Лекции / Открытые информационные системы

Эталонная модель взаимодействия открытых информационных систем

Мировая практика создания систем привела к необходимости разработки стандартов по всему комплексу вопросов организации сетевых систем. В 1977 году комитет по вычислительной технике и обработке информации ISO предложил описание эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI, которая получила название 7-уровневой модели. В настоящее время модель получила широкое распространение и признание, поскольку создает основу как для анализа существующих, так и для определения новых систем и стандартов.

Изображенные уровни в полном или частичном составе присутствуют в любой вычислительной системе и взаимодействуют на строгой иерархической основе, т.е. любой уровень обслуживает уровень выше и пользуется услугами нижнего уровня.

Благодаря стандартизации 7-уровневой модели любые 2 устройства сети при условии соблюдения стандарта могут взаимодействовать, несмотря на различия конструкции, функционального назначения и внутренних интерфейсов. Такое взаимодействие становится возможным для различных моделей и классов ЭВМ. Комитетом по стандартизации ЛВС IEEE предложено рассматривать физическую среду как уровень 0.

Уровень 1 – Физический

Обеспечивает интерфейс между устройством и средой передачи. На физическом уровне через абонентские каналы передается последовательность бит. Управление каналом сводится к выделению начала и конца кадра, формированию и приему сигнала, анализу кодовой последовательности. Стандарты физического уровня включают рекомендации X.21, определяющие электрические, механические, функциональные и процедурные характеристики, необходимые для физического соединения каналов связи.

Уровень 2 – Канальный

Формирует из данных, переданных уровнем 1, т.н. кадры и их последовательности, осуществляет управление доступом к передающей среде, обнаруживает и исправляет ошибки. Физический и канальный уровни определяют характеристики каналов и методику передачи кадров. Протоколы 2-го уровня соответствуют рекомендациям X.25 МККТ и в общем случае определяют процедуру управления каналами: дуплексным, полудуплексным, симплексным.

Уровень 3 – Сетевой

Реализует функции маршрутизации, чтобы кадры уровня, называемые пакетами, могли бы передаваться через несколько каналов по одной или нескольким сетям. Обычно это требует включения в пакет сетевого адреса. Основной задачей сетевого протокола является прокладка в каждом физическом канале совокупности логических каналов (до 4096), повышая эффективность использования физического канала. Сетевой уровень может вести и обработку ошибок. Стандарт на протокол передачи содержит рекомендации X.25/3 МККТ.

Уровень 4 – Транспортный

Делается для пользователей и исполнителей транспортного сервиса в открытых системах связи. Протокол освобождает пользователя от изучения всех функций коммутации, маршрутизации и селекции информации т.к. обеспечивает сквозное управление движением пакетов между этими процессами. Важную роль на транспортном уровне играет механизм окна, дающий право отправителю передать получателю без подтверждения несколько (до 8) блоков данных. По окончании передачи получатель подтверждает получение блоков данных или сообщает об ошибках в них. Процедура выполнения этой функции именуется механизмом окна. Стандарт на транспортный протокол ECMA-72. Содержит процедуры 5 классов.

Уровень 5 – Сеансовый

Обеспечивает обмен блоками данных между объектами прикладного уровня. С этой целью протокол выполняет большое число функций: 10 по организации передачи и 3 по синхронизации процедур взаимодействия. Стандарт ECMA-75 определяет 4 класса сервиса: A – D.

Уровень 6 – Представительский

Осуществляет интерпретацию данных. Анализируется представление символов, формат страниц, графическое кодирование.

При управлении экраном терминала реализуются и другие функции:

• чистка экрана

• обозначение на экране наиболее важных полей с помощью мерцания и т.д.

Европейская Ассоциация Производителей ЭВМ разработала 4 взаимосвязанных стандарта ECMA-86 (основные принципы для 6-го уровня протоколов обмена). Один стандарт ECMA-84 (протокол обобщенного виртуального терминала). И один стандарт ECAM-88 (протокол базового класса виртуального терминала).

Уровень 7 – Прикладной

Реализует все функции, которые не могут быть приписаны нижнему уровню. На этом уровне ISO рассматривает следующие протоколы:

• FTAM – передача и управление файлами

• JTM – передача и обработка заданий

• VTSP – виртуальный терминальный сервис

В основу FTAM положен принцип виртуального файлового хранилища, который обеспечивает стандартный независимый от конкретной ЭВМ способ описания структуры файлов и их характеристик.

JTM – базируется на удаленном вводе и выводе информации, использующей внешние устройства различных ЭВМ.

VTSP – предназначен для обеспечения взаимодействия пользователей, расположенных у терминалов, с прикладными процессами, находящимися в различных ЭВМ.

Аппаратно-программные средства, реализующие 7-уровневую модель OSI

Для организации взаимодействия компьютерных сетей, в том числе и ЛВС, используются следующие аппаратно-программные средства. Общее правило взаимодействия состоит в том, что их связь выполняется на первом аналогичном для них уровне.

