоком в сети ведется как узлами коммутации, так и оконечным оборудованием данных. Первые проверяют загруженность сети, а вторые, собственно, и управляют потоком данных. Для контроля над перегрузкой сети используются биты уведомления о перегрузке (FECN и ВЕСN). Как правило, реакцией на перегрузку сети является снижение скорости передачи информации, эта процедура реализуется протоколами более высоких уровней. Устранение перегрузок заключается в удалении части кадров сетевым оборудованием. В первую очередь удаляются кадры с признаком допустимости удаления кадра (DE = 1). Бит удаления может устанавливаться как системой, так и абонентом, которому предоставляется право выбора удаляемых кадров. При этом абонент ведет передачу либо в гарантированном режиме, либо с превышением заранее согласованной скорости, что связано с риском потери информации.
Протоколы сетевого уровня.Основной задачей сетевого уровня является маршрутизация пакетов или сообщений через составную сеть. Для обеспечения этого сервиса протокол сетевого уровня должен задавать структуру адресов, формат блоков данных (пакеты, кадры, ячейки), виды сервисов (с установлением соединения, без установления соединения), механизмы для запроса и достижения определенных характеристик качества предоставляемых услуг (QoS) и механизмы для принятия решений маршрутизации.
Для сетей с установлением соединений протоколы более сложные. Протокол управления маршрутом (Path Control) в системной сетевой архитектуре SNA (System Network Architecture) от фирмы IBM рассматривает соединение как виртуальный маршрут (virtual route). Вышележащие уровни получают доступ к сервисам протокола Path Control, присоединяясь к виртуальному маршруту. Действительный маршрут для любого отдельно взятого сеанса выбирается управляющей функцией действительного маршрута в узле-источнике. Менеджер действительных маршрутов реализует выравнивание загрузки, выбирая различные действительные маршруты для разных сеансов.
После того как пакет сформирован, менеджер действительных маршрутов присоединяет номер действительного маршрута к пакету настройки и посылает его к следующему узлу действительного маршрута. Менеджер действительных маршрутов этого узла использует статическую таблицу для определения, какой из узлов будет следующим и какую передающую группу использовать для соединения с ним. Передающая группа
между двумя узлами может включать несколько однотипных каналов связи. Задача по восстановлению правильной последовательности пакетов возлагается на принимающий узел. Протокол Path Control обеспечивает большую гибкость в использовании основных ресурсов сети.
В сетях без установления соединений каждый пакет содержит достаточно информации для определения его конечного пункта назначения
(например, протокол IP). Опираясь на эту информацию, каждый узел принимает решение о том, куда направить пакет дальше. В этом их отличие от сетей с установлением соединений, где узлы направляют пакеты, исходя из номера виртуального канала, а сообщения, за исключением настраивающего соединение, не содержат информацию, явно указывающую на конечное место назначения. В сетях без установления соединения процесс перенаправления пакетов часто называется маршрутизацией (routing). Маршрутизация состоит из двух частей: построения таблицы маршрутизации и операции перенаправления (собственно маршрутизация) отдельных пакетов. Устройство, которое выполняет пересылку IP-пакета получателю, называется маршрутизатором (router).
Несмотря на то что маршрутизатор имеет множество других функций, связанных с работой сети, его основной задачей является маршрутизация информации от отправителя к получателю. В каждом маршрутизаторе имеется таблица маршрутизации с IP-адресами устройств всех видимых ему сетей. Маршрутизаторы взаимодействуют друг с другом, используя протокол маршрутизации. Они обмениваются информацией о сетях, которые им видны, так что каждый маршрутизатор знает о том, где находятся другие сети и куда надо отправлять пакет, когда сеть неизвестна. Протокол маршрутизации определяет наилучший путь на основе собственного набора метрик (стоимости) достижения определенного места назначения. Метрики могут быть простыми – количество переходов, промежуточных маршрутизаторов или сложными, использующими параметры загрузки канала связи. Маршрутизаторы также могут проводить фрагментацию пакетов, т.е. разбиение больших пакетов на меньшие по размеру. Это необходимо для согласования интерфейсов различных типов сетей с разной длиной пакетов. Любое устройство, поддерживающее протокол IP, способно выполнять функцию маршрутизации. Если узел видит отправителя и получателя в сетях, то он выполняет прямую (direct) маршрутизацию, в противном случае – косвенную (indirect).
