Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-17

4.3. Функционирование сети

4.3.1. Сетевые модели OSI и IEEE Project 802

В этом параграфе будем изучать кухню работы сети, т.е. организацию

сложного взаимодействия между устройствами в сети. Как известно, для реше-

ния сложных задач используется универсальный прием – декомпозиция, то есть

разбиение одной сложной задачи на несколько более простых. При декомпози-

ции часто применяют многоуровневый

подход, который как раз и используется

при взаимодействии компьютеров в сети.

Предварительно отметим, что сетевая операционная система при выпол-

нении всех задач следует строгому набору процедур. Эти процедуры называются

протоколами или правилами поведения. Стандартные протоколы позволяют

программному и аппаратному обеспечению различных производителей нор-

мально взаимодействовать.

Модель OSI

В 1984 году International Organization for Standardisation (ISO, организа

ция, объединяющая группы стандартизации различных стран) выпустила эта-

лонную модель взаимодействия открытых систем, которая и стала международ-

ным стандартом. Являясь многоуровневой системой, она отражает взаимодейст-

вие программного и аппаратного обеспечения при осуществлении сеанса связи.

Открытой системой считается система, отвечающая требованиям

эталонной модели взаимодействия открытых систем, реализующая стандарт-

ный набор услуг

и поддерживаемая стандартными протоколами.

Термин "открытая система" в данном случае означает, что система не

замкнута в себе и может наращиваться до бесконечности, в частности, связы-

ваться с другими системами. В этой универсальной модели нет никакой привяз-

ки к конкретной аппаратуре используемых компьютеров, к аппаратуре соеди-

няющих их сетей, к типу

программного обеспечения, то есть модель OSI пред-

ставляет собой некую абстрактную модель.

Соблюдение этих требований обеспечивает возможность взаимодействия

открытых систем между собой, несмотря на их технические и логические разли-

чия в реализации, что является достаточно существенным фактором построения

компьютерных сетей.

Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это

дает следующие

преимущества:

• возможность построения сети из аппаратных и программных средств

различных производителей, придерживающихся одного и того же

стандарта;

• возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети

другими, более совершенными, что позволяет развивать сети с ми-

нимальными затратами;

• возможность легкого сопряжения одной сети с другой.

Модель OSI работает подобно современной почтовой службе.

Первым

шагом при отправке информации будет написание письма; затем оно должно

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-18

быть помещено в конверт с именем, адресом и почтовым индексом; потом пись-

мо должно быть опущено в почтовый ящик. После этого уже не ваша забота, как

именно письмо дойдет до получателя, – вы исходите из того, что оно как-нибудь

да дойдет. Все, что вы должны были сделать, – это правильно поместить письмо

в почтовый ящик. Как правило, этого достаточно, чтобы письмо дошло до адре-

сата. Если часть процесса должна быть изменена, чтобы применить новую тех-

нологию или улучшить реализацию процесса (например, заменить доставку поч-

ты автотранспортом на доставку самолетом), изменения должны быть произве-

дены только на непосредственно касающемся изменения участке, не всей

систе-

мы в целом.

Перейдем к рассмотрению многоуровневой архитектуры OSI.

Многоуровневая архитектура

В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями.

Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудо-

вание и протоколы.

На рис. 4.10 представлена многоуровневая архитектура модели OSI. На

каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимо-

действуют с функциями соседних уровней,

вышележащего и нижележащего.

Например, сеансовый уровень должен взаимодействовать только с представи-

тельным и транспортным уровнем. Каждый уровень предоставляет несколько

услуг (т.е. выполняет несколько операций), подготавливающих данные для дос-

тавки по сети на другой компьютер. Все запросы от одного уровня к другому пе-

редаются через интерфейс. Каждый уровень использует услуги нижележащего

уровня.

Рис. 4.10. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-19

Взаимодействие уровней моделей OSI

Каждый уровень на одном компьютере работает так, как будто он напря-

мую связан с таким же уровнем на другом компьютере. Эта логическая, или

виртуальная связь между одинаковыми уровнями показана на рис. 4.10. Однако

в действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного

компьютера – программное обеспечение, работающее на каждом

уровне, реали-

зует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов.

Информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уров-

ни. Затем она передается по сетевому кабелю на компьютер-получатель и опять

проходит сквозь все уровни, пока не достигнет того же уровня, с которого она

была послана на компьютере-отправителе.

