7. Принципи спільного використання каналу в локальних мережах з комутацією пакетів

Для представлення структури засобів міжмережевої взаємодії мереж з комутацією каналів також використовується багаторівневий підхід, у відповідності з яким існують протоколи кількох рівнів, що утворюють ієрархію. Однак загальної довідкової моделі, подібної моделі OSI, для мереж з комутацією каналів не існує. Наприклад, різні типи телефонних мереж використовують власні стеки протоколів, що відрізняються кількістю рівнів і розподілом функцій між рівнями. Первинні мережі, такі як SDH або DWDM, також володіють власною ієрархією протоколів. Ситуація ускладнюють ще й тим, що практично всі типи сучасних мереж з комутацією каналів задіють цю техніку тільки для передачі даних користувача, а для управління процесом встановлення з'єднань в мережі і загального управління мережею застосовують техніку комутації пакетів. Такими мережами являються, наприклад, мережі ISDN, SDH, DWDM. Для мереж з комутацією пакетів мережі з комутацією каналів надають сервіс фізичного рівня, незважаючи на те, що самі вони влаштовані досить складно і підтримують власну ієрархію протоколів.

Розглянемо, наприклад, випадок, коли кілька локальних пакетних мереж зв`язаних між собою через цифрову телефонну мережу. Очевидно, що функції створення складовою мережі виконують протоколи мережевого рівня, тому ми встановлюємо в кожній локальної мережі маршрутизатор. Маршрутизатор повинен бути оснащений інтерфейсом, який може встановити з'єднання через телефонну мережу з іншого локальною мережею. Після того як таке з'єднання установлено, в телефонній мережі утворюється потік бітів, що передаються з постійною швидкістю. Це з'єднання та надає сервіс фізичного рівня для маршрутизаторів. Для того щоб організувати передачу даних, маршрутизатори використовують поверх цієї фізичної каналу двоточковим протокол канального рівня.

8. Декомпозиція задачі мережевої взаємодії (концепція багаторівневого підходу, поняття протоколу і стеку протоколів)

Організація взаємодії між пристроями мережі є складною задачею. Для вирішення складних завдань використовується відомий універсальний прийом - декомпозиція, тобто розбиття однієї складної задачі на декілька простіших задач-модулів. Декомпозиція складається в чіткому визначенні функцій кожного модуля, а також порядку їх взаємодії (тобто міжмодульних інтерфейсів). При такому підході кожен модуль можна розглядати як «чорний ящик», абстрагуючись від його внутрішніх механізмів і концентруючи увагу на способі взаємодії цих модулів. В результаті такого логічного спрощення задачі з'являється можливість незалежного тестування, розробки і модифікації модулів. Так, будь-який з зображених на рис. 4.1 модулів може бути переписаний заново. Нехай, наприклад, це буде модуль А, і якщо при цьому розробники збережуть без зміни міжмодульні зв'язки (в даному випадку інтерфейси А-В і А-С), то це не потребує ніяких змін в інших модулях.

Багаторівневий підхід

 

Ще більш ефективною концепцією розвиваючої ідеї декомпозиції, є багаторівневий підхід. Після представленнявихідної задачі у вигляді безлічі модулів ці модулі групують і впорядковують по рівнях (розбивають на рівні), що створюєієрархію (вищележачі та нижчележачі рівні) 

 

Група модулів, які складають кожний рівень, для вирішення своїх задач повинна звертатися із запитами тільки до модулів сусіднього нижнього рівня. З іншого боку, результати роботи кожного з модулів, віднесених до деякого рівня,можуть бути передані тільки модулям сусіднього вищого рівня. Така ієрархічна декомпозиція задачі передбачає чіткевизначення функцій кожного рівня і інтерфейсів між рівнями.

Міжрівневий інтерфейс, званий також інтерфейсом послуг, визначає набір функцій, які нижчележачий рівень надає вищерозташованому

Внаслідок ієрархічної декомпозиції досягається відносна незалежність рівнів, а значить, і можливість їх легкої заміни (розробка, тестування, модифікація).