IP-адреса представляют собой 32-разрядные строки, записанные в десятичном представлении с разделительными точками: 192.168.1.10. Этот адрес разделяется на две части – адрес сети и адрес узла. Чтобы определить, где заканчивается адрес сети, обычно используется маска подсети. 24-разрядная маска подсети (например, 255.255.255.0) говорит о том, что первые 24 двоичных разряда адреса указывают сеть (192.168.1), а оставшиеся разряды относятся к соответствующему узлу (10). Как и в телефонных сетях, комбинация из адресов сети и узла является уникальной.
IP-адреса сетевого уровня представляют собой универсальные адреса, позволяющие взаимодействовать узлам различного канального уровня. Узел, желающий отправить пакет другому узлу с IP-адресом в сети, должен определить, какой адрес канального уровня имеет узел назначения. Некоторые протоколы сетевого уровня конфигурируют себя так, чтобы между адресами канального и сетевого уровней автоматически устанавливалась некоторая связь. Так, в протоколе IPX (Internet Packet Exchange) фирмы Novell адрес содержит две части: адрес сети и адрес узла. В среде ЛВС (Ethernet) адрес узла по умолчанию совпадает с адресом канального уровня, известным как MAC-адрес (Media Access Control, управление доступом к среде передачи), что позволяет легко находить узел назначения.
Для протокола IP необходим специальный процесс (протокол), позволяющий ему установить (разрешить) MAC-адрес узла назначения. Поэтому в IP используется протокол разрешения адреса ARP (Address Resolution Protocol), посылающий запрос в сеть и получающий ответ с адресом получателя канального уровня. Конфигурация каждого узла содержит IP-адрес ближайшего маршрутизатора, который имеет возможность передавать данные в другие сети, его также называют шлюзом по умолчанию (default gateway). Если узел определяет, что место назначения пакета находится в другой сети, пакет будет направлен шлюзу по умолчанию для косвенной маршрутизации.
Для решения проблемы нехватки IP-адресов был разработан сетевой протокол IPv6, в котором общее адресное пространство представлено 128 двоичными разрядами. Базовая структура этого протокола осталась неизменной и большая ее часть встроена в операционные системы и сетевое оборудование, что сокращает количество изменений, необходимых для перехода на IPv6.
Основанный на протоколе XNS (Xerox Network Standard) компании Xerox, протокол IPX (Internetwork Packet Exchange, межсетевой пакетный обмен) был разработан фирмой Novell, чтобы позволить клиентам VS-DOS с установленным клиентским программным обеспечением NetWare взаимодействовать с серверами NetWare. Протокол IPX, как и IP, является протоколом без установления соединений. Он предоставляет протоколам вышележащего уровня, таким, как SPX (Sequenced Packet Exchange, протокол извещения об услугах) и NCP (NetWare Core Protocol), средства для предоставления ресурсов сервера в совместное использование клиентами.
Сетевая часть адреса протокола IPX 32-разрядная, а часть, соответствующая узлу, – 48-разрядный уникальный МАС-адрес, назначаемый
каждой плате сетевого адаптера при его изготовлении. Для определения достижимости узлов при обмене маршрутизаторы IPX используют протоколы RIP (Routing Information Protocol, протокол информации маршрутизации) и NLSP (NetWare Link State Protocol).
Протокол NetBEUI (NetBIOS Enhanced User Interface) был разработан для использования с программным обеспечением управления ЛВС от фирмы IBM. В нем числовые указатели сети и узла стали доменом и именем компьютера, позволяющие пользователю вводить любые имена по своему желанию, поэтому он очень прост в конфигурировании. Простота использования достигается за счет интенсивной передачи широковещательного трафика, обеспечивающего легкое нахождение сетевых ресурсов пользователями. Однако структура имен для сетей и узлов не является масштабируемой и поэтому в NetBEUI не поддерживается маршрутизация.
Транспортный протокол. Основные функции этого протокола – создавать соединения между портами систем и передавать сообщения через них. Функции транспортного протокола двояки. С одной стороны, он определяет средства, необходимые для взаимодействия систем с сетью, построенных по правилам, определяемым сетевым протоколом Х.25. В этой части транспортный протокол в дополнение к средствам, предоставляемым сетью, обеспечивает работу и восстановление систем при сбоях и отказах сети, приводящих к потере пакетов и самопроизвольному разъединению виртуальных каналов. С другой стороны, данные, которыми обмениваются системы, передаются в форме сообщений, являющихся целостными объектами, не связанными с пакетным способом передачи данных. Поэтому транспортный протокол должен предусматривать деление сообщений на пакеты и сборку из пакетов принимаемых сообщений. Наряду с этими функциями транспортный протокол предоставляет возможность вводить приоритеты при обмене информацией.
