Захаров_ССПИ

мых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов – Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют сути. Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека протоколов сети компании Novell.

Транспортный уровень

Напутиототправителякполучателюпакетымогутбытьискажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека – прикладному, представительскому и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное – способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, зависит

31

от того, насколько надежной является система транспортировки данныхвсети,обеспечиваемаяуровнями,расположенныминиже транспортного – сетевым, канальным и физическим. Если качество каналов передачи очень высокое, например, при использовании волоконно-оптических линий связи, и вероятность наличия ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, целесообразно использовать один из облегченных сервисов транспортного уровня без квитирования и дополнительных проверок для повышения надёжности передачи. Если же каналы передачи не надёжны, коэффициент ошибки составляет 10–3 – 10–5(часто встречается в модемных линиях связи), то необходимо использовать наиболее развитые сервисы транспортного уровня, применяющие максимум средств для обнаружения и устранения ошибок: предварительное установление логического соединения, отслеживание доставки сообщений по контрольным суммам, циклическую нумерацию пакетов, самокорректирующие коды, установление тайм-аутов доставки и т. п.

Транспортный уровень гарантирует доставку информации между любыми узлами сети без ошибок, потерь и дублирования. Для этого сообщения, поступающие с сеансового уровня, если их длина превышает максимально возможную, разбиваются на сегменты и нумеруются, а прибывающие с сетевого уровня сегменты буферизуются для восстановления той же последовательности их, как и при передаче. На транспортном уровне производится управление потоком и адресация прикладных процессов.

Как правило, все протоколы начиная с транспортного уровня и выше реализуются программными средствами конечных узлов сети – компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека компании

Novell.

Протоколы четырех нижних уровней обобщенно называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой, так какони полностью решают задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верхних

32

уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session layer) позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом, обеспечивает управление диалогом объектов прикладного уровня: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять в поток данных контрольные точки (chekpoints), чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать передачу сначала. На этом уровне выполняются такие функции, как установление способа обмена сообщениями (дуплексный или полудуплексный), распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети.

На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень

Представительныйуровень(Presentationlayer)согласовыва-

ет представление (синтаксис) данных при взаимодействии двух прикладных процессов путём преобразования передаваемой по сети информации из внешнего формата во внутренний, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например в кодах ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться сжатие данных для уменьшенияпередаваемыхобъёмовбитов,атакжешифрованиеи дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. При-

33

мером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application layer) – это самый близкий к пользователю уровень модели OSI. Он отличается от других уровней тем, что не предоставляет услуги никакому другому уровню модели OSI и только обслуживает прикладные процессы, находящиеся вне пределов модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить программы работы с электронными таблицами, текстовые процессоры, программы работы банковских терминалов и др.

Прикладной уровень – это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых прикладные процессы пользователей получают доступ к сетевым услугам, а именно передаче файлов, работе с базами данных, электронной почтой и разделяемым ресурсам, таким как принт- и файлсервис, удаленный доступ или гипертестовые Web-страницы и т. п. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, определяет степень достаточности ресурсов для осуществления предполагаемой связи. На этом уровне выполняются идентификация пользователя и проверка прав доступа к сетевым ресурсам. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, – сообщение.

Существует очень много различных служб прикладного уровня. В качестве примера можно привести несколько наиболее распространенных реализаций файловых служб: NCP в опера-

ционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

34

Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети.

Триверхнихуровня– прикладной,представительныйисеансовый – ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet к технологии 100VG-AnyLAN не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного, представительного и сеансового уровней.

Транспортныйуровеньявляется промежуточным, он скрыва-

ет все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений.

Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, службами, поддерживаемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

Сетевая модельTCP/IP

Несмотря на то что эталонная модель OSI в настоящее время является общепринятой, историческим и технически открытым стандартом сети Internet являются протокол управления переда-

чей (Transmission Control Protocol – TCP) и Internet-протокол (IP),

которые обычно рассматриваются как одно целое и обозначают-

ся TCP/IP. Протокол TCP был специально разработан для обе-

спечения надёжного сквозного байтового потока по ненадёжной интерсети. Объединённая сеть отличается от отдельной сети тем, что её различные участки могут иметь различные топологию, пропускную способность, значения времени задержки, размеры пакетов и другие параметры. При разработке TCP основное вни-

35

мание уделялось способности протокола адаптироваться к свойствам объединённой сети и отказоустойчивости при возникновении различных проблем.

Как показано на рис. 17, сетевая модель TCP/IP имеет четыре

В семействе протоколов TCP/IP транспортные уровни для обмена используют модули данных, называемых сегментами (segment). Таким образом, TCP-сегменты являются частью пакетов сетевого уровня, называемых дейтаграммами (datagram).

Дейтаграмма – это блок информации, посланный как пакет сетевого уровня через передающую среду, без предварительного установления виртуального канала. IP-дейтаграммы – основные информационные блоки в сети Internet, которые участвуют в обмене между соответствующими IP-уровнями.

