Раздел 3
Стандартизация о сетей ЭВМ
ЛЕКЦИЯ 1
Стандартизация сетей ЭВМ. Открытые системы.
Утверждение о пользе стандартизации, справедливое для всех отраслей, в сетях ЭВМ приобретает особое значение. Обмен информацией между устройствами сети является очень сложной задачей. Это связано с тем, что существует много производителей аппаратных и программных средств компьютерных сетей и проблема совместимости стоит очень остро.
На ранних этапах развития сетей процесс обмена данными определялся каждой фирмой по своим фирменным закрытым стандартам. Приложения, работающие на оборудовании различных поставщиков, обмениваться данными не могли. Для решения проблемы совместимости требовалась унификация правил построения оборудования и организации их взаимодействия, а именно использование открытых систем.
Открытая система – это система, которая построена в соответствии с открытыми спецификациями. Такой системой может быть компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты.
Под термином «спецификация» (в вычислительной технике) понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Не всякая спецификация является стандартом.
Открытая спецификация - опубликованная, общедоступная спецификация, соответствующая стандартам и принятая всеми заинтересованными сторонами.
Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом. Как правило, даже в системах, называемых открытыми, этому определению соответствуют лишь некоторые части, поддерживающие внешние интерфейсы. Например, открытость семейства операционных систем Unix заключается в наличии стандартизованного программного интерфейса между ядром и приложениями, что позволяет легко переносить приложения из среды одной версии Unix в среду другой версии. Еще одним примером частичной открытости является применение в достаточно закрытой операционной системе Novell NetWare открытого интерфейса Open Driver Interface (ODI) для включения в систему драйверов сетевых адаптеров независимых производителей. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем более открытой она является.
Соблюдение принципов открытости при построении сетей позволяет получить следующие преимущества:
возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта,
возможность легкой замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами,
возможность легкого сопряжения одной сети с другой,
простота обслуживания сети.
Ярким примером открытой системы является международная сеть Internet. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке ее стандартов принимали участие тысячи специалистов-пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм-производителей аппаратуры и программного обеспечения, работающих в разных странах. Стандарты, определяющие работу сети Internet носят название Request For Comments (RFC) - «запрос на комментарии». Сеть Internet сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру.
ЛЕКЦИЯ 2
Многоуровневый подход к стандартизации.
В сетях ЭВМ основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. На его основе была разработана модель взаимодействия открытых систем, ставшая универсальным языком сетевых специалистов.
Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Одним из универсальных приемов решения таких задач является декомпозиция, т.е. разбиение сложной задачи на несколько более простых задач-модулей (рис. 3.1).
Рис. 3.1 - Пример декомпозиции задачи
Процедура декомпозиции включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, и интерфейсов между ними. Интерфейс определяет набор функций, которые один модуль предоставляет другому. В результате достигается логическое упрощение задачи, а кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.
При декомпозиции часто используют многоуровневый подход. При таком подходе все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерархию, т.е. имеются вышележащие и нижележащие уровни (рис. 3.2).
Рис. 3.2 - Многоуровневый подход - создание иерархии задач
Множество модулей, составляющих каждый уровень, сформировано таким образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Между собой модули одного уровня не взаимодействуют.
Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены.
Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют две машины, т.е. необходимо организовать согласованную работу двух «иерархий».
На рис. 3.3 показана модель взаимодействия двух узлов.
Рис. 3.3 - Взаимодействие двух узлов
С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимодействия узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон.
Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.
Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню.
В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы - модулей соседних уровней в одном узле.
Средства каждого уровня должны отрабатывать свой собственный протокол и интерфейсы с соседними уровнями.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов на каждом уровне, называется стеком сетевых протоколов.
Сетевые протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней - как правило, чисто программными средствами.
Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют протоколом. При этом соотношение между протоколом - формально определенной процедурой и протоколом - программным модулем, реализующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.
Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно так же и протокол может иметь несколько программных реализации. Именно поэтому при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, в частности, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.
Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами - концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т. д.
Из того, что протокол является соглашением, принятым двумя взаимодействующими узлами сети, совсем не следует, что он обязательно является стандартным. Но на практике при реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы.
