4. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

В логической структуре ИВС принята эталонная модель (ЭСМОС, модель OSI), предполагающая разделение функций передачи информации на семь уровней. Самым высоким уровнем взаимодействия считается уровень взаимодействия прикладных процессов, реализующихся в вычислительных комплексах звеньев управления, самым низким - уровень установления соединения в канале связи.

В общем случае функционирование ИВС представляется в терминах процессов. Процесс − это динамический объект, реализующий собой целенаправленный акт обработки данных. Процессы подразделяются на два класса: прикладные и системные. Прикладной процесс - выполнение прикладной или обрабатывающей программы операционной системы ЭВМ, а также функционирование терминала, т.е. пользователя, работающего на терминале. Системный процесс − выполнение программы (алгоритма), реализующей вспомогательную функцию, связанную с обеспечением прикладных процессов. Примеры системных процессов: активизация терминала для прикладного процесса, организация связи между процессами и др.

Взаимодействие процессов сводится к обмену сообщениями, которые передаются по каналам, создаваемым средствами сети. Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом (сессией). Важно подчеркнуть, что в ЭВМ и вычислительных комплексах взаимодействие процессов обеспечивается за счет доступа к общим для них данным (общей памяти) и обмена сигналами прерывания. В ИВС единственная форма взаимодействия процессов - обмен сообщениями.

Это различие связано с территориальной распределенностью процессов в ИВС, а также с тем, что для физического сопряжения компонентов сети используются каналы связи, которые обеспечивают передачу сообщений, но не отдельных сигналов.

Прикладной (седьмой) уровень является старшим в логической структуре ИВС. Все остальные уровни данной модели существуют только для обеспечения его работы. Задачей прикладного уровня является организация взаимодействия с пользователями сети. Ресурсы пользователей с частью выделенных ресурсов прикладного уровня образуют прикладные процессы, осуществляющие обмен информацией между сетью передачи данных и терминальными комплексами. Объекты прикладного уровня получают от пользователей запросы на установление связи с нужными абонентами, устанавливают наличие этих адресов в адресном пространстве сети, производят первичное кодирование информации пользователя и выдают инструкции на преобразование и передачу исходной информации. На приемной стороне прикладной уровень определяет доступность абонента, идентифицирует его, организует подключение к сети и устанавливает режим взаимодействия. К числу прикладных процессов можно отнести работу операторов на звеньях управления ИВС, работу программного комплекса коррекции баз данных звеньев управления, сбор информации о техническом состоянии объектов управления и технических систем, технологическое управление объектами, выполнение распределенных вычислений в сети ИВС.

Представительный (шестой) уровень предназначен для преобразования данных пользователя, связанного с определением форматов, кодов и структур информации, выдаваемой в сеть передачи данных и обратно - в сторону прикладных процессов. При необходимости объекты уровня осуществляют сжатие данных и их абонентское шифрование. Функции представительного уровня основываются на концепции виртуального устройства, которая позволяет осуществлять подключение к сети любых типов терминального оборудования, с любыми типами операционных сред и организовывать прикладные процессы заданной конфигурации с различными типами пользователей.

Сеансовый (пятый) уровень предназначен для организации сеансов связи между пользователями. По информации представительного уровня о характеристиках информации обмена объекты сеансового уровня определяют объем сеанса, интервал времени, необходимый для его проведения, резервируют буферную память, проводят структуирование информации пользователя и оформление ее в логическое сообщение - блок данных пятого уровня (фрагмент). При установлении сеанса объекты уровня производят идентификацию сеансов, выбор сеансовых процедур, подбор параметров, используемых в диалоге. В процессе обмена сеансовый уровень следит за полнотой проведения сеанса, контролирует ограничения по объему и продолжительности сеансов.

Транспортный (четвертый) уровень предназначен для управления процедурами транспортной сети, которая объединяет четыре нижних уровня логической структуры ИВС. Он отвечает за сквозную транспортировку информации в сети передачи данных. Объекты транспортного уровня объединяются в понятие транспортной станции, основными функциями которой являются формирование физических сообщений из исходных логических, поступающих с сеансового уровня, установление и поддержание сквозного канала, управление потоком блоков данных транспортного уровня (сообщений) в нем и контроль целостности передаваемых сообщений.