Необходимоотметить,что,несмотрянасовпадениеназваний отдельных уровней у обеих моделей, выполняемые ими функции могут совпадать, но некоторые могут и отличаться.

36

Абонентские, административные и ассоциативные системы

Абонентские и административные системы

Абонентские системы предназначены для обработки прикладных процессов пользователей, поэтому в области взаимодействия они рассекаются на 7 уровней и опираются на коммуникационную подсеть.Параллельновсистемереализуетсяиерархияпротоколов,

поддерживающих прикладные процессы управления сетью.

Эти протоколы могут быть теми же, что и в иерархии, поддерживающей прикладные процессы пользователей, а могут и отличаться от них. Все уровни в системе связаны с процессом управления системой (рис. 18).

Рис. 18. Структурная схема организации области взаимодействия.

Для эффективного выполнения абонентской системой прикладных процессов необходимо разгрузить ее от выполнения функций области взаимодействия. С этой целью её делят на две части – терминальное оборудование и станцию.

37

Терминальное оборудование является основной частью абонентской системы, выполняющей прикладные процессы и, возможно, протоколы верхних уровней.

Станция – вспомогательная часть системы, реализующая протоколы части нижних либо всех уровней. В зависимости от числа уровней, функции которых выполняет станция, её именуют канальной, транспортной либо абонентской.

Канальная станция реализует протоколы двух уровней – физического и канального. Транспортная – протоколы четырёх нижних уровней, а абонентская – всех семи уровней области взаимодействия. Структурная схема канальной станции показана на рис. 19.

Рис. 19. Структура канальной станции

Станция и терминальное оборудование соединяются каналом либо шиной. Это соединение организуется путём использования дополнительных, специальных уровней – физического 1' и канального 2'. Первый описывает характеристики канала – шины, а второй – процедуры управления соединением и передачу бло-

38

ков данных. Наиболее часто встречающимся примером канальной станции является сетевой адаптер, взаимодействие которого с терминальным оборудованием (им может являться персональный компьютером) происходит через системную шину, напримерPCI.Протоколыуровней 1’ и 2’неявляютсястандартами ISO и зависят от конкретных аппаратных средств.

Для каждого типа коммуникационной подсети разрабатывается абонентский интерфейс, определяющий параметры и процедуры взаимодействия всех абонентских систем с коммуникационной подсетью: для телефонной сети общего пользования (ТФОП) – абонентский телефонный порт с соответствующей сигнализацией; компьютерных домовых сетей, построенных по технологии Ehternet ( 10/100/1000BASE-T), – порт RJ-45.

Административные системы имеют ту же структуру, что и абонентские, только вместо прикладных процессов пользовате-

лей работают прикладные процессы управления сетью.

Ассоциативные системы. Объединение сетей

Ассоциативные системы предназначены для соединения в единое целое различных информационных сетей и обеспечения взаимодействия этих сетей друг с другом, при этом обработку информации пользователей и управления сетью не производят.

Наиболее сложным ассоциативным устройством, обеспечивающим взаимодействие двух сетей с различными наборами протоколов всех семи уровней, является шлюз (gateway). Специальные прикладные процессы преобразуют один набор протоколов в другой, обеспечивая необходимое взаимодействие абонентских систем, находящихся в разных сетях. Шлюзы позволяют объединять сети, построенные на различных аппаратных и программных платформах, и применяются для объединения сетей, построенных по различным фирменным стандартам. Например, шлюз может позволить пользователям, работающим в сети Unix, взаимодействовать с пользователями сети Windows.

Для сетей ISO протоколы 4–7-го уровней делаются одина-

ковыми. Поэтому для их соединения используют более простые ассоциативные системы – маршрутизаторы (router). Основной

39

задачей маршрутизатора является обеспечение взаимодействия коммуникационных подсетей, в которых различаются протоколы трёх нижних уровней и требуется их преобразование. Перенос пользовательских данных из одной подсети в другую выполняют специальные сетевые процессы. Для уровней с 4 по 7-й – маршрутизатор является прозрачным. Логическая схема маршрутизатора представлена на рис. 20.

Рис. 20. Логическая схема маршрутизатора:

А и В – физические средства соединений в различных сетях

Если маршрутизаторы связывают участки коммуникационной подсети, в которой используются одинаковые протоколы уровней 1-3, то в этом случае их называют узлами коммутации пакетов (преобразование протоколов не происходит, а сетевые процессы осуществляют лишь коммутацию и маршрутизацию информации).

В соединяемых маршрутизаторами подсетях общая адресация абонентских систем. Традиционно в сети Internet термины «шлюз» и «маршрутизатор» используются как синонимы.

Мосты (bridge) предназначены для соединения частей сетей, построенных на основе каналов передачи данных различных типов: циклического кольца и моноканала, либо с использованием каналов одного типа, например моноканала, но с различными методами доступа к нему – маркерным и случайным. Мосты ши-

40