2.3 Организация обмена информацией в сети.

Глобальные сети (ГС) подразумевают практически неограниченное число потенциальных абонентов, а также неограниченное расстояние между ними. Для глобальной сети важнее всего именно факт наличия связи, а не её качество. Конечно, данные должны передаваться безошибочно, но вот скорость передачи здесь отступает на второй план. В глобальных сетях допускается возможность большого количества ошибок, но предусматриваются совершенные механизмы их исправления. Типичное ОПД в ГС – модем и специальное оборудование для ГС.

В состав глобальной сети входят как отдельные компьютеры, так и локальные сети. Наиболее известной и доступной глобальной сетью является Internet.

Соединяющее ЛС и ГС или ЛС между собой оборудование - компьютер или устройство, к которому физически подключены ООД для ГС и ЛС, называется мостом (bridge).

Что касается локальных сетей (ЛС), связывающих относительно небольшое, заранее ограниченное количество компьютеров (от 3-5 до нескольких сотен), то здесь связь нужна быстрая, надёжная, удобная, так как локальная сеть обычно используется для разделения ресурсов и при этом исправление ошибок может свести на нет весь выигрыш в скорости передачи. Типичное ОПД в ЛС – сетевые платы.

Для организации обмена информацией каждый компьютер в сети должен иметь уникальный идентификатор – сетевой адрес. Передаваемые по сети данные и сопровождающая их управляющая информация, включающая в себя сетевые адреса компьютера-отправителя и компьютера-получателя особым образом упаковываются в структуру, называемую пакетом. Для того, чтобы осуществить доставку пакета от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю, кроме задания сетевых адресов необходимо также, чтобы отправитель и получатель придерживались одного и того же определённого набора правил, регламентирующих структуру данных и порядок упаковки и разборки пакетов. Описанный набор правил называется сетевым протоколом.

Если локальная сеть состоит из связанных между собой мостами нескольких ЛС или входит в состав глобальной сети, то возникает задача определения рационального пути (маршрута) при передаче пакета от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю. Например, при передаче пакета между компьютерами локальной сети, входящей в глобальную, пакет не должен выходить за пределы локальной сети. Данная задача решается компьютером со специальным ПО или устройством, называемым маршрутизатором (router) или шлюзом (gateway). Как правило, мост является также и маршрутизатором.

2.4 Модель архитектуры открытых систем.

На ранних этапах развития компьютерных сетей процесс передачи и приема данных имел много неоднозначностей из-за того, что все крупные производители компьютеров и сетевого оборудования имели несовместимые закрытые стандарты для соединения компьютеров. Это приводило к тому, что приложения, работающие на различных платформах от различных поставщиков, не имели возможности обмениваться данными через сеть. Поставщики, пользователи и организации по стандартизации нуждались в разработке и применении стандартной архитектуры, которая позволила бы компьютерным системам обмениваться информацией, даже если они используют программное обеспечение и оборудование различных производителей.

В 1978 г. Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) ввела новую модель, называемую моделью архитектуры открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Это являлось первым шагом, предпринятым для стандартизации различных протоколов, применяемых для соединения по сети в международном масштабе.

Модель OSI обладает следующими особенностями:

1) является стандартом передачи данных, позволяющим системам различных производителей устанавливать сетевые соединения;

2) состоит из семи уровней со специфическим набором сетевых функций, определенных для каждого уровня, и включает описания межуровневых интерфейсов;

3) определяет набор протоколов и интерфейсов для применения на каждом уровне.

Каждый уровень OSI существует как независимый модуль. Принципы, которыми руководствовались разработчики OSI, перечислены в следующем списке:

1) каждый новый уровень модели появляется только тогда, когда требуется новый уровень абстракции;

2) каждый уровень должен выполнять определенную функцию;

3) функция каждого уровня должна быть выбрана с точки зрения определения международных стандартизованных протоколов;

4) границы уровня должны быть выбраны таким образом, чтобы информационный поток через интерфейс был минимален;

5) количество уровней должно быть достаточным, чтобы существовала возможность распределения функций, но и не слишком большим, чтобы сохранить стройную и легкую для восприятия архитектуру.

Рассмотрим уровни модели OSI (в порядке упрощения).

- Уровень приложения (7) осуществляет управление сервисом: прикладная программа, которой нужно выполнить конкретную задачу (например, обновить базу данных, хранящуюся на файл-сервере) посылает конкретные данные на прикладной уровень. Одна из основных “обязанностей” этого уровня – определить, как следует обработать запрос прикладной программы.

Функции, выполняемые уровнем приложения:

- разделение ресурсов и перенаправление устройств;

- удаленный доступ к файлам;

- удаленный доступ к принтерам;

- поддержка межпроцессных коммуникаций;

- поддержка удаленных вызовов процедур;

- сервисы каталогов;

- передача электронных сообщений, включая электронную почту (e-mail);

- эмулирование виртуальных терминалов.

- Уровень представления данных (6): осуществляет сборку пакета данных: на передающем компьютере преобразует данные из форматов, посылаемых уровнем приложения, в общепринятую структуру пакета.

Функции, выполняемые уровнем представления:

- трансляция символов в коды;

- преобразование данных;

- сжатие данных;

- шифрование данных.

- Уровень сеанса (5): устанавливает связь или сеанс между процессами, работающими на различных компьютерах, и может поддерживать передачу данных в режиме сообщений.

