Сетевые технологии

электронной почты и сетевое управление. Прикладной уровень передает запросы программ и данные на уровень представления. Характерными примерами протоколов прикладного уровня являются FTP, X400, SNMP, Telnet и целый ряд других.

Уровень представления данных, или представительский уровень (Presentation layer) осуществляет преобразование данных прикладного уровня к виду, "понятному" для нижних уровней, а также упаковку и кодирование информации с помощью таких протоколов, как

XDR, ASN1, DES и др.

Сеансовый уровень (Session layer) отвечает за установку и прекращение сеанса связи в сети, синхронизацию передачи пакетов и осуществление диалога, восстановление пакетов, утерянных при передаче, а также (совместно с транспортным) имеет функции контроля и управления.

Транспортный уровень (Transport layer) кроме упомянутых функций принимает данные от сеансового уровня и разбивает их на порции меньшего размера для сетевого уровня, а также выполняет функцию мультиплексора. Среди протоколов транспортного уровня можно выделить

SPX, TCP и UDP.

Три нижних уровня модели OSI часто называют "подсетевыми" (subnet). Именно они отвечают за передачу пакетов от источника к месту назначения. Фактически, на таких вспомогательных сетевых узлах, как маршрутизаторы, повторители и концентраторы, работают только три эти уровня, поскольку никакие прикладные задачи на них не выполняются.

Сетевой, или пакетный уровень (Network layer) занимается определением адресов (или преобразованием логических адресов узлов сети в физические адреса), определением маршрута передачи пакетов, а также определением размера порции передачи данных по сети, контролем перегрузки сети, установлением и поддержкой связи. Протоколы этого уровня делятся на два класса: протоколы разрешения адресов и протоколы маршрутизации. Наиболее распространенные среди них – IP, ARP, IPX.

Канальный уровень (Data link layer) осуществляет создание, передачу и получение пакетов. На этом уровне из данных сетевого уровня создаются специальные пакеты (кадры), соответствующие используемой архитектуре сети, после чего они передаются на физический уровень и пересылаются к месту назначения. В качестве примера протокола канального уровня можно привести протокол HDLC.

Самый нижний уровень модели – физический (Physical layer). В системе-источнике он получает пакеты данных с канального уровня и преобразует их в серии электрических сигналов, представляющих 0 или 1. Эти сигналы распространяются по физическим линиям связи. Получив их, физический уровень системы-приемника опять преобразует их в двоичные значения, которые группируются в пакеты и передаются на канальный уровень, работа на котором зависит от типа используемой среды передачи данных (типа кабеля и т.п.). На этом уровне используются такие протоколы,

как X21, Ethernet и др.

11

Из семиуровневой модели видно, что "напрямую" взаимодействовать два прикладных процесса не могут (даже если пользователю кажется, что все происходит именно так): для взаимодействия необходимо спускаться и подниматься по лестницам уровней, используя стек протоколов выбранного семейства (IPX/SPX, TCP/IP и т.п.).

1.4.2. Четырехуровневая модель

Кроме справочной модели OSI ISO существует еще одна модель, разработанная преимущественно для глобальных сетей и зафиксированная в серии документов RFC (Request for Comment), описывающих внутреннюю работу сетей Internet и стандарты стека протоколов TCP/IP. В связи с этим такую модель часто называют TCP/IP-моделью.

TCP/IP-модель была разработана по инициативе Министерства обороны США более 20 лет в рамках Оборонного агентства по передовым исследовательским проектам (Defense Advanced Research Projects Agency

— DARPA). В качестве части данных исследований компьютерные сети, находящиеся в большом числе университетов и других научных учреждений, были объединены с сетями DARPA. Получившаяся в результате глобальная сеть, известная как ARPANET, в настоящее время расширена за счет возможности интеграции в нее разнородных сетей, разработанных другими правительственными агентствами. Объединение таких сетей сегодня известно под названием Internet.

Набор протоколов TCP/IP включает в себя как протоколы сетевых уровней, так и протоколы поддержки приложений. Поскольку стек TCP/IP сегодня весьма широко распространен, многие из TCP/IP протоколов были использованы как базис для стандарта ISO. Более того, так как все спецификации протоколов TCP/IP являются открытыми и не требуют для использования оплаты каких-либо лицензий, они широко используются для создания сетевого окружения открытых систем. Тем не менее, на практике существует два основных стандарта открытых систем – стек TCP/IP и ISO. Модель TCP/IP содержит четыре уровня.

