51. Опишіть еталонну модель взаємодії відкритих систем. Дайте опис кожному її рівню.

Обмен информацией между людьми требует, по крайней мере, двух партнеров, которые понимают друг друга и обладают некоторыми общими знаниями. Этот обмен может происходить только в том случае, если партнеры используют и соблюдают некоторые правила. Обмен информацией можно представить в виде трехуровневой коммуникационной модели (рис. 2.54), в которой предмет определяет цель обмена, язык обеспечивает содержательную реализацию обмена, а средства позволяют передавать между партнерами сигналы, используемые для обмена информацией.

Примером реализации данной модели является телефонный разговор между покупателем и продавцом какого-либо товара, в котором предметом является выработка соглашения о цене купли или продажи, языком являются коммерческие термины русского языка, используемые при купле-продаже товара, а средством передачи информации является телефон.

Существенной особенностью данной модели является независимость уровней данной модели друг от друга при обмене информацией, т.е. для реализации той же цели обмена можно использовать другой язык (например, английский) не меняя остальных уровней или (также не меняя остальных уровней) изменить телефон как средство реализации обмена на непосредственный речевой контакт.

До начала обмена информацией необходимо установить и согласовать набор правил, по которым будет осуществляться взаимодействие между партнерами. Вследствие независимости уровней друг от друга необходимо установить правила взаимодействия как между элементами двух соседних уровней, например, между языком и средствами, а также между элементами одного и того же уровня у разных партнеров.

Хотя процесс обмена информацией между компьютерами является более сложным, при его представлении используются те же принципы, т.е. модель распределенной сетевой информационной системы разбивается на уровни, каждый из которых выполняет одну или несколько определенных функций. Эти уровни считаются логически расположенными друг над другом, причем самые нижние уровни выполняют функции физического соединения в сети, а самые верхние уровни относятся к прикладным задачам, связанным с приемом и передачей информации в сети.

В конкретных реализациях сетей разными разработчиками использовалось различное количество уровней, выполняющих разные наборы функций (примерами являются четырехуровневая сеть Internet и пятиуровневая сеть SNA фирмы IBM).

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.

В модели ISO задача передачи информации от одной 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. 2.55.

Набор правил организации взаимодействия между соседними уровнями (например, физическим и канальным) называется в модели OSI интерфейсом, а правила взаимодействия между одинаковыми уровнями в разных узлах (например, между канальным уровнем в компьютерной системе A и канальным уровнем в компьютерной системе B) – протоколами.

В эталонной модели OSI определены следующие семь уровней сети: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных и прикладной. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия компонент сети.

Физический уровень (Physical Layer) имеет дело с передачей битов 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.

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 задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого передаваемые данные разбиваются на порции, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность битов в начало и конец каждого кадра для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму и помещает ее в кадр. Когда кадр приходит по сети, получать 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) обеспечивает связь между двумя любыми компьютерными системами сети, обменивающимися между собой данными. Другой функцией сетевого уровня является маршрутизация данных.

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

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны, а в некоторых случаях могут появиться и дубликаты пакетов. Поэтому основной функцией транспортного уровня (Transport Layer) является обеспечение надежной передачи (транспортировку) данных между компьютерными системами сети для вышележащих уровней.

Для этого используются механизмы для установки, поддержки и разрыва виртуальных каналов (аналога выделенных телефонных каналов), определения и исправления ошибок при передаче, управления потоком данных (с целью предотвращения переполнения или потерь данных).

Протоколы описанных выше четырех уровней ориентированы на передачу данных. Их называют также протоколами нижних уровней, в отличие от протоколов трех верхних уровней, обеспечивающих связь с прикладными задачами.

Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает установление, поддержание и окончание сеанса связи для уровня представлений, а также возобновление аварийно прерванного сеанса. На практике немногие прикладные задачи используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельного протокола, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Уровень представления данных (Presentation Layer) имеет дело с формой представления передаваемых по сети данных, не меняя при этом их содержания. С помощью этого уровня данные, передаваемые прикладным уровнем одной системы, будут понятны прикладному уровню другой системы. В функции уровня представлений входит преобразование кодов данных, их шифровка/расшифровка, а также сжатие и распаковка передаваемых данных.

Прикладной уровень (Application Level) отличается от других уровней модели OSI тем, что он обеспечивает услуги для прикладных задач. Этот уровень определяет доступность прикладных задач и ресурсов для связи, синхронизирует взаимодействующие прикладные задачи, устанавливает соглашения по процедурам восстановления при ошибках и управления целостностью данных. Важными функциями прикладного уровня является управление сетью, а также выполнение наиболее распространенных системных прикладных задач: электронной почты, обмена файлами и других. Единица данных, с которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Каждый уровень для решения своей подзадачи должен обеспечить выполнение определенных моделью функций данного уровня, действий (услуг) для вышележащего уровня и взаимодействовать с аналогичным уровнем в другой компьютерной системе.

Для того, чтобы уровень X в компьютерной системе B мог выполнить необходимые действия над данными, к передаваемым данным в компьютерной системе A на уровне X добавляется впереди управляющая информация, называемая заголовком. Кроме того, в конце данных также добавляется служебная информация, называемая концевиком.

Как показано на рис. 2.56, после формирования сообщения с заголовком и концевиком, прикладной уровень направляет его уровню представлений. Протокол уровня представлений на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию заголовок и концевик уровня представлений, в которых содержатся указания для уровня представлений системы-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и концевик, и т.д. Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который и передает его по каналам связи системе-адресату. К этому времени сообщение содержит заголовки и концевики всех уровней.

Когда сообщение по сети поступает на систему-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок и концевик своего уровня (заголовки и концевики верхних уровней рассматриваются как данные). После выполнения анализа и обработки заголовок и концевик удаляется, и сообщение передается вышележащему уровню.

Многие существующие и все разрабатываемые протоколы и стандарты межкомпьютерного взаимодействия базируются на семиуровневой модели OSI.

В настоящее время в рамках реализации эталонной модели ISO разработаны и утверждены стандарты на все уровни модели, а также на отдельные прикладные процессы.

Однако наряду со стандартами ISO отдельными крупными производителями оборудования и программных средств, а также другими организациями разработаны и реализованы протоколы и интерфейсы как на отдельные уровни модели и отдельные выполняемые функции (например, маршрутизацию или управление сетью), так и на все уровни ISO (архитектуру сети).