Данные между системами передаются через транспортный интерфейс в форме сообщений – последовательности байтов. Сообщение идентифицируется адресом порта узла, которому посылается сообщение, порядковым номером сообщения в сеансе связи и характеризуется длиной в байтах. Эти сведения указываются в заголовке сообщения, формируемом и обрабатываемом транспортными службами сети.
Средства управления передачей данных транспортного уровня делят сообщения на пакеты, которые вводятся в сеть последовательно и передаются по сети под управлением средств сетевого уровня. Принимая последовательность пакетов, удаленная транспортная служба собирает сообщения из полей данных и поставляет их в порт в собранном виде, совпадающем с отправленными сообщениями.
Комбинация протоколов TCP/UDP из стека протоколов TCP/IP является наиболее широко используемой реализацией протоколов транспортного уровня. TCP (Transmission Control Protocol) является протоколом транспортного уровня с установлением соединений, что поддерживает безошибочную сквозную доставку сообщений (в TCP они называются сегментами) и компенсирует отсутствие надежности у IP. Протокол TCP использует как минимум 20 байтов служебной информации для обеспечения надежной доставки сегмента от одного конечного пользователя к другому.
Адресация в протоколе TCP реализуется через использование хорошо известных портов, которые различные процессы прослушивают все время на предмет соединения (порт 80 – для Web-страниц, для передачи файлов – порты 20, 21). Установление и разрыв соединения реализуется процессом трехстороннего квитирования. Протокол TCP использует порядковые номера и подтверждения для обеспечения правильной последовательной доставки потока байтов от одного узла к другому. Каждое подтверждение содержит указатель количества доступного пространства буфера получателя во время отправки подтверждения. Протокол TCP позволяет размещать в одном сегменте обычные и срочные данные.
Протокол UDP (User Datagram Protocol, пользовательский протокол дейтаграмм) обеспечивает альтернативу без установления соединения протоколу TCP для приложений, не требующих надежной доставки (например, передача речи в системах IP-телефонии). Протоколу UDP для выполнения его функций необходимо только 8 байтов служебной информации.
Протоколы верхнего уровня.Сервисы верхних уровней обеспечивают возможность взаимодействия приложений. Без верхних уровней сообщения могут передаваться между прикладными программами, но при этом они не будут правильно представлены на принимающем конце. Для модели ВОС/ISO характерны три верхних уровня: сеансовый, представления и прикладной; для стека протоколов TCP/IP характерен один верхний уровень – прикладной, объединяющий все реализуемые ими сервисы.
Три верхних уровня эталонной модели ВОС определяют протоколы, ориентированные на приложения. Протоколы этих уровней обеспечивают прикладные процессы пользователей средствами обмена информацией с другими (удаленными) прикладными процессами, необходимыми для распределенной обработки информации. Протоколы верхних уровней устанавливают стандартные для компьютерной сети процедуры выполнения прикладных функций.
Следует отметить, что сеансовый уровень тесно связан с транспортным уровнем и подготавливает для него информацию, необходимую для успешной организации транспортного соединения. В частности, на данном уровне осуществляется организация и логическое подключение устройств (портов) к процессам. Основными функциями сеансового уровня являются:
· определение места (адреса), где выполняется запрашиваемая функция или где располагаются запрашиваемые данные;
· установление связи с узлом, где расположена запрашиваемая функция или данные, получение согласия на установление;
· проверка необходимых ресурсов (буферов) для обмена;
· проверка программного обеспечения.
Сеансовый уровень обеспечивает дополнительные сервисы (сеансы), полезные только для определенных приложений (установление и завершение сеанса; управление диалогом; синхронизация; управление активностью; составление отчетов об исключительных ситуациях), и может быть исключен целиком. Без наличия логических соединений сеансы невозможны. Протокол с установлением соединения ТСР (транспортного уровня) дополняет нижележащий протокол без установления соединений IP (сетевого уровня) несколькими сеансоподобными функциями.
В свою очередь, службы и протоколы прикладного уровня являются основой для построения различного сетевого программного обеспечения и в первую очередь сетевых операционных систем.
