Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 9. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС)

 

Универсальный тезис о пользе стандартизации для компьютерных сетей приобретает  особое значение. Суть сети – это  соединение разного оборудования, а  значит, проблема совместимости является одной из наиболее острых. В современных цифровых сетях идеологической основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем, ставшая своего рода универсальным языком сетевых специалистов.

Организация взаимодействия между  устройствами сети является сложной  задачей. Как известно, для решения  сложных задач используется универсальный  прием – декомпозиция, т.е. разбиение сложной задачи на ряд более простых задач-модулей. При этом четко определяются функции каждого модуля, решающего отдельную задачу.

При декомпозиции часто используют многоуровневый подход, который состоит  в том, что все множество разбивают  на уровни. Уровни образуют иерархию – совокупность вышележащих и нижележащих уровней. Взаимодействие этих уровней происходит только на смежных слоях. Это взаимодействие описывается интерфейсом, который определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.

Средства сетевого взаимодействия тоже могут быть представлены в виде иерархически организованного множества  модулей. Многоуровневое представление  средств сетевого взаимодействия имеет  свою специфику, поскольку в процессе обмена сообщениями участвуют  две машины, и надо обеспечить согласованную работу двух иерархий.

При передаче сообщений оба участника  должны принять множество соглашений.: согласовать уровни и форму электрических  сигналов, способ определения длины  сообщения, договориться о методах контроля достоверности  и т. п. Например, взаимодействие 2-х узлов можно показать на рис.

 

  Узел А Узел В

 

 

Протокол 4А-4В

 

Интерфейс 3В-4В

Протокол 3А-3В

 

Интерфейс 2В-3В

Протокол 2А- 2В

 

 Протокол 1А-1В Интерфейс 1В-2В

 

 

 

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, называются протоколом

Правила, по которым обмениваются сообщениями  модули в одном узле на соседних уровнях, называется интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. По существу интерфейс и протокол – одни и те же понятия, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для обеспечения взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные  протоколы могут быть организованы как аппаратно, так и программно. Протоколы нижних уровней часто  реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней, как правило, чисто программными средствами. Как алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности, так и протокол может иметь несколько программных реализаций.

Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствам  концентраторами, маршрутизаторами и  т.д.

 

Модель OSI

На практике при  реализации сетей стремятся  использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты. В начале 80-х годов ряд международных организаций –ISO, ITU-T и некоторые другие  - разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей.

Эта модель называется  моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ВОС .

Модель OSI была разработана на основе большого опыта инженеров, полученного при создании компьютерных сетей. Полное описание этой модели занимает более 1000 стр. текста. 

В настоящее время выработаны критерии открытости систем и определены степени соответствия спецификаций каждому критерию: высокая, средняя или низкая. Предложены следующие критерии открытости систем: уровень стандартов, доступность, фактическое использование, зрелость, проблемы/ограничения, переносимость программ, взаимодействие, мобильность пользователей.

Так как четкую границу провести нельзя, оценивать можно относительную  открытость или закрытость системы.

 В открытой модели OSI, схема которой приведена на рисунке,  средства взаимодействия делятся на 7 уровней: прикладной, представительский, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический.

Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень. Уровни ЭМ ВОС можно разделить на 3 категории.

Протоколы четырех верхних уровней  выполняют функции организации  и представления данных таким  способом, который в итоге имеет смысл только для конечного пользователя. Они соответствуют уровню обслуживания и прикладному уровню.

Уровень 3 (сетевой) занимается маршрутизацией сообщений между приложениями через  промежуточные узлы. Протоколы такого уровня должны быть согласованы для всей сети.

Два нижних уровня занимаются  физической передачей сообщений между смежными узлами. Протоколы должны быть согласованы  между каждой парой смежных узлов.

Более подробно функции уровней.

Уровень 1 – физический. Реализует управление каналом связи, что сводится к его подключению/отключению, и формированию сигналов, представляющих передаваемые сообщения или данные. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите и пр.

Уровень 2- канальный.  Отвечает за формирование пакетов стандартного типа. Обеспечивает надежную передачу сообщений через физический канал. Для обеспечения надежности используются средства контроля принимаемых сообщений, позволяющие выявить ошибки в поступающих сообщениях, и повторить передачу для повышения достоверности.