ЛЕКЦИЯ 3
Источники сетевых стандартов
Работы по стандартизации сетей ЭВМ ведутся большим количеством организаций. В зависимости от статуса организации, разработавшей стандарт, различают следующие виды стандартов:
стандарты отдельных фирм:
стек протоколов DECnet фирмы Digital Equipment,
графический интерфейс OPEN LOOK для Unix-систем фирмы Sun;
стандарты специальных комитетов и объединений, состоящих из нескольких фирм:
стандарты технологии АТМ объединения АТМ Forum, насчитывающем около 100 коллективных участников,
стандарты 100 Мбит Ethernet союза Fast Ethernet Alliance;
национальные стандарты:
стандарт FDDI разработанный Американским национальным институтом стандартов,
стандарты безопасности для ОС, разработанные Национальным центром компьютерной безопасности Министерства обороны США;
международные стандарты:
модель и стек коммуникационных протоколов Международной организации по стандартизации,
Стандарт технологии X.25 Международного союза электросвязи.
В табл. 3.1 перечислены национальные и международные организации, занимающиеся стандартизацией сетей.
Таблица 3.1 – Национальные и международные организации по стандартизации сетей ЭВМ.
Статус организации |
Сокращенное название |
Полное название |
||
|
английское |
русское |
английское |
русское |
Международный |
ISO |
МОС |
International Organization for Standardization, International Standards Organization |
Международная организация по стандартизации |
Международный |
ITU |
МСЭ |
International Telecommunications Union, Telecom |
Международный союз электросвязи, Телеком |
Международный |
CCITT, ITU-T |
МККТТ, МСЭ-Т |
Consultative Committee on International Telegraphy and Telephony, ITU Telecommunication Standardization Sector |
Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии, Сектор телекоммуникационной стандартизации МСЭ |
Национальный (США) |
IEEE |
|
Institute of Electrical and Electronics Engineers |
Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике |
Международный |
ECMA |
|
European Computer Manufactures Assosiation |
Европейская ассоциация производителей компьютеров |
Национальный (США) |
CBEMA |
|
Computer and Business Equipment Manufacturers Association |
Ассоциация производителей компьютеров и оргтехники |
Национальный (США) |
EIA |
|
Electronic Industries Association |
Ассоциация электронной промышленности |
Национальный (США) |
DoD |
|
Department of Defense |
Министерство обороны США |
Национальный (США) |
NCSC |
|
National Computer Safety Center |
Национальный центр компьютерной безопасности |
Национальный (США) |
ANSI |
|
American National Standards Institute
|
Американский национальный институт стандартов |
Международная организация по стандартизации представляет собой ассоциацию ведущих национальных организаций по стандартизации разных стран. Главным достижением является модель взаимодействия открытых систем OSI и, соответствующий ей стандартный стек коммуникационных протоколов OSI.
Международный союз электросвязи - организация, являющаяся специализированным органом ООН. Наиболее значительную роль играет постоянно действующий в рамках этой организации Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии. В результате проведенной в 1993 году реорганизации данный комитет несколько изменил направление своей деятельности и сменил название - теперь он называется сектором телекоммуникационной стандартизации МСЭ. Основу его деятельности составляет разработка международных стандартов в области телефонии, телематических служб (электронной почты, факсимильной связи, телетекста, телекса и т. д.), передачи данных, аудио- и видеосигналов.
Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике - национальная организация США. Данной организацией разработаны стандарты рабочей группы 802 для локальных сетей.
Европейская ассоциация производителей компьютеров - некоммерческая организация, активно сотрудничающая с МСЭ и МОС, занимается разработкой стандартов и технических обзоров, относящихся к компьютерной и коммуникационной технологиям. Данной ассоциацией был разработан стандарт ЕСМА-101, используемый при передаче отформатированного текста и графических изображений с сохранением оригинального формата.
Ассоциация производителей компьютеров и оргтехники - организация американских фирм-производителей аппаратного обеспечения, аналогична европейской ассоциации ЕCМА, участвует в разработке стандартов на обработку информации и соответствующее оборудование.