Багаторівневий підхід до опису і реалізації функцій системи застосовується не тільки відносно мережевих засобів. Така модель функціонування використовується, наприклад, в локальних файлових системах, коли запит, що поступив на доступ до файлу послідовно обробляється декількома програмними рівнями

Запит спочатку аналізується верхнім рівнем, на якому здійснюється послідовний розбір складового символьного імені файлу і визначення унікального ідентифікатора файлу. Наступний рівень знаходить за унікальним ім'ям всі основні характеристики файлу: адреса, атрибути доступу і т. п. Потім на більш низькому рівні здійснюється перевірка прав доступу до цього файлу, а далі, після розрахунку координат області файлу, що містить необхідні дані, виконується фізичний обмін із зовнішнім пристроєм за допомогою драйвера диска.

Протокол і стек протоколів

Багаторівневі представлення засобів мережевої взаємодії має свою специфіку, пов'язану з тим, що в процесі обміну повідомленнями беруть участь, щонайменше, дві сторони, тобто в даному випадку необхідно організувати узгоджену роботу двох ієрархій апаратних і програмних засобів, працюючих на різних комп'ютерах. Обидва учасники мережевого обміну повинні прийняти безліч угод. Наприклад, вони повинні погодити рівні і форму електричних сигналів, спосіб визначення розміру повідомлень, домовитися про методи контролю достовірності і т.д. Іншими словами, угоди повинні бути прийняті для всіх рівнів, починаючи від самого низького - рівня передачі бітів і закінчуючи найвищим, який реалізовує сервіс для користувачів мережі.

 Процедура взаємодії цих двох вузлів може бути описана у вигляді набору правил взаємодії кожної пари відповідних рівнів обох сторін, що беруть участь. Формалізовані правила, що визначають послідовність і формат повідомлень, якими обмінюються мережеві компоненти, лежачі на одному рівні, але в різних вузлах, називаються протоколом.

Модулі, що реалізовують протоколи сусідніх рівнів і що знаходяться в одному вузлі, також взаємодіють один з одним відповідно до чітко певних правил і за допомогою стандартизованих форматів повідомлень. Ці правила прийнято називати інтерфейсом. Інтерфейс визначає набір сервісів, що надається даним рівнем сусідньому рівню. У суті, протокол і інтерфейс виражають одне і те ж поняття, але традиційно в мережах за ними закріпили різні області дії: протоколи визначають правила взаємодії модулів одного рівня в різних вузлах, а інтерфейси модулів сусідніх рівнів в одному вузлі.

Засоби кожного рівня повинні відпрацьовувати, по-перше, свій власний протокол, а по-друге, інтерфейси з сусідніми рівнями.

Ієрархічно організований набір протоколів, достатній для організації взаємодії вузлів в мережі, називається стеком протоколів. Протоколи нижніх рівнів часто реалізовуються комбінацією програмних і апаратних засобів, а протоколи верхніх рівнів, як правило, програмними засобами.

Програмний модуль, що реалізовує деякий протокол, називають протокольною сутністю, або, для стислості, тежпротоколом. Зрозуміло, що один і той же протокол може бути реалізований з різним ступенем ефективності. Саме тому при порівнянні протоколів потрібно враховувати не тільки логіку їх роботи, але і якість програмної реалізації. Більш того, на ефективність взаємодії пристроїв в мережі впливає якість всієї сукупності протоколів, що складають стек, зокрема, наскільки раціонально розподілені функції між протоколами різних рівнів і наскільки добре визначені інтерфейсом між ними.

Протокольні сутності одного рівня двох взаємодіючих сторін обмінюється повідомленнями відповідно до визначеного для них протоколом. Повідомлення складаються з заголовка і поля даних (іноді воно може бути відсутнє). Обмін повідомленнями є своєрідною мовою спілкування, за допомогою якого кожна із сторін «пояснює» іншій стороні, що необхідно зробити на кожному етапі взаємодії. Робота кожного протокольного модуля полягає в інтерпретації заголовків надходять до нього повідомлень і виконанні зв’язаних з цим дій. Заголовки повідомлень різних протоколів мають разову структуру, що відповідає відмінностям в їх функціональності. Зрозуміло, що чим складніше структура заголовка повідомлення, тим складніші функції покладені на відповідний протокол.

Протоколи реалізовуються не тільки комп'ютерами, але і іншими мережевими пристроями концентраторами, мостами, комутаторами, маршрутизаторами і т. д. Дійсно, в загальному випадку зв'язок комп'ютерів в мережі здійснюється не напряму, а через різні комунікаційні пристрої. У залежності від типу пристрою в ньому повинні бути вбудовані засоби, що реалізовують той або інший набір протоколів.