Перед

подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет – это едини-

ца информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. Пакет

проходит последовательно через все уровни. В дальнейшем остановимся на про-

цедуре формирования пакета подробнее, а пока отметим, что на каждом уровне к

пакету добавляется некоторая информация, которая необходима для успешной

передачи данных по сети. На принимающей стороне пакет проходит через все

уровни в обратном порядке. Программное обеспечение на каждом уровне читает

информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом

же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Ко-

гда пакет дойдет до прикладного уровня, вся адресная информация будет

удале-

на и данные примут свой первоначальный вид.

Таким образом, за исключением самого нижнего уровня сетевой модели,

никакой иной уровень не может непосредственно послать информацию соответ-

ствующему уровню другого компьютера. Данная модель напоминает собой вло-

женные друг в друга матрешки. Самая маленькая из них – это и есть пользова-

тельские данные,

а все остальные служат для доставки данных в точку назначе-

ния. Иными словами, в результате этого механизма каждый пакет более высоко-

го уровня вкладывается в конверт протокола более низкого уровня, и сами про-

токолы отвечают за целостность и доставку данных.

Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интерфейс. Ин-

терфейс определяет услуги, которые

нижний уровень предоставляет верхнему

уровню, а также способ доступа к ним. В связи с этим каждому уровню одного

компьютера «кажется», что он непосредственно взаимодействует с таким же

уровнем другого компьютер.

Рассмотрим подробнее назначение каждого из уровней в отдельности.

Предварительно заметим, что блоки, находящиеся наверху иерархии OSI, отве-

чают за функции, наиболее «

близкие» к пользователю или приложению, в то

время как нижние блоки выполняют функции, «близкие» к физической сети или

сетевым интерфейсам.

Прикладной уровень (уровень приложений). Уровень 7. Это самый

верхний уровень модели OSI, он представляет собой окно для доступа приклад-

ных процессов к сетевым услугам. Прикладной уровень управляет общим досту-

пом к сети, потоком

данных и обработкой ошибок. Именно с него приложения

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-20

начинают осуществлять связь по сети, используя этот интерфейс. Если вы, рабо-

тая с программой Microsoft Word для Windows, сохраняете файл на сетевом дис-

ке, и в этом случае для осуществления связи используется уровень приложений

модели. Прикладной уровень обеспечивает широкий набор услуг: управление

терминалом, управление файлами, управление диалогом, управление сетью в це-

лом. Дополнительные услуги

– электронная почта, передача массивов сообще-

ний, файлов и т.п.

Представительный уровень (уровень представления данных). Уро-

вень 6. Определяет формат, используемый для обмена данными между сетевы-

ми компьютерами. Этот уровень носит название переводчика, т.е. данные, по-

ступившие с прикладного уровня, переводятся в общедоступный формат. Этот

уровень отвечает также за сжатие

данных для уменьшения передаваемых битов.

Уровень представления принимает данные, поступающие от уровня приложе-

ний, и преобразует их в промежуточный формат. Затем он осуществляет сжатие,

а также, при необходимости, кодирование данных, прежде чем передать их на

следующий уровень. Получая данные от сеансового уровня, уровень представ-

ления выполняет обратные операции, преобразуя данные из

промежуточного

формата в формат, доступный уровню приложений, и производя их распаковку

и, при необходимости, декодирование.

Сеансовый уровень. Уровень 5. Сеансовый уровень отвечает за уста-

новку и завершение связи между двумя компьютерами. Кроме того, этот уровень

определяет, какой из компьютеров может осуществлять передачу данных и

сколько она может длиться в одном направлении

, прежде чем возможности осу-

ществить передачу получит второй компьютер. Следовательно, он позволяет

двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и за-

вершать соединение, называемое сеансом. На этом уровне выполняются такие

функции, как распознавание имен и защиты, необходимые для связи двух при-

ложений в сети. Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между поль-

зовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных так называе-

мых контрольных точек. Таким образом, в случае сетевой ошибки потребуется

заново передавать только данные, следующие за последней контрольной точкой.