Сетевой (третий) уровень осуществляет передачу информации через коммуникационную сеть, в которую объединяются три нижних уровня логической структуры. В этой сети реализуется заданный транспортной станцией тип сквозного канала. Объекты сетевого уровня отвечают за распределение информационных потоков в сети, контроль целостности их доставки и предотвращение перегрузок фрагментов сети при возрастании трафика. Блоками данных сетевого уровня являются пакеты. Заголовок каждого пакета снабжается сетевым адресом, то есть адресом удаленной сетевой службы адресата. По этому адресу процедуры маршрутизации промежуточных узлов коммутации рассчитывают оптимальный маршрут движения пакета и выбирают ближайшее направление передачи, входящее в этот маршрут. Если при анализе сетевого адреса пришедшего пакета выясняется, что он предназначен для абонента "своего" звена управления, то включается процедура накопления пакетов и сшивки сообщения.

Канальный (второй) уровень в совокупности со средствами первого уровня образует некоторую дискретную систему, называемую звеном передачи данных (ЗПД). Средства управления ЗПД выполняют основную целевую функцию канального уровня - обеспечение надежной и помехоустойчивой передачи информации по физической линии при соблюдении требуемых ВВХ. Объекты канального уровня реализуют следующие механизмы управления ЗПД:

• формирования из блоков данных третьего уровня, поступивших по интерфейсу "3-2" последовательности блоков второго уровня (кадров) и восстановление исходной последовательности данных на приемной стороне;

• обеспечение защиты кадров от искажений в канале связи путем кодирования информации с использованием помехоустойчивого кода;

• осуществления групповой синхронизации кадров на передающей и приемной сторонах;

• обеспечения прозрачности канала связи с целью реализации для пользователя возможности произвольного выбора первичного кода представления данных;

• управления передачей кадров с целью повышения оперативности их доведения при сохранении требуемой достоверности информации;

• управления потоком данных на уровне канала с целью регулирования скорости передачи кадров (то есть темпа их выдачи), а также устранения последствий потерь и дублирования кадров в канале;

• контроля состояния дискретного канала связи.

Физический (первый) уровень предназначен для переноса потока дискретных сигналов, т.е. последовательности бит {X_i}, в виде которой представляются передаваемые данные, через физическую среду, соединяющую реальные объекты ИВС. Физические соединения могут осуществляться по схеме "точка-точка" либо "точка - много точка" и обеспечивать как последовательную, так и параллельную передачу данных. В любом из этих случаев исходная последовательность бит {Xi} не должна нарушаться. Физические соединения динамически создаются и затем (по завершении сеанса связи) ликвидируются. Физический уровень обеспечивает упорядоченную двустороннюю, поочередную одностороннюю или одностороннюю передачу любых комбинаций битов без изменения их исходной последовательности. Режим работы в канале может быть синхронным и асинхронным. В ИВС применяются различные типы физических каналов, которые разделяются на два класса: каналы с направляющими системами и без направляющих систем. К первому классу относятся кабельные, волноводные, волоконно-оптические каналы, ко второму – различные типы радиоканалов и открытые лазерные каналы.

При организации передачи информации через транспортную сеть в рамках определенного сеанса связи устанавливаются сквозные каналы трех типов: виртуальный, дейтаграммный и волновой. Виртуальный канал характеризуется последовательной передачей пакетов в виде "кортежа" по одному заранее выбранному пути, оптимальному на момент его установления. Коммутацию виртуального канала осуществляют сетевые службы. Дейтаграммный канал основан на создании пучка параллельных путей доведения пакетов до адресата. При этом поступление каждого пакета на узел коммутации вызывает инициализацию процедуры маршрутизации и расчет индивидуального пути, оптимального в данный момент для конкретного пакета. В данном типе сквозного канала существенно возрастает сложность процедур управления потоком. Волновой канал основан на многократном дублировании передаваемого пакета на промежуточных узлах коммутации с рассылкой его по всем исходящим направлениям связи. В этом канале обеспечивается максимально возможная надежность доставки пакета и минимальное время его передачи, так как гарантированно задействуется кратчайший на данный момент времени маршрут. Применение волнового канала влечет за собой насыщение сети копиями передаваемых пакетов и определяет необходимость применения процедур селекции.