Ассоциация электронной промышленности - промышленно-торговая группа производителей электронного и сетевого оборудования, занимается разработкой стандартов для проводов, коннекторов и других сетевых компонентов. Ее наиболее известный стандарт - RS-232C.
Министерство обороны США имеет многочисленные подразделения, занимающиеся созданием стандартов для компьютерных систем. Одним из них является национальный центр компьютерной безопасности, которым были разработаны стандарты безопасности для ОС. Одной из самых известных разработок министерства обороны США является стек транспортных протоколов TCP/IP.
Американский национальный институт стандартов - эта организация представляет США в Международной организации по стандартизации ISO. Комитеты ANSI ведут работу по разработке стандартов в различных областях вычислительной техники. Данным комитетом были разработаны стандарты архитектуры SNA для локальных сетей крупных ЭВМ, стандарт FDDI, стандарты на языки программирования, интерфейс SCSI, рекомендации по переносимости для языков С, FORTRAN, COBOL.
Стандарты можно разделить на две категории: де-факто и де-юре.
Стандарты де-юре создаются организациями, перечисленными выше. Стандарты де-факто, не приняты организациями по стандартизации, но при этом широко применяются.
Некоторые стандарты, непрерывно развиваясь, могут переходить из одной категории в другую. В частности, фирменные стандарты на продукцию, получившую широкое распространение, обычно становятся международными стандартами де-факто, так как вынуждают производителей из разных стран следовать фирменным стандартам, чтобы обеспечить совместимость своих изделий с этими популярными продуктами. Например, из-за успеха персонального компьютера компании IBM фирменный стандарт на архитектуру IBM PC стал международным стандартом де-факто.
Более того, ввиду широкого распространения некоторые фирменные стандарты становятся основой для национальных и международных стандартов де-юре. Например, стандарт Ethernet, первоначально разработанный компаниями Digital Equipment, Intel и Xerox, через некоторое время и в несколько измененном виде был принят как национальный стандарт IEEE 802.3, а затем организация ISO утвердила его в качестве международного стандарта ISO 8802.3.
ЛЕКЦИЯ 4
Модель взаимодействия открытых систем.
В 1978 г. Международная организация по стандартизации ISO выпустила набор спецификаций для сети с неоднородными устройствами. В 1984 г. ISO создала новую версию данных спецификаций – эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model - OSI).
Описание модели системы, называется архитектурой. В настоящее время модель взаимодействия открытых систем является наиболее популярной сетевой архитектурой.
Модель OSI представляет собой самые общие рекомендации для построения совместимых сетевых программных продуктов и их стандартов. Эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах сетей.
Как и любая универсальная модель, OSI является довольно громоздкой и достаточно негибкой. Поэтому реальные сетевые средства не обязательно придерживаются разделения функций, принятого в модели OSI. Однако знакомство с данной моделью позволяет лучше понять процессы, происходящие в сети.
Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем и указывает, какие функции должен выполнять каждый из них. В модели OSI (рис. 3.4) описаны семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждому уровню соответствую определенные функции взаимодействия сетевых устройств, протоколы, описывающие порядок выполнения данных функций, и оборудование, реализующее протокольные процедуры.
Рис. 3.4 - Модель взаимодействия открытых систем
Функции всех уровней модели, реализуются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень одного абонента работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента. Таким образом, между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная (логическая) связь. Реальную (физическую) связь абоненты имеют только на нижнем уровне.
Обработка сообщения уровнями модели OSI
Информация, передаваемая по сети от узла-передатчика к узлу-приемнику, проходит много этапов обработки (рис 3.5).
Рис. 3.5 - Обработка сообщений уровнями модели OSI
В передающем абоненте информация проходит все уровни, от верхнего к нижнему, в принимающем – наоборот, от нижнего к верхнему.
Когда прикладной процесс отправителя посылает сообщение в сеть, его прикладной уровень формирует сообщение стандартного формата.
Такое сообщение включает в себя:
поле данных - полезную информацию, которую необходимо передать получателю,
служебную информацию для соответствующего уровня получателя.
Служебная информация может включать адресную и управляющую части. Адресная часть используется для доставки информации нужному получателю, а управляющая часть используется для управления процессами обработки на принимающей стороне.