Этот же уровень выполняет управление диалогом между взаимодействующими

процессами, т.е. регулирует, какая из сторон осуществляет передачу, когда, как

долго и т.п

Транспортный уровень. Уровень 4. Транспортный уровень обеспечи-

вает надежную передачу данных по сети. При передаче данных транспортный

уровень принимающей стороны посылает сообщение транспортному уровню пе-

редающей стороны, подтверждающее факт приема данных. Если такое сообще-

ние не будет получено, передача данных будет осуществлена повторно. Кроме

того, транспортный уровень отвечает за переупаковку сообщений

. Он гаранти-

рует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и

дублирования. На этом уровне сообщения переупаковываются, длинные разби-

ваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один, что увеличивает

эффективность передачи пакетов по сети. Этот же уровень управляет потоком,

проверяет ошибки и участвует в решении проблем,

связанных с отправкой и по-

лучением пакетов. Транспортный уровень обеспечивает установление и разъе-

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-21

динение транспортных соединений, формирование блоков данных, взаимодейст-

вия сеансовых соединений с транспортным соединением, целостность блоков

данных во время передачи, предоставление приоритетов в передаче блоков, пе-

редачу подтверждений о принятых блоках и др.

Сетевой уровень. Уровень 3. Основными задачами сетевого уровня яв-

ляется передача данных по сети и определение оптимального маршрута для

вы-

полнения этой операции. Он отвечает за адресацию сообщений и перевод логи-

ческих адресов и имен в физические адреса. Кроме того, он выполняет функции

регулировщика движения и управляет маршрутизацией пакетов данных в сети.

Одним словом, исходя из конкретных сетевых условий, приоритета услуги и

других факторов, здесь определяется маршрут от компьютера-отправителя

компьютеру-получателю. Сетевой уровень также преобразует данные в сетевые

пакеты и заключает их в оболочку. В ходе преобразования данные дополняются

кодом коррекции ошибок. Если пакет слишком велик, чтобы с ним мог работать

уровень передачи данных, сетевой уровень преобразует один большой пакет в

несколько мелких, объем которых соответствует требованиям канала

передачи.

При передаче данных верхнему уровню осуществляются обратные преобразова-

ния, в ходе которых несколько малых пакетов соединяются в один большой и

после этого передаются транспортному уровню.

Канальный уровень. Уровень 2. Внутри локальной сети доставка дан-

ных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а доставкой данных

между сетями занимается сетевой уровень, который поддерживает возможность

выбора

маршрута передачи данных. Канальный уровень осуществляет передачу

кадров данных от сетевого уровня к физическому. Кадры – это логически орга-

низованная структура, в которую можно помещать данные. По существу, кадр

является еще одной оболочкой вокруг данных, которая может быть разделена на

меньшие части и содержит дополнительные сетевые адреса. На рис. 4.11 пред-

ставлен

простой кадр данных, где идентификатор отправителя – адрес компью-

тера-отправителя, а идентификатор получателя – адрес компьютера-получателя.

Управляющая информация используется для маршрутизации, а также указывает

на тип пакета. Данные – это собственно передаваемая информация. CRC (оста-

ток избыточной циклической суммы или коды коррекции ошибок) – это сведе-

ния, которые помогут выявить ошибки, что, в

свою очередь, гарантирует пра-

вильный прием информации. Кадры данных являются зависимыми от сети, по-

этому кадр данных, передаваемый серверу NetWare, может отличаться от кадра,

передаваемого серверу Windows NT, даже если оба они содержат одни и те же

данные. Как и сетевой уровень, канальный уровень добавляет к данным допол-

нительные коды коррекции ошибок (остаток избыточной

циклической суммы),

гарантирующие достоверность передаваемой информации. Если обнаруживается

несоответствие кода коррекции ошибок, прием кадра не производится. Это ис-

ключает возможность передачи искаженных данных верхним уровням. Если

кадр не был принят, т.е. подтверждение приема отсутствует, канальный уровень

передаст кадр повторно. Канальный уровень получателя проверяет наличие воз-

можных ошибок передачи. Кадры,

поврежденные при передаче, или кадры, по-

лучение которых не подтверждено, посылаются вторично.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-22

Идентификатор

получателя

Управляющая

информация

Идентификатор

отправителя

Данные

Рис. 4.11. Кадр данных

CRC

Физический уровень. Уровень 1. Физический уровень отвечает за пе-

редачу потока битов, поступающих от канального уровня, физической среде (се-

тевому кабелю). Здесь же производится кодирование и синхронизация переда-

ваемых данных. Физический уровень также определяет характеристики среды

передачи данных. Здесь реализуются электрический, оптический, механический

и функциональный интерфейсы с кабелем. На этом уровне

определяется способ

соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера, в частности количество

контактов в разъемах и их функции. Кроме того, здесь определяется способ пе-

редачи данных по сетевому кабелю. Таким образом, физический уровень пред-

назначен для передачи битов (нулей и единиц) от одного компьютера к другому.