IV уровень (уровень сетевого интерфейса) – самый нижний – соответствует физическому и канальному уровням модели OSI.

III уровень (уровень межсетевого взаимодействия) соответствует сетевому уровню семиуровневой модели и занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий, а также составлением и модификацией таблиц маршрутизации.

II уровень (транспортный, или основной) включает в себя транспортный и сеансовый уровни в терминах ISO. Он "обращается" к межсетевому уровню, посылает и получает данные.

I уровень – последний –– уровень прикладных программ, объединяющий уровень представления данных и прикладной уровень.

На рис. 1.1 показаны некоторые из стандартов, связанных со стеком TCP/IP. Как можно заметить, поскольку стандарт TCP/IP разрабатывался

12

одновременно с ISO, он не содержит специальных протоколов, соответствующих каждому из уровней модели ISO. Более того, методология спецификации, используемая для стека TCP/IP, отличается от принятой в стандарте ISO. Тем не менее, большинство возможностей, соответствующих уровням ISO, включено в TCP/IP.

Пользовательские / прикладные процессы

LAN / WAN

Рис. 1.1. Стек протоколов TCP/IP

Приблизительное соответствие уровней моделей OSI ISO и TCP/IP показано в табл. 1.1.

13

Несмотря на то, что долгое время модель TCP/IP имела достаточно узкое применение, находясь "в тени" семиуровневой схемы, сегодня она приобретает все большую популярность. Ее актуальность связана прежде всего с распространением и развитием сетевых технологий internet/intranet, базирующихся на стеке протоколов TCP/IP, а также с более точным отражением процесса сетевого взаимодействия. В большинстве современных публикаций именно четырехуровневая модель принимается в качестве основы.

1.5. Стандарты открытых систем

Справочная модель ISO была составлена просто как образец структуры коммуникационной подсистемы, на котором могут быть основаны стандарты функционирования каждого уровня. Это не означает, что с каждым из уровней должен быть связан один единственный протокол. Скорее, с каждым из уровней связано множество стандартов, отражая различные слои функциональности. Для специфической среды взаимодействия открытых систем, такой как связь многочисленных основанных на компьютерах систем на автоматизированном предприятии, определен набор стандартов для использования всеми системами в данной среде.

Существуют три важнейшие международные организации, активно занимающиеся производством стандартов компьютерных коммуникаций. Это ISO, американский Институт электрических и электронных разработок

(Institute of Electrical and Electronic Engineers — IEEE) и сектор телекоммуникаций Международного союза телекоммуникаций (International Telecommunications Union – Telecommunications Sector — ITU–T), бывший Международный телеграфный и телефонный консультативный комитет

(International Telegraph and Telephone Consultative Committee — CCITT).

Кратко говоря, ISO и IEEE производят стандарты для производителей вычислительной техники, тогда как ITU-T определяет стандарты соединительного оборудования для различных типов национальных и международных общественных сетей. Поскольку все более увеличивается степень взаимного "перекрывания" компьютерной и телекоммуникационной индустрии, постольку растет и уровень взаимодействия между организациями, разрабатывающими стандарты.

Для случая использования стандартов ISO/ITU-T, ряд стандартов ассоциирован с каждым из уровней (рис. 1.2). Все вместе они дают возможность выбора наиболее подходящего множества стандартов для приложения. Результирующее множество протоколов называется

профилем взаимосвязи открытой системы (open system interconnection profile). Число таких профилей включает следующие: TOP – множество протоколов для использования в техническом и деловом окружении, MAP – для использовании при автоматизации предприятий, GOSIP – для использования преимущественно в правительственных

14

проектах и простейший набор, используемый в Европе и известный как функциональные стандарты CEN. Последний определен Группой разработки и применения стандартов (Standards Promotion and Application Group – SPAG), объединяющей 12 европейских компаний.

Рис. 1.2. Стандарты открытых систем

Как показывает рис. 1.2, три нижних уровня различны для различных типов сетей. ITU-T определил стандарты V-, X- и I-серий для использования с сетями с общей несущей (public carrier networks). V-серии предназначены для существующих коммутируемых телефонных линий (Public Switched Telephone Networks – PSTN), Х-серии предназначены для существующих сетей передачи данных (Public Switched Data Networks – PSDN), а I-серии – для появляющихся цифровых сетей единого сервиса (Integrated Service Digital Networks – ISDN).