После формирования сообщения прикладной уровень направляет его представительному уровню. Представительный уровень на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию для представительного уровня адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который осуществляет аналогичные действия, и так до канального уровня.
Служебная информация добавляется перед блоком данных и называется заголовком (header). Канальный уровень, помимо заголовка формирует после поля данных концевик (trailer) - контрольную последовательность, которая используется для проверки правильности приема сообщения.
Сообщение, обрамленное заголовками и концевиком, поступает на физический уровень, который передает его по линиям связи адресату. Служебной информации физический уровень не добавляет.
Когда сообщение по сети поступает к получателю, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню. Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Заголовки верхних уровней нижними уровнями не воспринимаются и не изменяются. Так, перемещаясь по уровням модели OSI, информация, поступает к процессу, которому она была адресована.
Если на пути между абонентами в сети включаются промежуточные коммуникационные устройства, то они также выполняют функции нижних уровней модели. Чем сложнее устройство, тем больше уровней оно захватывает.
Любое коммуникационное устройство должно принимать и возвращать информацию на физическом уровне. Поэтому внутренние преобразования данных должны производиться дважды и в противоположных направлениях (рис.3.6).
.
Рис. 3.6 - Включение промежуточных коммуникационных устройств между абонентами
Протокольные блоки данных
Каждый уровень модели OSI оперирует определенными единицами данных. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы различных уровней, используется общее название - протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU) (табл. 3.2).
Таблица 3.2 – Протокольные блоки данных.
Уровень |
Протокольный блок данных |
физический |
бит |
канальный |
Кадр (frame) |
сетевой |
Пакет (packet) |
транспортный |
|
сеансовый |
|
представительный |
|
прикладной |
сообщение (message) |
На физическом уровне данные передаются непрерывной последовательностью бит. На всех остальных уровнях передаваемая информация разбивается на блоки:
кадр − блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня,
пакет − блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты уровней от сетевого до представительского включительно;
сообщение – блок информации, источником и пунктом назначения являются объекты прикладного уровня.
Физический уровень (Physical layer) обеспечивает поддержание связи и передачу битов по физическим каналам связи (электрический/оптический интерфейс с кабелем). Безошибочность передачи на этом уровне желательна, но не обязательна.
На этом уровне стандартизируются:
природа передающей среды и ее характеристики (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др.).
метод передачи дискретной информации (цифровая или аналоговая передача) и характеристики сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока, тип кодирования, скорость передачи).
типы разъемов для подключения кабелей и назначение контактов.
Канальный уровень (Data Link layer)
На этом уровне решаются следующие задачи:
Проверка занятости линий связи и передача кадров по индивидуальной линии
На физическом уровне осуществляется пересылка бит. При этом не учитывается, что в широковещательных сетях, где линии связи используются попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, среда передачи может быть занята.
Функции канального уровня отличаются для локальных и глобальных сетей.
На канальном уровне термином «сеть» обозначается структура с определенной базовой топологией. Канальный уровень обеспечивает передачу кадра между любыми двумя узлами только для такой локальной сети. Пересылка данных в сетях с произвольной топологией реализуется сетевым уровнем.
В глобальных сетях, которые не обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. В таком случае протоколы канального уровня называются протоколами типа «точка-точка» (peer-to-peer). Пересылка данных через всю сеть осуществляется сетевым уровнем. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, т.к. в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня.
Реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок
На канальном уровне биты, передаваемые физическим уровнем, группируются в наборы, называемые кадрами (frames).
Методы обнаружения ошибок основаны на передаче в кадре служебной избыточной информации – контрольной суммы. Контрольная сумма вычисляется по полю данных пакета в соответствии с определенным алгоритмом. Принимающая сторона повторно вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее значение с переданной. Если контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.
Данный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров.
Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня. Если в сети искажения и потеря кадров случается редко, то ошибки исправляет сетевой уровень. Если искажения происходят часто, то желательно уже на канальном уровне корректировать ошибки, т.к. сетевой уровень восстановит данные с задержкой.
В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу поверх них непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений, без привлечения средств сетевого и транспортного уровней.