Уровень 3- сетевой. Обеспечивает передачу сообщений в виде пакетов через базовую (магистральную) сеть. Управление сетью, реализуемое на этом уровне, состоит в выборе маршрута передачи сообщения.

Уровень 4 – транспортный. Реализует процедуры и протоколы соединения пользователей сети через базовую сеть. Обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты и восстановление передаваемых данных.

Уровень 5 – сеансовый. Обеспечивает организацию сеансов связи на период взаимодействия сетевых узлов. На этом уровне по запросам в сети создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения – логические каналы, контролируются права доступа абонентов.

Уровень 6 – представления. Осуществляет трансляцию различных форматов данных  и файлов для взаимодействия разнотипных пользовательских интерфейсов в сети. Определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети. Здесь же выполняется шифрование и дешифрование данных, а при необходимости –их сжатие.

Уровень 7 – прикладной. Обеспечивает предоставление сетевого сервиса с разделением ресурсов для пользователей сети. Например, программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере.

 

Модель взаимодействия открытых систем ВОС (ISO/OSI)

 

Компьютер 1       Компьютер 2

 

 

                                                                Сообщение         Сообщение

 

 

 

 

Прикладной Интерфейсы

уровень Протоколы Интерфейсы

7

7

Представительский

уровень

7

6

6

7

Сеансовый

уровень

7

6

5

5

6

7

 

Транспортный

уровень

7

6

5

4

4

5

6

7

Сетевой

уровень

7

6

5

4

3

3

4

5

6

7

Канальный

уровень

7

6

5

4

3

2

2

3

4

5

6

7

Физический

уровень

 

1

2

3

4

5

6

7

7

6

5

4

3

2

1

 

 

Передача по сети

 

Сообщение

7

6

5

4

3

2

1

 

  

Полезная  Служебная

         информация информация - заголовки 

 

 

 

 

На основе эталонной модели ВОС  передача информации в сети сводится к 7 относительно простым задачам, каждая из которых соответствует строго определенному уровню модели ВОС. На практике ряд аппаратных и программных решений могут соответствовать сразу нескольким уровням.

Уровни разных систем не могут взаимодействовать  напрямую между собой, но работать должны абсолютно одинаково, возможность  прямой связи существует только на физическом уровне.

Таким образом, эталонная модель ВОС определяет не конкретную реализацию сети, а только описывает функции каждого уровня и общую схему передачи данных.

Когда сообщение поступает на сетевой  узел, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на  уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняет соответствующие функции, удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Наряду с термином Сообщение (message) существуют и другие термины, применяемые для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO  для обозначения единиц данных используют общее название – протокольный блок данных  (Protocol Data Unit, PDU)/

Для  обозначения блоков данных часто используют специальные названия : кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).

 В модели OSI различают 2 основных типов протоколов. 1- протоколы с установлением соединения ( напр. Телефония) и 2 – протоколы без предварительного установления соединений (дейтаграммные). Отправитель передает сообщение, когда оно готово. В компьютерных сетях используются оба соединения.

 

 

Назначение уровней  модели ВОС/OSI

Функции всех уровней модели ВОС  могут быть отнесены к одной из 2-х групп: зависящие от конкретной реализации сети и ориентированные на работу с приложениями.. Три нижних уровня- физический, канальный и сетевой – зависят от структуры и аппаратной реализации сети. Например, переход на оборудование Token Ring означает полную смену протоколов физического и канального уровня во всех узлах сети.

Три верхних уровня – сеансовый, уровень представления и прикладной – ориентированы на приложения и  мало зависят от особенностей построения сети. На протоколы этих уровней  не влияют никакие изменения в  топологии сети и замене телекоммуникационного оборудования.

Транспортный уровень – промежуточный. Он скрывает от  верхних уровней  детали функционирования нижних, что  позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от аппаратных средств  передачи данных.

Пользователи сети взаимодействуют м помощью протоколов всех 7-ми уровней через различные устройства – концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, мультиплексоры и т.д.

В зависимости от вида применяемого оборудования телеком. устройство может  работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный (маршрутизатор).