15

2.ПРОТОКОЛЫ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

2.1.Протоколы физического и канального уровней

2.1.1.Функции физического и канального уровней

Вкачестве нижних уровней модели взаимодействия открытых систем рассмотрим канальный и физический.

Физический уровень, как уже упоминалось, обеспечивает механические, электрические, функциональные и процедурные средства для активации, поддержки и разрыва физических соединений между узлами. Физический уровень состоит из двух подуровней:

– подуровня, не зависящего от физической среды (Physical Media Independent – PMI);

– подуровня, зависящего от физической среды (Physical Media Dependent – PMD).

Подуровни связаны посредством независимого от среды интерфейса

(Media Independent Interface – MII). Подуровень PMD через интерфейс, зависящий от физической среды (Media Dependent Interface – MDI),

сопряжен с устройством физического уровня (Physical Layer Device – PHY). Модель OSI не определяет какие-либо стандарты для физического уровня.

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных с физического уровня на сетевой и выполняет управление потоками данных

икоррекцией ошибок, возникающих на физическом уровне. Стандарт комитета IEEE разделяет канальный уровень на два подуровня –

подуровень управления логическим линком (Logical Link Control – LLC) и подуровень управления доступом к среде (Media Access Control – MAC) (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Соответствие нижних уровней модели OSI уровням IEEE и стандартам серии 802.Х

16

Характерными примерами протоколов, функционирующих на рассматриваемых нижних уровнях модели взаимодействия открытых систем являются протоколы HDLC и X.25.

2.1.2. Протокол HDLC

Протокол управления каналом связи высокого уровня (High-Level Data Link Control Protocol – HDLC) был разработан ISO на базе протокола SDLC

фирмы IBM, который был первым из протоколов канального уровня, базирующихся на синхронном бит-ориентированном режиме работы. По сравнению с синхронным ориентированным по символам и синхронным с организацией счета байтов протоколами, бит-ориентированные синхронные протоколы являются более эффективными и гибкими и, очень часто, – более быстродействующими.

НDLC идентифицирует два типа сетевых узлов:

–первичные, которые управляют работой других станций (называемых вторичными), опрашивая их в заранее заданном порядке, после чего вторичные узлы могут передавать, если у них имеются исходящие данные. Первичный узел также устанавливает каналы, завершает их работу и управляет каналом во время его функционирования;

–вторичные, которые управляются первичным узлом. Вторичные узлы могут только отсылать информацию в первичный узел, но не могут делать этого без получения разрешения от первичного узла.

Первичные и вторичные узды НDLC могут быть соединены в соответствии со следующими четырьмя основными конфигурациями:

–Point-to-point (двухточечная), предполагающая только два узла: один первичный и один вторичный;

–Multipoint (многоточечная), включающая в себя один первичный и множество вторичных узлов;

–Loop (контур), подразумевающая топологию контура, когда первичный узел соединяется с первым и с последним вторичными узлами, при этом промежуточные вторичные узлы, отвечая на запросы первичного узла, передают сообщения друг через друга;

–Hub go-ahead (готовый вперед), предполагающая наличие входного

ивыходного каналов. Первичный узел использует выходной канал для связи со вторичными узлами. Вторичные узлы используют входной канал для связи с первичным. Входной канал соединяется с первичным узлом через каждый вторичный по схеме гирляндной цепи.

Формат блока данных протокола HDLC представлен на рис. 2.2.

18

Поле Флаг является структурой-ограничителем блока.

Поле Адрес всегда содержит адрес вторичного узла, задействованного в текущей связи. Так как первичный узел является либо источником связи, либо пунктом назначения, нет необходимости включать его адрес – он заранее известен всем вторичным узлам.

Управляющее поле использует три разных формата в зависимости от использованного типа блока данных НDLC:

–информационные блоки данных (Information (I) frames),

содержащие информацию высших уровней и определенную управляющую информацию, необходимую для работы с полным дублированием;

–блоки данных супервизора (Supervisory (S) frames), которые обеспечивают управляющую информацию, запрашивают и приостанавливают передачу, сообщают о состоянии и подтверждают прием блоков данных "I";

–непронумерованные блоки банных (Unnumbered (U) frames),

являющиеся неупорядоченными. Они могут иметь информационное поле и используются для управляющих целей.