Схема транспортировки сообщений по виртуальному каналу приведена рис. 6. Сформированные сообщения на транспортной станции i-ого звена управления (ЗУ_i) записываются в буферную память и последовательно выдаются в местную сетевую службу. Из полученного сообщения формируются пакеты и также запоминаются в буфере. Одновременно устанавливается виртуальный канал (ВК) между сетевыми службами ЗУ_i и ЗУ_j; при этом формируется служебный пакет установки соединения (его функции может выполнять и первый пакет сообщения) имеющий в составе заголовка сетевой адрес j-ого звена управления и номер создаваемого ВК.

Процедура маршрутизации определяет оптимальный путь доставки этого пакета и передает его соответствующему ЗПД. В рамках ЗПД осуществляется обмен кадрами с передачей квитанций станции отправителя. Из правильно принятых кадров на промежуточном узле коммутации (его функции выполняют соответствующие ресурсы транзитного звена управления ИВС) формируется пакет, который передается в сетевую службу УК_n. В ней производится контроль целостности пакета, формируется соответствующая квитанция для ЗУ_i и расшифровывается сетевой адрес заголовка, по которому определяется направление дальнейшего движения пакета. Собственно коммутация ВК на УК_n происходит в таблице виртуальных каналов (ТВК) по номеру канала, который связывает входящее и исходящее направления связи. Аналогичные процедуры отрабатываются на всех промежуточных УК. После установления соединения по созданному ВК передаются информационные пакеты, процедура маршрутизации которых вырождается в тривиальную при обращении к ТВК. Собранное в сетевой службе ЗУ_j исходное сообщение анализируется транспортной станцией и при отсутствии нарушений его целостности через сеть отправляется сквозная квитанция в адрес ЗУ_i.

Объекты 2-7 уровней модели ИВС осуществляют только логическое взаимодействие. Физическая связь элементов системы происходит в рамках первого уровня.

Рассмотренная многоуровневая организация обеспечивает независимость управления на уровне N от порядка функционирования нижних и верхних уровней. В частности, управление каналом (уровень 2) происходит независимо от физических аспектов функционирования каналов связи, которые учитываются только на уровне 1. Управление сетью реализует специфичные процессы передачи данных по сети, но транспортный уровень взаимодействует с сетью передачи данных как единой системой, обеспечивающей доставку сообщений абонентам сети. В конечном результате прикладной процесс создается только для выполнения определенной функции обработки данных без учета структуры сети, типа каналов связи, способов выбора маршрутов и т.д. Этим обеспечивается открытость и гибкость системы.

Рис. 6. Взаимодействие уровней логической структуры

На рис. 7 представлены средства, используемые при взаимодействии процессов А и В. Процессы А и В реализуются в двух различных системах и опираются на службу взаимодействия, которая для них является целостной системой, наделенной необходимыми функциями. Взаимодействие между процессами организуется средствами управления сеансами (уровень 5), работающими на основе транспортного канала. Последний обеспечивает передачу сообщения в течение сеанса. Транспортный канал, создаваемый на уровне 4, включает в себя сеть передачи данных, которая организует связи, т.е. требуемые каналы, между любыми заданными абонентами сети.

Рис. 7. Взаимодействие процессов в сети с многоуровневой организацией

Число уровней и распределение функций между ними существенно влияют на сложность программного обеспечения ЭВМ, входящих в сеть и на эффективность сети. Формальной процедуры выбора числа уровней не существует. Выбор производится эмпирическим путем на основе анализа различных вариантов организации сетей и опыта разработки и эксплуатации ранее созданных сетей. Рассмотренная семиуровневая модель (ЭМВОС), именуемая архитектурой открытых систем, принята в качестве стандарта МОС и используется как основа при разработке ИВС.