Барабанова М.И., Кияев В.И. Информационные технологии: открытые системы, сети, безопасность в системах и сетях

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.9. Семиуровневая модель взаимодействия (взаимосвязи)

открытых систем – модель ВОС (OSI)

В соответствии со стандартом ISO 7498 выделено семь уровней (сло-

ев) информационного взаимодействия, которые отделены друг от друга

стандартными интерфейсами:

1) уровень приложения (прикладной уровень),

2) уровень представления,

3) сеансовый (уровень сессии),

4) транспортный,

5) сетевой,

6) канальный,

7) физический.

В соответствии с этим информационное взаимодействие двух или бо-

лее систем представляет собой совокупность взаимодействий уровневых

подсистем, причем каждый слой локальной информационной системы

взаимодействует, как правило, с соответствующим слоем удаленной сис-

темы. Взаимодействие осуществляется при помощи соответствующих

протоколов связи и интерфейсов. Кроме того, применяя методы инкапсу-

ляции, можно использовать одни и те же программные модули на различ-

ных уровнях.

Протоколом является набор алгоритмов (правил) взаимодействия

объектов одноименных уровней различных систем.

Интерфейс – это совокупность правил, в соответствии с которыми

осуществляется взаимодействие с объектом данного или другого уровня.

Стандартный интерфейс в некоторых спецификациях может называться

услугой.

Инкапсуляция – это процесс помещения фрагментированных блоков

данных одного уровня в блоки данных другого уровня.

При разбиении среды на уровни соблюдались следующие общие

принципы:

• не создавать слишком много мелких разбиений, так как это услож-

няет описание системы взаимодействий;

• формировать уровень из легко локализуемых функций – это в слу-

чае необходимости позволяет быстро перестраивать уровень и су-

щественно изменить его протоколы для использования новых ре-

шений в области архитектуры, программно-аппаратных средств,

языков программирования, сетевых структур, не изменяя при этом

стандартные интерфейсы взаимодействия и доступа;

• располагать на одном уровне аналогичные функции;

• создавать отдельные уровни для выполнения таких функций, кото-

рые явно различаются по реализующим их действиям или техниче-

ским решениям;

• проводить границу между уровнями в таком месте, где описание

услуг является наименьшим, а число операций взаимодействий че-

рез границу (пересечение границы) сведено к минимуму;

• проводить границу между уровнями в таком месте, где в опреде-

ленный момент должен существовать соответствующий стандарт-

ный интерфейс.

Каждый уровень имеет протокольную спецификацию, т.е. набор пра-

вил, управляющих взаимодействием равноправных процессов одного и

того же уровня, и перечень услуг, которые описывают стандартный ин-

терфейс с расположенным выше уровнем. Каждый уровень использует

услуги расположенного ниже уровня, каждый расположенный ниже пре-

доставляет услуги расположенному выше. Приведем краткую характери-

стику каждого уровня, отметив при этом, что в некоторых описаниях мо-

дели OSI нумерация уровней может идти в обратном порядке.

Уровень 1 – уровень приложения, или прикладной уровень (Application

Layer). Этот уровень связан с прикладными процессами. Протоколы уров-

ня предназначены для обеспечения доступа к ресурсам сети и програм-

мам-приложениям пользователя. На данном уровне определяется интер-

фейс с коммуникационной частью приложений. В качестве примера про-

токолов прикладного уровня можно привести протокол Telnet, который

обеспечивает доступ пользователя к «хосту» (главному вычислительному

устройству, одному из основных элементов в многомашинной системе

или любому устройству, подключенному к сети и использующему прото-

колы TCP/IP) в режиме удаленного терминала.

Прикладной уровень выполняет задачу обеспечения различных форм

взаимодействия прикладных процессов, расположенных в разнообразных

системах информационной сети. Для этого он осуществляет следующие

функции:

• описание форм и методов взаимодействия прикладных процессов;

выполнение различных видов работ (управление заданиями, пере-

дача файлов, управление системой и т.д.);

• идентификацию пользователей (партнеров взаимодействия) по их

паролям, адресам, электронным подписям;

• определение функционирующих абонентов;

• объявление о возможности доступа к новым прикладным процес-

сам;

• определение достаточности имеющихся ресурсов;

• посылку запросов на соединение с другими прикладными процес-

сами;

• подачу заявок представительному уровню на необходимые методы

описания информации;

• выбор процедур планируемого диалога процессов;

• управление данными, которыми обмениваются прикладные про-

цессы;

• синхронизацию взаимодействия прикладных процессов;

• определение качества обслуживания (время доставки блоков дан-

ных, допустимой частоты ошибок и т.д.);

• соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности

данных;

• согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы

символов, структура данных).