Следует подчеркнуть, что в обязанности различных элементов прикладного уровня входит не обеспечение специальных прикладных служб, а создание средств, с помощью которых организуется открытый доступ к соответствующим службам. В дополнение к этому относительная независимость прикладного уровня от других уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем позволяет создавать достаточно универсальные сетевые программные продукты.
Когда данные достигают приложения, для которого они предназначены, они должны быть правильно интерпретированы и обработаны в соответствии с вашим запросом – обеспечение взаимодействия (interoperability). Чтобы добиться взаимодействия, должны быть установлены соглашения относительно формы и значения передаваемых данных. Эти соглашения или протоколы находятся за пределами сети передачи данных, т.е. они не зависят от физического способа передачи. Соглашения касаются синтаксиса и семантики, предусмотренных протоколами верхних уровней.
Уровень представления отвечает за установление синтаксиса передаваемой информации. Хорошими примерами сервиса уровня представления являются шифрование данных для обеспечения информационной безопасности, сжатие для сокращения объема данных, перекодировка и др.
Прикладной уровень предоставляет сервисы непосредственно пользовательским прикладным программам. Чтобы избежать несовместимости между программами и сервисами, прикладной уровень определяет стандартные способы предоставления этих сервисов. Если оба приложения
готовы использовать сервис протокола FTAM (File Transfer, Access and Management, передача, доступ и управление файлами) прикладного уровня для доступа к файлам, то они это делают через общий оговоренный интерфейс. Прикладной уровень определяет этот общий интерфейс для различных прикладных сервисов. Сервисы прикладного уровня делятся на обычные (установление и разрыв связи) и специфические (обработки сообщений) для одного или нескольких приложений. Прикладной уровень обеспечивает для программистов набор открытых и стандартных интерфейсов прикладного программирования (API, Application Programming Interface), которые можно использовать для выполнения обычных для сетевого приложения задач (обмен файлами, удаленная регистрация и т.п.).
Прикладной уровень стека протоколов TCP/IP содержит стандартные протоколы, предоставляющие сервисы приложениям конечного пользователя. Эта коллекция протоколов включает SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол электронной почты), используемый для пересылки электронной почты и HTTP (HyperText Transfer Protocol, протокол передачи гипертекстовых файлов), применяемый в WWW (Word Wide Web). Протокол SMTP определяет обмен почтовыми сообщениями между серверами электронной почты, однако он не предоставляет пользователям очевидного механизма для осуществления доступа к почте и управления ею. Поэтому был разработан протокол POP (Post Office Protocol, почтовый протокол), который осуществляет пересылку сообщений электронной почты на компьютер пользователя. А протокол HTTP не имеет встроенных механизмов обеспечения безопасности, неприкосновенность данных, их перехват и шифрование осуществляет для него протокол SSL (Secure Sockets Layer, протокол защищенных сокетов).
Важной функцией протокола прикладного уровня является обеспечение распределенной службы каталогов. В больших сетях обслуживание каталогов вручную стало физически невозможным, поэтому был разработан протокол LDAP (Lightweight Directory Access Protocol, облегченный протокол службы каталогов), предлагающий универсальный механизм для определения местонахождения и осуществления поддержки пользователей и сетевых ресурсов. Протокол LDAP работает вне зависимости от структуры каталога, для осуществления доступа к которому он используется.
Рассмотренные выше протоколы прикладного уровня являются базовыми и позволяют организовать взаимодействие сети связи практически с любыми пользовательскими системами.
Протоколы локальных вычислительных сетей.Для функционирования ЛВС требуется интеграция множества различных компонентов, которые определяют, как устройства соединяются, какая среда передачи будет использоваться, в каком формате будут передаваться данные и как обеспечить одновременную передачу данных между несколькими ПК. Принцип организации среды передачи в ЛВС описывается физической и логической топологией сети. Широкое распространение в ЛВС получила логическая топология «кольцо» и физическая топология «звезда», в которой концентратор, обычно называемый модулем множественного доступа (MAU, Multistation Access Unit), направляет принимаемый сигнал с одного порта на следующий порт в логическом кольце. Устройство, подключенное к этому порту, ретранслирует сигнал обратно к концентратору, который направляет его к следующему порту в логическом кольце, и т.д. Фактически концентратор перенаправляет принятый сигнал на следующий порт в логическом кольце. Применяются пассивные и активные модули MAU. В отличие от пассивных, активные MAU регенерируют (восстанавливают от потерь) сигнал во время его прохождения через любой порт.