Поле FCS (Frame Check Sequence – последовательность проверки блока данных) является остатком расчета проверки при помощи циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Check – CRC). Расчет CRC выполняется повторно получателем. Если результат отличается от значения, содержащегося в блоке данных отправителя, считается, что имеет место ошибка.

Протокол HDLC обеспечивает следующие три режима передачи:

–режим нормальной ответной реакции (NRM), в котором вторичные узлы не могут иметь связи с первичным узлом до тех пор, пока первичный узел не даст разрешения;

–режим асинхронной ответной реакции (ARM), позволяющий вторичным узлам инициировать связь с первичным узлом без получения разрешения;

–асинхронный сбалансированный режим (ABM), в котором появляется "комбинированный" узел, который, в зависимости от ситуации, может действовать как первичный или как вторичный узел. Все связи режима АВМ имеют место между множеством комбинированных узлов. В окружениях АВМ любая комбинированная станция может инициировать передачу данных без получения разрешения от каких-либо других станций.

2.1.3. Протокол X.25

Семейство протоколов Х.25 определяет интерфейс взаимодействия между узлами сети (т.е. подключенными к ней компьютерами или мостами) и сетевым оборудованием. Одни из первых стандартизованных протоколов, они были предназначены для низкоскоростных коммуникаций (56/64 Кбайт/с), однако широко используются и в настоящее время, в том числе в ISDN.

19

Х.25 работает на трех нижних уровнях OSI. Физический уровень описывается протоколами Х.21 и Х.21bis. X.21bis обеспечивает двухточечные связи, скорости до 19.2 Кбит/с и синхронную передачу с полным дублированием через четырехпроводной носитель.

Протокол канального уровня подразделяется на две процедуры – одноканальную и многоканальную. Одноканальная процедура (LAP-B) используется для формирования и разрыва логического канала, передачи кадра и коррекции ошибок. Протокол LAP-B является модификацией протокола HDLC и имеет тот же самый формат и такие же типы блоков данных. Однако в отличие от HDLC, LAP-B обеспечивает только один режим передачи ABM, поэтому он подходит только для комбинированных станций.

Многоканальная процедура включена в Х.25 недавно и позволяет работать с несколькими соединениями между узлами и сетью. Она полностью совместима с ранее утвержденными стандартами протокола. Эта процедура добавляет к каждому пакету 3-го уровня дополнительные управляющие поля. На третьем уровне функционирует пакетный протокол, работающий с постоянными и коммутируемыми виртуальными каналами.

X. 25 содержит обнаружение и исправление ошибок, требуемые для совместимости с более старыми средствами передачи. X. 25 был первоначально разработан, чтобы использоваться в линиях связи с высоким уровнем шума. Однако, сегодня, при возможности использования помехоустойчивого волоконно-оптического кабеля это требование перестает быть актуальным. Кроме того, протокол LAP-B использует прямой метод для обеспечения надежной передачи данных. Основа этого протокола – нумерация всех передаваемых пакетов. Приемник ищет соответствующую последовательность пронумерованных пакетов, которые должны быть получены, и подтверждает каждый правильно полученный пакет. Как только получен пакет с несоответствующим номером (например, за пакетом 2 следует пакет 4, а пакет 3 отсутствует), передатчику посылается информация о необходимости повторной передачи пакета. Создаваемая таким образом задержка передачи не удовлетворяет требованиям к скорости обмена такими видами информации, как речь и т.п.

Одно из преимуществ X. 25 – функция формирования очереди, когда вся пропускная способность загружена. X. 25 имеет очередь, или "буфер", который сохраняет все пакеты, которые должны быть посланы. В случае, когда скорость поступления пакетов в буфер больше, чем максимально возможная скорость передачи пакетов по каналу, протокол X.25 позволяет хранить пакеты в течение времени, пока будет передано большее число пакетов. Некоторые из более новых технологий не поддерживают эту функцию формирования очереди и удаляют пакеты, когда скорость передачи данных для канала недостаточна, чтобы осуществить передачу входящих данных без задержек. Другим преимуществом X. 25 является возможность присвоения пакетам приоритетов.

20