Прикладной уровень часто делится на два подуровня. Верхний поду-

ровень включает сетевые службы. Нижний – содержит стандартные сер-

висные элементы, поддерживающие работу сетевых служб.

Уровень 2 – уровень представления (Presentation Layer). На этом уров-

не информация преобразуется к такому виду, в каком это требуется для

выполнения прикладных процессов. Уровень представления обеспечивает

кодирование данных, выдаваемых прикладными процессами, и интерпре-

тацию передаваемых данных. Например, выполняются алгоритмы преоб-

разования формата представления данных для печати – ASCII или КОИ-8.

Или, если для визуализации данных используется дисплей, то эти данные

по заданному алгоритму формируются в виде страницы, которая выводит-

ся на экран.

Представительный уровень выполняет следующие основные функ-

ции:

• выбор образа представлений из возможных вариантов;

• изменение образа представления в заданный виртуальный образ;

• преобразование синтаксиса данных (кодов, символов) в стандарт-

ный;

• определение формата данных.

Уровень 3 – сеансовый уровень, или уровень сессии (Session Layer). На

данном уровне устанавливаются, обслуживаются и прекращаются сессии

между представительными объектами приложений (прикладными процес-

сами). В качестве примера протокола сеансового уровня можно рассмот-

реть протокол RPC (Remote Procedure Call). Как следует из названия, дан-

ный протокол предназначен для отображения результатов выполнения

процедуры на удаленном хосте. В процессе выполнения этой процедуры

между приложениями устанавливается сеансовое соединение. Назначени-

ем данного соединения является обслуживание запросов, которые возни-

кают, например, при взаимодействии приложения-сервера с приложени-

ем-клиентом.

Сеансовый уровень обеспечивает взаимодействие с транспортным

уровнем, координирует прием и передачу данных одного сеанса связи, со-

держит функции управлениями паролями, подсчета платы за использова-

ние ресурсов сети и т.д. Этот уровень обеспечивает выполнение следую-

щих функций:

• установление и завершение на сеансовом уровне соединения между

партнерами;

• выполнение нормального и срочного обмена данными между при-

кладными процессами;

• синхронизация работы сеансовых соединений;

• извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях;

• установление в прикладном процессе меток, позволяющих после

отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей

метки;

• прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его кор-

ректное возобновление;

• прекращение сеанса без потери данных;

• передача особых сообщений о ходе проведения сеанса.

Уровень 4 – транспортный уровень (Transport Layer). Транспортный

уровень предназначен для управления потоками сообщений и сигналов.

Управление потоком является важной функцией транспортных протоко-

лов, поскольку этот механизм позволяет надёжно обеспечивать передачу

данных по сетям с разнородной структурой, при этом в описание маршру-

та включаются все компоненты коммуникационной системы, обеспечи-

вающие передачу данных на всем пути от устройств отправителя до при-

емных устройств получателя. Управление потоком заключается в обяза-

тельном ожидании передатчиком подтверждения приема обусловленного

числа сегментов приемником. Количество сегментов, которое передатчик

может отправить без подтверждения их получения от приемника, называ-

ется окном.

Существует два типа протоколов транспортного уровня – сегменти-

рующие протоколы и дейтаграммные протоколы. Сегментирующие про-

токолы транспортного уровня разбивают исходное сообщение на блоки

данных транспортного уровня – сегменты. Основной функцией таких про-

токолов является обеспечение доставки этих сегментов до объекта назна-

чения и восстановление сообщения. Дейтаграммные протоколы не сег-

ментируют сообщение, они отправляют его одним пакетом вместе с ад-

ресной информацией. Пакет данных, который называется «дейтаграмма»

(Datagram), маршрутизируется в сетях с переключением адресов или пе-

редается по локальной сети прикладной программе или пользователю.