Дальнейшее развитие ЛВС, удешевление памяти и повышение производительности процессоров привели к широкому применению логической и физической топологии «звезда» с использованием коммутатора в самом центре ЛВС, реализующих коммутацию ячеек, матричную коммутацию, коммутацию с общей памятью или коммутацию шин.
Функцию интерфейса между компьютером и средой передачи данных выполняет адаптер ЛВС. Одна из основных функций адаптера ЛВС – получить доступ к среде передачи данных. Она реализуется протоколом управления доступом к среде передачи данных (MAC, Media Access Control). Адаптер выполняет следующие основные операции:
· при передаче данных создается кадр (frame) с адресами адаптеров передающей и принимающей стороны;
· адаптер помещает кадр в буфер и обеспечивает доступ к сети;
· после получения доступа начинается передача с вычислением контрольной последовательности кадра (FCS, Frame Check Sequence) для проверки безошибочности передачи;
· адаптер принимающей стороны считывает свой адрес, принимает кадр полностью и вычисляет контрольную последовательность FCS;
· после приема кадра адаптер сверяет вычисленное значение FCS со значением, добавленным передающей стороной. Если они совпадают, кадр передается компьютеру, если нет, то кадр отбрасывается.
МАС делятся на два класса: опрашивающие и состязательные. Опрашивающая схема является протоколом упорядоченного доступа, в котором адаптеры ЛВС взаимодействуют между собой, чтобы определить, какому из них будет предоставлен канал связи. Состязательные схемы бывают двух видов: множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) и множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – применяется в беспроводных видах ЛВС). Адаптер ЛВС CSMA/CD, обнаружив занятую среду передачи, контролирует ее состояние непрерывно до ее освобождения и после короткого интервала начинает передачу. Во время передачи адаптеры ЛВС «прослушивают» среду передачи на наличие коллизий. При их обнаружении адаптер генерирует короткую посылку (32 бита), называемую «организованной помехой», чтобы все передающие адаптеры прекратили передачу и выполнили процедуру отката. После нескольких попыток дальнейшего начала передачи адаптер ЛВС сообщает компьютеру о недоступности сети.
Управление логическим соединением (LLC, Logical Link Control) является уровнем протокола, расположенным выше уровня МАС и завершающим возможности канального уровня ЛВС. Он выполняет три основные функции:
· обеспечивает сервисы с установлением и без установления соединений поверх схемы МАС;
· делает незаметными для пользователя операции нижележащих уровней;
· предоставляет логические точки доступа к службе (SAP, Service Access Point), позволяющие через один физический интерфейс (адаптер ЛВС) поддерживать несколько логических соединений.
Уровень LLC отвечает за предоставление точек доступа к службам. Из 8 битов, формирующих SAP, два являются зарезервированными, поэтому SAP может дать только 64 (6 битов) уникальные точки доступа. Для увеличения количества точек доступа в управлении логическим соединением LLC применяется дискриминатор протокола SNAP (Subnetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям).
Программное обеспечение ЛВС может быть сконфигурировано для использования протокола SNAP, который предполагает присутствие LLC и МАС-кадра. При этом протокольные уровни вкладываются один внутрь другого, а сообщение вышележащего уровня размещается внутри поля данных кадра SNAP. Использование такой конфигурации расширяет набор поддерживаемых стеков протоколов ЛВС.
Протоколы и стандарты глобальных сетей.Сетевые технологии для построения глобальных и корпоративных сетей имеют свои протоколы и стандарты. Протоколы SLIP (Serial Line Internet Protocol) и PPP (Point-to-Point Protocol) входят в состав стека протоколов TCP/IP и применяются в сети Интернет для соединения по телефонным линиям. Протокол SLIP является простейшим, функционирует только на физическом уровне и не предусматривает контроля ошибок и защиты. Протокол PPP был разработан как усовершенствование SLIP, а реализуемые им функции
охватывают физический и канальный уровни. Дополнительные функции PPP включают контроль ошибок, защиту, динамическую адресацию IP и поддержку нескольких протоколов. Протоколы SLIP и PPP имеют двухточечное соединение. Протокол PPP предусматривает адресацию физических устройств на подуровне МАС и контроль ошибок LLC-уровня. В табл. 6.3 показано отображение различных протоколов в модели ВОС/OSI.
Таблица 6.3
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 2903; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!