17. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

С целью создания единой концепции обмена данными в распределенных ИС Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) была разработана в 1984 году эталонная модель OSI – взаимосвязи открытых систем (Open Systems Interconnection).

Эта модель была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей за предшествующий период. С точки зрения одного из компьютеров распределенной системы, все другие входящие в нее машины являются удаленными вычислительными системами.

Теоретической основой сетевого взаимодействия удаленных систем является общеизвестная модель взаимодействия открытых систем OSI/ISO,

В модели OSI процесс взаимодействия двух сторон подразделяется на 7 уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, прикладной, представительский. Каждый уровень отвечает за один аспект взаимодействия и предоставляет интерфейс для работы с вышестоящим уровнем

Правила взаимодействий в открытых системах определяются стандартными протоколами.

В сетях наиболее распространенного стека протоколов TCP/IP:

- протокол TCP - протокол транспортного уровня,

- протокол IP – протокол сетевого уровня.

Обеспечение интерфейса к транспортному уровню в настоящее время берет на себя сетевая компонента операционной системы, предоставляя обычно основанный на сокетах интерфейс для верхних уровней.

Сокеты обеспечивают примитивы низкого уровня для непосредственного обмена потоком байт между двумя процессами.

Стандартного представительского или сеансового уровня в стеке протоколов TCP/IP нет, иногда к ним относят защищенные протоколы SSL/TLS.

Интерфейс состоит из набора операций, которые и определяют этот интерфейс. Передача сообщения начинается с прикладного уровня, затем опускается вниз по каждому уровню до физического. На каждом уровне к сообщению в начало добавляется свой заголовок, а иногда и завершение в конец (на физическом уровне, для того, чтобы разделить блоки данных). Когда сообщение доходит до физического уровня, этот уровень выполняет его реальную передачу.

На машине-приемнике выполняется обратное преобразование.

Набор протоколов в модели OSI называется стеком протоколов.

Важно отличать эталонную модель OSI от реальных протоколов. Ее базовые протоколы никогда не были популярны, в отличие от протоколов Интернет, которые используются везде.

Применение модели OSI удобно для рассмотрения правил взаимодействия систем на уровнях и обсуждения реальных протоколов.

Основные функции компьютерной сети реализуются на трех нижних уровнях: физическом, канальном и сетевом.

В модели ISO:

задача передачи информации от одного прикладного процесса (или задачи), функционирующего в компьютерной системе A, другому прикладному процессу в компьютерной системе B, разбивается на семь более мелких иерархических подзадач, называемых уровнями (layers), как показано на рис. 2. Правила организации взаимодействия между соседними уровнями (например, физическим и канальным) называется в модели OSI интерфейсом.

Правила взаимодействия между одинаковыми уровнями в разных узлах (например, между канальным уровнем в компьютерной системе A и канальным уровнем в компьютерной системе B) называются – протоколами. В эталонной модели OSI определены следующие семь уровней сети: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных, прикладной.

Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия компонент сети. Рис. 6. Эталонная модель открытых систем ISO

Физический уровень (Physical Layer) имеет дело с передачей битов, сигналов (0 и 1) по физическим каналам связи, таким как телефонный канал, оптоволоконный кабель или радиоканал. На этом уровне определяются характеристики электрических или оптических сигналов, а также типы разъемов и назначение каждого контакта.

Физический уровень обеспечивает для канального уровня: установление, поддержание и разрыв физического соединения между двумя компьютерными системами, непосредственно связанными между собой с помощью передающей среды.

Таким образом, протоколы этого уровня отвечают за: стандартизацию электрических, механических и сигнальных интерфейсов.

Существует много стандартов физического уровня для разных носителей и линий связи. Например, RS-232, Ethernet, Fast Ethernet, FDDI.

Канальный уровень (Data Link Layer) управляет передачей данных по каналу связи. На физическом уровне просто пересылаются биты. Однако в некоторых сетях линии связи используются совместно. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности передающей среды.

Другой важной задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и исправления ошибок физического уровня. Для этого биты, передаваемых данных группируются в порции, называемые кадрами (дейтаграммами - frames).

Канальный уровень следит за правильной передачи и приёмом каждого кадра. Это делается помещением специальной битовой маски (специальной последовательности битов) в начало и конец каждого кадра для его выделения (маркировки). Также вычисляется контрольная сумма и помещается в кадр. Для обозначения кадров они нумеруются.

Когда кадр приходит по сети, канальный уровень получателя заново вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с переданной контрольной суммой. Если они совпадают, кадр считается правильным, иначе фиксируется ошибка.

Канальный уровень может не только фиксировать ошибки, но и исправлять их, повторно предавая поврежденные кадры. Однако, для обеспечения качественной передачи данных функций канального уровня оказывается недостаточно.

Поэтому в модели OSI решение этой проблемы возлагается на два следующих уровня – сетевой и транспортный. Сетевой уровень (Network Layer)

Играет особую роль в глобальных сетях, содержащих много машин, каждая из которых имеет свои собственные лини связи с другими машинами.

Сетевой уровень обеспечивает связь между двумя любыми компьютерными системами сети, обменивающимися между собой данными.

Отправленное сообщение должно пройти множество сетевых сегментов, на каждом из которых происходит выбор исходящей линии.

Задача выбора оптимального пути называется маршрутизацией данных и является основной задачей сетевого уровня.

Чтобы передать сообщение от отправителя к получателю, нужно пройти несколько транзитных узлов, каждый раз, выбирая подходящий (оптимальный) маршрут.

Наиболее часто в качестве критерия оптимальности маршрута используется минимальное число транзитных узлов, однако выбор маршрута может производиться и по другим критериям, например, времени передачи или надежности передачи.

В настоящее время наиболее популярным сетевым протоколом является не требующий установки соединения протокол Интернета IP (Internet Protocol).

Данные, передаваемые на сетевом уровне, также разбиваются на порции, называемые на этом уровне пакетами, причем каждый пакет может передаваться по своему маршруту.

На сетевом уровне сообщение именуется термином пакет.  

Другим протоколом, который приобретает все большую популярность является протокол с соединением, который называется виртуальный канал на базе сетей АТМ.

Виртуальный канал в АТМ – это непрямое соединение, устанавливаемое от источника к приемнику, возможно проходящее через несколько промежуточных АТМ-коммутаторов.

Набор виртуальных каналов группируется в виртуальный путь (сравним с предопределенным маршрутом между двумя узлами, вдоль которого выстраиваются его виртуальные каналы).