На транспортном уровне может выполняться также согласование се-

тевых уровней различных несовместимых сетей через специальные шлю-

зы. Рассматриваемый уровень определяет адресацию абонентских систем

и административных систем. Главной задачей транспортного уровня явля-

ется использование виртуальных каналов, проложенных между взаимо-

действующими абонентскими системами и административными система-

ми, для передачи в пакетах блоков данных. Основные функции, выпол-

няемые транспортным уровнем:

• управление передачей блоков данных и обеспечение их целостно-

сти;

• обнаружение ошибок, их частичная ликвидация, сообщение о не-

исправленных ошибках;

• восстановление передачи после отказов и неисправностей;

• укрупнение либо разукрупнение блоков данных;

• предоставление приоритетов при передаче блоков;

• передача подтверждений о переданных блоках данных;

• ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.

Кроме этого транспортный уровень может восстанавливать блоки

данных, потерянные на нижних уровнях.

Уровень 5 – сетевой уровень (Network Layer). Основной задачей про-

токолов сетевого уровня является определение пути, который будет ис-

пользован для доставки пакетов данных при работе протоколов верхних

уровней (маршрутизация). Для того чтобы пакет был доставлен до какого-

либо заданного хоста, этому хосту должен быть поставлен в соответствие

известный передатчику сетевой адрес. Группы хостов, объединенные по

территориальному принципу, образуют сети. Для упрощения задачи мар-

шрутизации сетевой адрес хоста составляется из двух частей: адреса сети

и адреса хоста. Таким образом, задача маршрутизации распадается на

две – поиск сети и поиск хоста в этой сети. На сетевом уровне могут вы-

полняться следующие функции:

• создание сетевых соединений и идентификация их портов;

• обнаружение и исправлений ошибок, возникающих при передаче

через коммуникационную сеть;

• управление потоками пакетов;

• организация (упорядочение) последовательностей пакетов;

• маршрутизация и коммутация;

• сегментация и объединение пакетов;

• возврат в исходное состояние;

• выбор видов сервиса.

Уровень 6 – канальный уровень, или уровень звена данных (Data Link

Layer). Назначением протоколов канального уровня является обеспечение

передачи данных в среде передачи по физическому носителю. В канале

формируется стартовый сигнал передачи данных, организуется начало пе-

редачи, производится сама передача, проводится проверка правильности

процесса, производится отключение канала при сбоях и восстановление

после ликвидации неисправности, формирование сигнала на окончание

передачи и перевода канала в ждущий режим.

Таким образом, канальный уровень может выполнять следующие

функции:

• организацию (установление, управление, расторжение) канальных

соединений и идентификацию их портов;

• передачу блоков данных;

• управление потоками данных;

• обнаружение и исправление ошибок;

• обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним

данных, закодированных любым способом).

На канальном уровне данные передаются в виде блоков, которые на-

зываются кадрами. Тип используемой среды передачи и её топология во

многом определяют вид кадра протокола транспортного уровня, который

должен быть использован. При использовании топологии «общая шина»

(Common Bus) и «один-ко-многим» (Point-to-Multipoint) средства прото-

кола канального уровня задают физические адреса, с помощью которых

будет производиться обмен данными в среде передачи и процедура дос-

тупа к этой среде. Примерами таких протоколов являются протоколы

Ethernet (в соответствующей части) и HDLC. Протоколы транспортного

уровня, которые предназначены для работы в среде типа «один-к-

одному» (Point-to-Point), не определяют физических адресов и имеют уп-

рощенную процедуру доступа. Примером протокола такого типа являет-

ся протокол PPP.

Уровень 7 – физический уровень (Physical Layer). Протоколы физиче-

ского уровня обеспечивают непосредственный доступ к среде передачи

данных для протоколов канального и последующих уровней. Данные пе-

редаются с помощью протоколов данного уровня в виде последовательно-

стей битов (для последовательных протоколов) или групп битов (для па-

раллельных протоколов). На этом уровне определяются набор сигналов,

которыми обмениваются системы, параметры этих сигналов (временные и

электрические) и последовательность формирования сигналов при выпол-

нении процедуры передачи данных.

Физический уровень выполняет следующие функции:

• устанавливает и разъединяет физические соединения;

• передает последовательность сигналов;

• «прослушивает» в нужных случаях каналы;

• выполняет идентификацию каналов;

• оповещает о появлении неисправностей и отказов.

Кроме того, на данном уровне формулируются требования к электри-

ческим, физическим и механическим характеристикам среды передачи,

передающих и соединительных устройств.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Указанные выше функции

всех уровней можно отнести к одной из двух групп: либо к функциям,

ориентированным на работу с приложениями вне зависимости от устрой-

ства сети, либо к функциям, зависящим от конкретной технической реали-

зации сети.

Три верхних уровня – прикладной, представительный и сеансовый –

ориентированы на приложения и практически не зависят от технических

особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют ка-

кие-либо изменения в топологии сети, замена оборудования или переход

на другую сетевую технологию.

Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – являются

сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с техни-

ческой реализацией сети и используемым коммуникационным оборудова-

нием. Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все

детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет

разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непо-

средственной транспортировки сообщений.

В некоторых случаях семь уровней модели OSI объединяют в три

группы:

1) группа «утилит и приложений» – 1-й уровень;

2) группа «преобразования информации» – с 2-го по 5-й уровни;

3) группа «физическая» – 6-й и 7-й уровни.

На рисунке 1.10 показана схема практической реализации модели

ВОС (OSI), в которой работают различные элементы сети. Компьютер с

установленной на нем сетевой операционной системой взаимодействует с

другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней

(рис. 1.11).

Сеть

Компьютер

Запросы

HTTP

Web-броузер

(IE, Netscape)

E-mail

Файл-

менеджер

СУБД

Параллельная

обработка

Терминальный

доступ

Операционная система

ДрайверДрайвер

Устройство

Ввода/Вывода

ПО промежуточного слоя (middleware)

и вспомогательные сервисы (разрешение адресов,

маршрутизация, соединения...)

Запросы

SMTP/POP

Открыть/Закрыть

Передать/Принять

Вызвать объект

Ждать...

Соединиться

Передать

Принять

Приложения

ПО

промежуточного

слоя

Рис. 1.10. Пример практической реализации модели ВОС

Рис. 1.11. Схема взаимодействия двух систем на базе модели ВОС (OSI)

Это взаимодействие компьютеры осуществляют через различные

коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, комму-

таторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. Коммуникационное устройст-

во в зависимости от типа может работать:

• только на физическом уровне (повторитель);

• на физическом и канальном уровнях (мост);

• на физическом, канальном и сетевом уровнях, иногда захватывая и

транспортный уровень (маршрутизатор).

Таким образом, эталонная модель взаимосвязи (взаимодействия) от-

крытых систем (OSI) описывает и реализует стандартизованную систему

взаимодействия в процессах обмена информацией и данными между при-

кладными программами и системами в вычислительных сетях. Для реали-

зации конкретных вычислительных, информационных и коммуникацион-

ных процессов и процедур на базе моделей среды открытых систем (OSE)

и взаимодействия открытых систем (OSI) создаются разнообразные при-

кладные службы (рис. 1.12).

Стандартизация интерфейсов обеспечивает полную прозрачность

взаимодействия вне зависимости от того, каким образом устроены уровни

в конкретных реализациях (службах) модели.

Рис. 1.12. Прикладные службы, реализуемые

на базе принципа открытых систем

Библиографический список к главе 1

1-1. Open System Handbook. A Guide To Building Open System. Digital

Equipment Corporation, USA, 1991, pp. 225.

1-2. Технология открытых систем / Под ред. А.Я.Олейникова. – М.: Янус-

К, 2004. – 288 с.

1-3. Броди Майкл Л. Интероперабельные информационные системы в

науке // Сборник материалов семинара. – М., 6-7 апреля, 1995. – С. 54.

1-4. Сухомлин В.А. Итология – наука об информационных технологиях:

Материалы конф. «Индустрия программирования 96». – М.: Центр ин-

форм. технол., 1996. – С. 56.

1-5. Базовые международные и российские стандарты в области открытых

систем (http://cert.stankin.ru/1/1-2-3.html).

1-6. Сухомлин В.А. Методологический базис открытых систем // Откры-

тые Системы. – 1996. – № 4. – С. 48-51.