Например: Если уровень 1 и 2 в сетях различны (физический и канальный), а уровни 3 и выше одинаковы, то соединение делается на 3-м уровне.

Типы устройств:

1. Усилители или Ретрансляторы – эти устройства называются так, если используются на уровне 2 (канальном). Усилители - если длина сети превышает максимально возможную длину сегмента сети, необходимо разбить сеть на несколько сегментов (до 5), соединив их через усилитель. Усилитель обеспечивает восстановление пакетов в сети, передаваемых их одного сегмента в другой (сеть Ethernet).

2. Концентраторы – объединяют все входящие в сеть компьютеры. Активный концентратор содержит усилитель для подключения 4,8,16,32-х станций. Пассивный концентратор представляет собой разветвленное устройство на 3 рабочие станции без усилителя. Максимальное расстояние до рабочей станции 100м. Скорость передачи информации – 10МБит/с.

3. Коммутаторы – многопортовое устройство, обеспечивающие высокоскоростную коммутацию пакетов между портами. Коммутатор предоставляет каждому устройству (серверу, компьютеру) подключенному к одному из портов всю полосу пропускания сети. В отличие от концентраторов, коммутаторы передают пакты только целевому устройству. Конструируются для поддержки 10 и 100Мбит/с. Имеют автоматическую настройку скорости.

4. Мост – соединение 2-х сетей, которые имеют физические и канальные различия на уровнях 1 и 2, и соответствуют 3-му уровню связи. При этом все, что находится выше уровня связи 3, должно быть одинаково. Представляют собой аппаратно-программные комплексы, которые соединяют ЛВС между собой, а также ЛВС и удаленные рабочие станции. Обычно определяются как соединение между 2-мя сетями, которые используют одинаковый протокол взаимодействия, одинаковую среду передачи одинаковую структуру адресации.

Существует 3 основных типа мостов:

• внутренний / внешний

• выделенный / совмещенный

• локальный / удаленный

Внешний – располагается на рабочей станции, которая не загружена функциями файлового сервера.

Внутренний – располагается на файловом сервере.

Совмещенный – и как мост и как рабочая станция одновременно.

Локальный мост – передает данные между сетями на расстоянии в пределах ограничения кабеля. Применяется в следующих случаях:

1. - разделение больших сетей на подсети

- с целью увеличения быстродействия

- уменьшение стоимости кабеля, т.к. малая сеть быстрее

2. Расширение физических возможностей сети, когда есть необходимость подключить несколько дополнительных узлов, PC, дополнительный файловый сервер.

3. Объединение сети в inter сеть, чтобы одна сеть могла пользоваться информацией другой сети.

Удаленный мост – применяется, когда расстояние не позволяет соединить сети посредством кабеля, если ограничение по длине кабеля превышено. Использует промежуточную среду передачи (телефонные линии).

5. Маршрутизаторы – устройство, которое связывает 3 нижних уровня, устанавливая соединение на 4-ом идентичном уроне (транспортном). При этом уровни 5,6,7 должны быть одинаковыми. Имеет 2 секции, каждая их которых передавать, принимать и обрабатывать информацию. Если линия связи между сетями выходит из строя, то маршрутизаторы могут передавать сообщения другому маршрутизатору по другому маршруту. Маршрутизатор может также выполнять балансировку нагрузок, передавая часть потока сообщений из одной линии связи в другую, чтобы уравновесить потоки сообщений идущие через них. Маршрутизаторы зависят от уровня протоколов. В отличии от мостов и коммутаторов, которые работают на 2-м уровне, маршрутизаторы работают на 3-м и 7-м уровне модели OSI. Производительность пропорциональна его стоимости (обычно). Т.к. маршрутизатор работает на основе протокола, он принимает решение о наилучшем маршруте доставки данных, исходя из стоимости и скорости доставки. Кроме того, он управляет трафиком доставки в широковещательном режиме работы.

6. Шлюз – устройство, которое используется для соединения 2-х сетей. Они выполняют протокольные преобразования для всех уровней каналов связей и передают сообщения между уровнями, различающимися систем.

Например: если маршрутизатор манипулирует решениями по передаче пакетов данных из одной сети в другую, то шлюз выполняет более сложную задачу. Он не только выполняет функцию маршрутизатора, но и может преобразовывать сообщения из одного пакетного формата в другой. Или из одной системы кодирования в другую. Чем выше уровень иерархии взаимной связи систем, тем более эта задача усложняется и для ее выполнения требуется более мощный процессор. При прочих равных условиях шлюз пропускает информацию медленнее, чем маршрутизатор, который в свою очередь работает медленнее, чем мост. Этот факт наводит на мысль, что оптимальная стратегия состоит в том, чтобы использовать соединения самого нижнего уровня, т.е. на уровне физической среды каналов связи.