Сетевые протоколы и связанные с ним понятия логической модели взаимодействия открытых систем
Обработка информации в вычислительных сетях требует согласованного выполнения операций в разных узлах сети. Такой распределенный алгоритм называется протоколом. Более формально это понятие определяется так:
Протокол– совокупность правил, регламентирующих формы и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами или процессами.
{ Так устройства или процессы? Обмен информацией происходит между обрабатывающими ее процессами посредством устройств. Между устройствами происходит обмен сигналами, несущими информацию. Но обмен этот, в свою очередь, организуется посредством процессов! Так что и устройства, и процессы. }
Формы и процедуры.Как правило, протокол регламентирует некие структуры данных, чаще всего именуемые кадрами, пакетами и т.д., посредством которых осуществляется обмен, и правила их интерпретации и обработки.
Можно провести аналогию, например, с математическими понятиями, когда определяются, например, числа (натуральные, целые, рациональные, действительные, комплексные), и операции над ними (4 основных арифметических, функции). Продолжая аналогию, вспомним, что из чисел можно формировать более сложные объекты, например, векторы, матрицы и т.д. Эти сложные объекты в свою очередь имеют свои операции, применимые к ним. В свою очередь, эти сложные объекты могут представлять, например, некую систему уравнений, которая имеет некую физическую интерпретацию (токи в участках электрической цепи, координаты небесного тела, распределение электронной плотности около атомов в сложной молекуле, или вероятность наступления беременности у самки носорога), и соответствующий процесс подчинен своим специфическим законам. При этом электронщика, астронома, химика и биолога интересуют в первую очередь законы и свойства объектов своей предметной области, а не то, как складываются комплексные числа или перемножаются матрицы – для этого имеется готовый математический аппарат.
Аналогичным образом, процесс обмена информацией имеет ряд иерархических уровней, на которых взаимодействуют устройства и процессы. Общепринятым языком описания такого взаимодействия является 7-уровневая эталонная логическая модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС, OSI – Open System Interface).
В общем случае ЭМ ВОС выделяет следующие уровни взаимодействия:
Физические связи между элементами (механические, электрические, преобразование сигналов) – физический уровень (управление каналом связи).
Установление, поддержание, разъединение соединений (каналов) – канальный уровень (управление каналом передачи данных).
Маршрутизация, коммутация, адресация информации – сетевой уровень (управление потоками данных).
Управление передачей данных от системы – источника к системе – потребителю (без обработки в промежуточных узлах) – транспортный уровень.
Первые 4 уровня образуют транспортную службу.
Организация и проведение сеансов связи между отдельными процессами – сеансовый уровень.
Первые 5 уровней в совокупности составляют сетевой метод доступа.
Интерпретация и преобразование передаваемых между процессами данных к виду, удобному для обработки процессами – уровень представления данных.
Выполнение прикладных программ, управление терминалами, административное управление сетью – прикладной уровень.
Некоторые уровни или их элементы в конкретной системе могут отсутствовать, если в силу ее специфики соответствующие функции не востребованы. Напротив, в силу той же специфики, уровень может быть разделен на ряд подуровней. В некоторых случаях возможно даже повторное применение того же самого протокола1.
Физический уровень и связанные с ним протоколы реализуются аппаратной частью компьютера и аппаратуры передачи данных.
Канальный уровень реализуется также аппаратной частью под управлением программ операционной системы (MS-DOS – Interlnk/Intersvr; MS Windows – Удаленный доступ и прямое соединение, драйверы устройств и т.д.).
Эти уровни обычно считаются частью базовой сетевой технологии. Различные базовые сетевые технологии подробно рассматриваются в курсе “современные телекоммуникационные технологии для компьютерных сетей” (СТТ).
Вышестоящие уровни, начиная с сетевого, реализуются программным обеспечением и составляют стек телекоммуникационных протоколов.
В данном курсе мы подробно рассмотрим только один такой стек, получивший в настоящее время наибольшее распространение, как в корпоративных сетях, так и в глобальной сети Internet – стек протоколов TCP/IP. К остальным мы будем обращаться только эпизодически, для иллюстрации возможных альтернативных решений.
Система протоколов Internet, известная как стек TCP/IP, разрабатывалась исследовательским подразделением DARPA Министерства Обороны США с 1969 года, и в первом приближении сложилась к началу 1980-х годов.
Изначально она предназначалась для объединения разнородных сетей военного ведомства США, и должна была обеспечить их согласованное функционирование, в том числе и в случае нанесения по США массированного ядерного удара. Отдельные элементы (в том числе целые сети) могут выйти из строя, но оставшаяся сеть должна функционировать. Можно констатировать, таким образом, что создание этой системы протоколов, а на их основе – глобальной сети Internet – один из немногих (если не единственный) положительный результат Холодной войны.