Функции, выполняемые уровнем сеанса:

- регистрация уникальных идентификаторов – адресов для процессов и преобразование адресов процессов в адреса сетевого уровня или уровня канала при необходимости;

- установление, контроль и окончание сеанса по виртуальной сети между двумя процессами, которые определяются своими адресами. Сеанс виртуальной сети – это логическое прямое соединение между передающим и принимающим компьютером (реально соединение может быть установлено через несколько физических сетей);

-определение границ сообщений с помощью информации заголовка сообщения, показывающей, где начинается сообщение и где оно заканчивается. Таким образом, уровень сеанса принимающего компьютера может ждать прихода всего сообщения перед тем, как передавать его на более высокий уровень;

- cигнализация принимающему приложению в случае, если сообщение принято не полностью.

- Транспортный уровень (4): гарантирует доставку сообщений в том порядке, в котором они были посланы. Он также гарантирует отсутствие потерь или дублирования информации. Этот уровень берет на себя заботу о передаче данных между более высокими уровнями на передающем и принимающем компьютерах, что дает возможность протоколам более высокого уровня не заниматься проблемами передачи данных.

Если протоколы уровней ниже транспортного устанавливают связь только между компьютером и его непосредственными соседями (находящимися в той же подсети), то транспортный протокол и протоколы более высокого уровня являются протоколами “источник-пункт назначения”. Они не работают с детальной информацией о том, как данные были переданы по сети.

Программное обеспечение для транспортного и более высоких уровней на передающем компьютере ведет диалог с одноименным программным обеспечением такого же уровня на принимающем компьютере, используя заголовки сообщений и управляющие сообщения (control messages).

Функции, выполняемые транспортным уровнем:

- прием сообщений с вышележащего уровня и, при необходимости, разбивка их на фреймы;

- обеспечение надежной и гарантированной доставки сообщений и подтверждения успешного приема;

- управление передающим компьютером с помощью команд на прекращение передачи, в случае нехватки буферов приема на принимающем компьютере;

- мультиплексирование нескольких потоков сообщений между процессами или сеансами в одном логическом соединении и поддержка четкого определения принадлежности данного сообщения определенному сеансу.

- Сетевой уровень (3): контролирует работу подсети. Он определяет, какой физический путь должны пройти данные, основываясь на состоянии сети, приоритете сервиса и других данных.

Функции, выполняемые сетевым уровнем:

- передача фрейма маршрутизатору в том случае, если сетевой адрес пункта назначения не находится в той же подсети, что и передающий компьютер;

- контроль трафика (количества передаваемых данных) подсети, чтобы промежуточная система могла дать передающему компьютеру сообщение о прекращении передачи фреймов, если приемные буферы маршрутизатора заполнены. Если маршрутизатор занят, сетевой уровень должен дать передающей станции сообщение об использовании альтернативного маршрута;

- управление фрагментацией фреймов. Сетевой уровень позволяет маршрутизатору фрагментировать фрейм, если максимальный допустимый размер передаваемого блока (Maximum Transmission Unit, MTU) в той сети, куда он должен направить данный фрейм, меньше размера поступившего фрейма. Фрагменты будут собраны заново на принимающем компьютере;

- при необходимости установление однозначной связи логического адреса компьютера на сетевом уровне с физическим адресом сетевой карты на уровне канала данных;

- учет количества переданных фреймов.

- Уровень канала данных (2): обеспечивает безошибочную передачу фреймов данных от одного компьютера к другому для более высоких уровней через физический уровень.

Функции, выполняемые канальным уровнем:

- установление и разрыв связи (виртуальное соединение в сети) между двумя компьютерами, определяемыми физическими адресами сетевых адаптеров;

- контроль потока фреймов путем пересылки передающему компьютеру инструкции прекращения передачи;

- последовательная передача и прием фреймов;

- отправка подтверждения или ожидание подтверждения приема фрейма, инициализация повторной передачи неподтвержденных фреймов при возникновении ошибок на физическом уровне;

- управление доступом в передающую среду путем определения подходящего момента передачи;

- определение границ фреймов;

- проверка правильности данных в принятых фреймах для подтверждения успешного получения пакета;

- анализ адреса пункта назначения для каждого принятого фрейма и выяснение, должен ли данный фрейм быть направлен на более высокий уровень.

- Физический уровень (1): контролирует путь, по которому поток битов данных пересылается и принимается из физической среды передачи. Уровень определяет электрический, оптический или механический интерфейс для среды передачи. Он принимает сигналы и преобразует их в цифровые данные, обрабатываемые всеми более высокими уровнями.

Функции, выполняемые физическим уровнем:

- преобразование фрейма в кадр, пригодный для передачи по физической среде и обратное преобразование;

- распознавание момента для передачи и приема кадра в физической среде;

- определение границ фрейма.

Рассмотрим поток данных модели OSI (Рисунок 1)

Рисунок 1. Поток данных модели OSI.

Передающий процесс передает данные (DATA) на уровень приложения, который присоединяет соответствующий заголовок (Application Header, AH) и затем передает полученную структуру на уровень представления.

Уровень представления преобразует данные в пакет и добавляет заголовок. Затем пакет передается уровню сеанса. Процесс повторяется от уровня к уровню до тех пор, пока фрейм не достигнет уровня канала данных. Здесь помимо заголовка, предназначенного для помощи в передаче фрейма, добавляется завершающий блок или “хвост” (Data Tail, DT) который применяется для синхронизации. Затем фрейм передается вниз, на физический уровень, где осуществляется его преобразование в кадр и фактическая отправка на компьютер, являющийся конечным пунктом назначения. На принимающем компьютере заголовки и завершающие блоки, относящиеся к определенным уровням, отделяются один за другим по мере того, как фрейм переходит от уровня к уровню вверх и достигает принимающего процесса.

Функции уровней заключаются, в основном, в предоставлении сервиса смежным уровням. Установление связей между сетевыми компонентами на различных уровнях, чтобы дать им возможность обмениваться информацией, называется связыванием (binding). Сервисы, которые обеспечиваются компонентом, могут разделяться всеми связанными с ним компонентами.