1.3. Системные основы построения сетей: эталонная модель взаимодействия открытых систем

Сетевая компьютерная технология – исключительно сложная проблема, охватывающая четыре и более вузовские профессии: электросвязь, радиосвязь, электроника компьютерной архитектуры, программирование системное и прикладное. Поэтому компьютерную сеть как сложную проблему целиком (сразу) не рассмотришь. Рассмотрение сложного обеспечивается изучением его по частям. Части при этом должны быть минимально зависимыми друг от друга, ибо вся сложность обычно определяется хитросплетением связей. Это позволяет изменять (модернизировать) отдельные части без заметного влияния на других. Такая позиция реализована в концепции открытых систем (ЭМВОС). Чтобы быть открытой, то есть пополняемой извне (без влияния на других) система должна обладать особыми свойствами, которые объявляются стандартом.

Существующая версия стандарта ЭМВОС выпущена международным институтом стандартизации (ISO) в 1984 г. Её спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов.

В ЭМВОС сеть рассматривают как совокупность функций, выполняемых по определенным правилам, называемым протоколами. Эти правила (протоколы) по сложности разделены на уровни так, чтобы изменение правил на одном уровне не влияло на смежные уровни. То есть сложное разделено на согласованные части.

Таких уровней семь: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительский и прикладной.

Каждому уровню соответствуют свои сетевые операции, оборудование и правила. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные, более легко обозначаемые задачи. Целью каждого уровня является представление неких услуг (служб) для более верхних уровней, скрывая от них детали их реализации. Уровни отделяются друг от друга границами – интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому (на услугу связи) передаются через интерфейс. Интерфейс определяет набор примитивных операций (соединить, разъединить, подтвердить и т.п.), представляемых нижним уровнем верхнему. То есть служба есть набор операций, задаваемых примитивами.

При этом каждый уровень одного ПК работает, как бы он напрямую связан с таким же уровнем на другом ПК. Эта логическая (виртуальная) связь реализуется протоколом, а действительная связь "сверху вниз" реализуется интерфейсом. Каждый уровень при этом нуждается в механизме идентификации отправителей и получателей.

Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты (ЗАЧЕМ?). Пакет – это единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет на передающей стороне последовательно проходит все уровни, на каждом из которых к пакету добавляется служебная информация (форматирующая и адресная), которая необходима для успешной передачи пакета по сети.

На приемной стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. Программное обеспечение на каждом уровне читает информацию пакета, удаляя информацию, добавленную к пакету на данном уровне передающей стороной, и передает пакет на верхний уровень. Когда пакет дойдет до последнего (прикладного) уровня, вся адресная информация будет удалена и данные примут свой первоначальный вид. Таким образом, за исключением самого нижнего (физического) уровня сетевой модели никакой уровень не может непосредственно послать информацию соответствующему уровню другого компьютера.

Роль и значимость каждого уровня показана на общей схеме модели ЭМВОС (рисунок 1.2, таблица 1.1).

На схеме обозначено: обязанности каждого уровня ; основные закономерности адресации сообщений в сети  и ; содержание неопределенностей, разрешаемых на уровнях ; вид реализации каждого уровня .

Применительно к функционированию ЛВС используются только два уровня (1^й и 2^й). Но 3^й (сеансовый) и 4^й (транспортный) играют особую роль в понимании механизма функционирования ЛВС, ибо эти уровни "готовят" процесс ее функционирования в "облегченном" режиме.

Рис.1.2. Распределение сетевых услуг

Таблица 1.1.

Номер уровня	Содержание функций уровня
7	Обеспечивает окно доступа приложений и прямую поддержку услуг: передачу файлов, доступ к БД, электронную почту. Обеспечивает связь различных ОС путём преобразования вызовов API в конструкции общего языка
6	Форматирует сообщения и их шифрование, преодолевает синтаксические особенности сообщений и кодов
5	Формирует режимы сеансов связи и диалога. Осуществляет адресацию по логическим адресам пользователей. Осуществляет синхронизацию передачи личных сообщений выставлением промежуточных контрольных точек возврата и останова
4	Доставка пакетов; сквозное соединение абонентов по транспортным адресам протокола TCP
3	Осуществляет навигацию в подсетях по протоколу (адресам) IP
2	Передача данных в сети заданной топологии с адресацией всех ПК
1	Передача порций данных (кадров) по физической среде передачи манчестерским кодом

Третий (сетевой) обеспечивает навигацию в подсетях, объединяемых в единую сеть. Там осуществляется IP-адресация, преобразующая логические номера пользователей в их физические адреса.

Транспортный (4^й) уровень является пограничным, отделяющим верхние уровни от аппаратной реализации сети. Три нижних уровня являются сетезависимыми, а три верхних - сетенезависимыми.

Кроме того, на схеме показаны устройства, предназначенные для объединения сетей: повторитель (усилитель), концентратор (хаб), мост, коммутатор, маршрутизатор, шлюз. Рассмотрим назначение и роль каждого из них (Тан, с.380). Их основное отличие состоит в следующем: какую часть информации устройство использует для маршрутизации.

На самом нижнем (физическом) уровне работает повторитель – аналоговое устройство, к которому подключено два сегмента кабеля. Сигнал, пришедший с одного сегмента, усиливается и подается на другой сегмент. В сети Ethernet это позволяет увеличить длину сети с 500 до 2500 м, то есть сделать её пятисегментной.

Концентратор (хаб) имеет несколько входов, объединяемых электрически. Кадры, прибывающие на какой-либо вход, передаются на все линии (другие входы). Если одновременно на разные входы придут два кадра, то они "столкнутся", как в кабеле (возникает коллизия). То есть концентратор представляет собой одну область столкновений. Все линии, подсоединяемые к концентратору, должны работать с одинаковыми скоростями и похожими параметрами. Поэтому он обеспечивает согласованную работу этих линий, не используя адресной информации.

На уровне передачи данных работают мосты и коммутаторы (ключи). Мост объединяет две или более ЛВС, изымая из принятого кадра адресную информацию, которую сопоставляет с адресами имеющейся у него таблицы.

Коммутаторы, как и мосты, используют для маршрутизации адреса кадров, но они используются чаще всего для соединения отдельных ПК, а не сетей. Из-за этого они являются более "многопортовыми", чем мосты, так как последние объединяют сети, то есть более крупные формирования ПК.

То есть повторители и концентраторы похожи друг на друга. Коммутаторы и мосты – тоже (рисунок 1.3). Но маршрутизаторы отличаются сильно. Когда пакет (кадр) прибывает на него, он обрезает у него все, оставляя блок данных, которые пересылает по своим адресам и алгоритмам. Шлюз – межсетевой преобразователь. Служит для соединения сетей, имеющих неодинаковую архитектуру и неодинаковые протоколы. Чаще под шлюзом понимают сервер, имеющий внешний канал передачи.

В заключении рассмотрим передачу данных (сигналов) физическим уровнем, в качестве которого используются кабели различной конструкции. По кабелю передаются двоичные единицы специальной конструкции – манчестерский код. (Есть и другие!) Содержание битов не имеет значения для этого уровня.

При разработке сети необходимо обеспечить чтобы, когда одна сторона передает единицу, то принимающая сторона должна получить также единицу. Поэтому работа сторон должна быть синхронной. Манчестерский код обеспечивает самосинхронизацию. Кроме этого возникают другие вопросы на данном уровне:

какое напряжение нужно использовать для отображения "0" и "1"; сколько мксек длится один бит; может ли передача проводиться одновременно в двух направлениях; как устанавливается начальная связь и как она прекращается; из скольких проводов должен состоять кабель.