В чем же основное достоинство

семиуровневой модели? В процессе раз-

вития и совершенствования любой системы возникает потребность изменить ее

отдельные компоненты. Здесь и проявляются преимущества семиуровневой мо-

дели. Если между уровнями определены однозначно интерфейсы, то изменение

одного из уровней не влечет за собой необходимости внесения изменений в дру-

гие уровни. Таким образом, существует относительная независимость

уровней

друг от друга.

Как любая универсальная модель, модель OSI сильно избыточна. Она

содержит в себе все возможные функции, которые в данной конкретной системе

и данной локальной сети могут просто не использоваться. Более того, в конкрет-

ной сети может даже не существовать такого разделения функций на уровни, ко-

торое предусмотрено OSI, а

выделить отдельные функции нередко сложно.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Функции всех уровней мо-

дели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, завися-

щим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентиро-

ванным на работу с приложениями.

Три нижних уровня – физический, канальный, сетевой – являются сетеза-

висимыми

, т.е. протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализаци-

ей сети и используемым коммуникационным оборудованием.

Три верхних уровня – прикладной, представительный и сеансовый сете-

независимые уровни – ориентированы на приложения и мало зависят от техниче-

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

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-23

кие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или пере-

ход на другую сетевую технологию.

Транспортный уровень является промежуточным. Он скрывает все дета-

ли функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать

приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспор-

тировки сообщений.

Модель IEEE Project 802

Для того чтобы учесть

требования передающей среды, используемой в

локальных вычислительных сетях, была проведена некоторая модернизация се-

миуровневой модели взаимодействия открытых систем для локальных компью-

терных сетей, и появилась модель IEEE Project 802.

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Институт инженеров

по электронике и радиоэлектронике) национальная организация США, опреде-

ляющая сетевые стандарты. Project 802 назван в соответствии с годом и месяцем

своего издания (1980, февраль). Она

установила стандарты для физических ком-

понентов сети – интерфейсных плат и кабельных систем, с которыми имеют де-

ло физический и канальный уровни модели OSI.

Стандарты семейства IEEE 802 охватывают только два нижних уровня

семиуровневой модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что

именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных се-

тей.

Старше же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют об-

щие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

IEEE Project 802, подробно описывая канальный уровень, разделил его на

два подуровня (рис. 4.12):

7. Прикладной уровень

6. Представительный уровень

5. Сеансовый уровень

3. Сетевой уровень

1. Физический уровень

2. Канальный уровень

2.2. Уровень управления доступом к среде (MAC)

Рис. 4.12. Подуровни: управление логической связью и управление доступом к среде

2.1. Логический уровень передачи данных (LLC)

4. Транспортный уровень

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-24

• LLC (Logical Link Control) – логический уровень передачи данных.

• MAC (Media Access Control) – уровень управления доступом к среде.

Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разде-

ляемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное

совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с опре-

деленным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети.

Уровень LLC

отвечает за передачу кадров данных между узлами с раз-

личной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с приле-

гающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол

запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию.

4.3.2. Назначение и функции протоколов

Мы уже неоднократно упоминали термин «протоколы» для компьютер-

ных сетей, конкретизируем это понятие. Протоколы – это правила и техниче-

ские процедуры, позволяющие нескольким компьютерам при объединении в сеть

общаться друг с другом. Другими словами, протокол – это набор правил, кото-

рых должны придерживаться все компании, чтобы обеспечить совместимость

производимого аппаратного и программного обеспечения. Идеология открытых

систем предполагает использование стандартных аппаратных

средств и про-

граммного обеспечения.

Отметим три основных момента, касающихся протоколов.

1. Хотя для обмена данными между компьютерами используются раз-

личные протоколы, все сетевые коммуникационные протоколы должны обеспе-

чивать выполнение определенного набора основных функций. Эти функции мо-

гут быть по-разному реализованы различными разработчиками, но они все

должны иметь несколько общих

основных характеристик.

2. Существует множество протоколов. И хотя все они участвуют в реали-

зации связи, каждый протокол имеет различные цели, выполняет различные за-

дачи, обладает своими преимуществами и ограничениями.

3. Протоколы работают на разных уровнях OSI. Если, например, какой-

то протокол работает на физическом уровне, то это означает, что он обеспечива-

ет

прохождение пакетов через плату сетевого адаптера и их поступление в сете-

вой кабель.

4. Несколько протоколов могут работать совместно. Это так называе-

мый стек, комбинация или набор правил.

Протоколы делятся на три типа служб (рис. 4.13):

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-25

• прикладные службы (включают протоколы прикладного, представи-

тельного и сеансового уровней);

• транспортные службы (транспортный уровень);

• сетевые службы (сетевой, канальный и физический уровни).

Сетевые службы

Прикладной уровень

Представительный уровень

Сеансовый уровень

Транспортный уровень

Сетевой уровень

Канальный уровень

Прикладные службы

Транспортные службы

Физический уровень

В компьютерной промышленности в качестве стандартных моделей про-

токолов разработано несколько стандартных стеков. Наиболее важные из них:

TCP/IP, ISO/OSI, IPX/SPX и др.

Рис. 4.13. Модель OSI и типы протоколов

Рассмотрим кратко наиболее распространенные протоколы.

4.3.3. Основные

стандартные стеки коммуникационных

протоколов

Набор протоколов OSI

Набор протоколов OSI – полный стек протоколов, где каждый протокол

соответствует конкретному уровню модели OSI. Следует различать модель OSI

и стек OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимо-

действия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкрет-

ных спецификаций протоколов.

Набор протоколов OSI использовался на практике, но

на сегодня он

обычно используется в качестве теоретического протокола для определения бло-

ков, из которых должна состоять хорошая система, реализующая сетевой прото-

кол. Большинство используемых в настоящее время сетевых протоколов содер-

жат все основные функции, заданные в модели OSI, или часть их.

До того как модель OSI была признана в качестве подходящей

для разра-

ботки протоколов, большинство разработчиков создавали свои собственные про-

токолы, мало заботясь о возможности взаимодействия с программными продук-

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-26

тами других производителей. Однако поскольку все большее и большее количе-

ство покупателей принимали идею открытых стандартов, то стандарты, являю-

щиеся чьей-либо собственностью, стали проигрывать на рынке. Возможность

взаимодействия становилась все более важной, и необходимость стандартной

модели, такой как OSI, стала очевидна. Функции протокола четко разделены на

отдельные группы, поэтому программисту, вместо

того чтобы писать один мо-

нолитный кусок кода, предоставляется возможность создать несколько отдель-

ных, небольших частей, каждая из которых обеспечивает выполнение опреде-

ленной группы функций. Представим, что программисту удалось создать более

эффективный способ отправки данных через сеть. Поскольку он придерживался

модульной концепции при реализации набора протоколов, он может переписать

перекомпилировать только тот кусок кода, который обеспечивает выполнение

функций канального и физического уровня. Однако если бы он не использовал

модель OSI, обновить реализацию протокола было бы намного сложнее и, воз-

можно, ему понадобилось бы переписать весь код.

Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычисли-

тельной мощности центрального процессора, что делает

их наиболее подходя-

щими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.

Стек протоколов управления передачей данных TCP/IP

(Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

ТСР/IP (Протокол управления передачей данных/Internet протокол) –

промышленный стандартный набор протоколов, которые обеспечивают связь в

неоднородной среде, т.е. обеспечивают совместимость между компьютерами

разных типов. Этот протокол используется для передачи данных в

глобальных

сетях и во многих локальных сетях. Если точнее, то можно говорить не о семей-

стве, а о целом комплексе, стеке «протоколов Internet».

ТСР/IP относится к целому семейству (стеку) связанных между собой

протоколов, разработанных для передачи информации по сети и одновременного

обеспечения информацией о состоянии сети, и является программным компо-

нентом

сети. Каждая часть семейства ТСР/IP решает определенную задачу, на-

пример отправление электронной почты, пересылку файлов, маршрутизацию со-

общений или обработку сбоев в сети и т.д.

Совместимость – главное преимущество TCP/IP, поэтому большинство

локальных вычислительных сетей поддерживает этот протокол. Кроме того, он

обеспечивает доступ к ресурсам Internet. Поскольку TCP/IP поддерживает мар-

шрутизацию, он обычно

используется в качестве межсетевого протокола.

Обычно общее название ТСР/IP протокола используется при обсуждении

всего семейства протоколов. В действительности лучше назвать каждый из сер-

висов своим именем, чтобы внести большую ясность. На рис. 4.14 приведены

основные протоколы этого семейства и их соотношение с эталонной моделью

взаимодействия открытых систем.

Приведем название и краткую

характеристику нескольких, наиболее рас-

пространенных протоколов: