2.2.2 Багаторівневе представлення протоколів
Фізичний рівень (Physical layer) має справу з передачею бітів по фізичних каналах зв'язку, таких, наприклад, як коаксіальний кабель, вита пара, оптоволоконний кабель або цифровий територіальний канал. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних серед передачі даних, такі як смуга пропускання, перешкодозахищеність, хвильовий опір і інші. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, що передають дискретну інформацію, наприклад, крутість фронтів імпульсів, рівні напруження або струму сигналу, що передається, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Крім цього, тут стандартизуються типи роз'ємів і призначення кожного контакту.
Функції фізичного рівня реалізовуються в усіх пристроях, підключених до КМ. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережевим адаптером або послідовним портом.
Прикладом протоколу фізичного рівня може служити специфікація 10Base-T технології Ethernet, яка визначається як кабель, що використовується неекрановану виту пару категорії 3 з хвильовим опором 100 Ом, роз'єм RJ-45, максимальну довжину фізичного сегмента 100 м., манчестерський код для представлення даних в кабелі, а також інші характеристики середовища та електричних сигналів.
Канальний рівень. На фізичному рівні просто пересилаються біти і при цьому не враховується, що в деяких КМ лінії зв'язку використовуються навперемінно декількома парами взаємодіючих комп'ютерів, фізичне середовище передачі може бути зайнятим. Тому однією із задач канального рівня (Data Link layer) є перевірка доступності середовища передачі. Іншою задачею канального рівня є реалізація механізмів виявлення і корекції помилок. Для цього на канальному рівні біти групуються в набори / кадри (frames). Канальний рівень забезпечує коректність передачі кожного кадру, вміщуючи спеціальну послідовність біт в початок і кінець кожного кадру, для його виділення, а також обчислює контрольну суму, обробляючи всі байти кадру певним способом і додаючи контрольну суму до кадру. Коли кадр приходить по КМ, одержувач знов обчислює контрольну суму отриманих даних і порівнює результат з контрольною сумою з кадру. Якщо вони співпадають, кадр вважається правильним і приймається. Якщо ж контрольні суми не співпадають, то фіксується помилка. Канальний рівень може не тільки виявляти помилки, але і виправляти їх за рахунок повторної передачі пошкоджених кадрів. Зазначимо, що функція виправлення помилок не є обов'язковою для канального рівня, тому в деяких протоколах цього рівня вона відсутня, наприклад, в Ethernet і Frame Relay.
У протоколах канального рівня, які використовуються в ЛКМ, закладена певна структура зв'язків між комп'ютерами і способи їх адресації. Хоч канальний рівень і забезпечує доставку кадру між будь-якими двома вузлами ЛКМ, він це робить тільки в КМ з абсолютно певною топологією зв'язків, саме тією топологією, для якої він був розроблений. Типовими топологіями, що підтримуються протоколами канального рівня ЛКМ, є: шина, кільце і зірка, а також структури, отримані з них за допомогою мостів і комутаторів. Прикладами протоколів канального рівня є протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, lOOVG-AnyLAN.
У ЛКМ протоколи канального рівня використовуються комп'ютерами, мостами, комутаторами і маршрутизаторами. У комп'ютерах функції канального рівня реалізовуються спільними зусиллями мережевих адаптерів і їх драйверів.
У глобальних КМ, які рідко мають регулярну топологію, канальний рівень часто забезпечує обмін сполученнями тільки між двома сусідніми комп'ютерами, сполученими індивідуальною лінією зв'язку. Прикладами протоколів «точка-точка» можуть служити протоколи РРР і LAPB. У таких випадках для доставки сполучень між кінцевими вузлами через всю КМ використовуються засоби і мережевого рівня. Саме так організовані мережі Х.25. Іноді в глобальних КМ функції канального рівня в чистому вигляді виділити важко, оскільки в одному і тому ж протоколі вони об'єднуються з функціями мережевого рівня. Прикладами такого підходу можуть служити протоколи технологій ATM і Frame Relay.
Загалом канальний рівень являє собою вельми могутній і закінчений набір функцій по пересилці сполучень між вузлами КМ. У деяких випадках протоколи канального рівня виявляються самодостатніми транспортними засобами і можуть допускати роботу понад них безпосередньо протоколів прикладного рівня або додатків, без залучення засобів мережевого і транспортного рівнів. Наприклад, існує реалізація протоколу керування мережею SNMP, безпосередньо без Ethernet, хоч стандартно цей протокол працює на основі мережевого протоколу IP і транспортного протоколу UDP. Природно, що застосування такої реалізації буде обмеженим, так як вона не підходить для складних КМ різних технологій, наприклад Ethernet і Х.25, і навіть для такої КМ, в якій у всіх сегментах застосовується Ethernet, але між сегментами існують петлевідні зв'язки. А ось в двох сегментній КМ Ethernet, об'єднаній мостом, реалізація SNMP над канальним рівнем буде цілком працездатний.
Проте для забезпечення якісного транспортування повідомлень в КМ будь-яких топологій і технологій функцій канального рівня виявляється недостатньо, тому в моделі OSI розв'язок цієї задачі покладається на два наступних рівні мережевий і транспортний.
Мережевий рівень (Network layer) служить для утворення єдиної транспортної системи, що об'єднує декілька КМ, причому ці КМ можуть використати абсолютно різні принципи передачі сполучень між кінцевими вузлами і володіти довільною структурою зв'язків. Функції мережевого рівня досить різноманітні. Розглянемо їх на прикладі об'єднання ЛКМ.
Протоколи канального рівня ЛКМ забезпечують доставку даних між будь-якими вузлами тільки в КМ з відповідною типовою топологією, наприклад топологією ієрархічної зірки. Це дуже жорстке обмеження, яке не дозволяє будувати КМ з розвиненою структурою, наприклад, КМ, що об'єднують декілька КМ підприємства в єдину КМ, або високонадійні КМ, в яких існують надмірні зв'язки між вузлами. Можна було б ускладнювати протоколи канального рівня для підтримки петлевидних надмірних зв'язків, але принцип розділення обов'язків між рівнями приводить до іншого розв'язку. Щоб з одного боку зберегти простоту процедур передачі даних для типових топологій, а з іншою допустити використання довільних топологій, вводиться додатковий мережевий рівень.
На мережевому рівні сам термін КМ наділяють специфічним значенням. У цьому випадку під КМ розуміється сукупність комп'ютерів, сполучених між собою відповідно до однієї з стандартних типових топологій і які використовуються для передачі даних одиного з протоколів канального рівня, визначеного для цієї топології.
Всередині КМ доставка даних забезпечується відповідним канальним рівнем, а ось доставкою даних між мережами займається мережевий рівень, який і підтримує можливість правильного вибору маршруту передачі повідомлення навіть в тому випадку, коли структура зв'язків між складеними КМ має характер, відмінний від прийнятого в протоколах канального рівня.
КМ сполучаються між собою спеціальними пристроями-маршрутизаторами, які збирають інформацію про топологію міжмережевих з'єднань і на її основі пересилають пакети мережевого рівня в мережу призначення. Щоб передати повідомлення від відправника, що знаходиться в одній КМ, одержувачу, що знаходиться в іншій КМ, треба здійснити деяку кількість транзитних передач між КМ, іліхопів (від hop стрибок), кожний раз вибираючи відповідний маршрут. Отже, маршрут являє собою послідовність маршрутизаторів, через які проходить пакет.
На рис. 2.7 показані чотири КМ, пов'язані трьома маршрутизаторами. Між вузлами А і В даній КМ пролягають два маршрути: перший через маршрутизатори 1 і 3, а другий через маршрутизатори 1, 2 і 3.
Рис. 2.7. Приклад складової КМ
Проблема вибору найкращого шляху називається маршрутизацією, і її розв'язання є однією з головних задач мережевого рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що самий короткий шлях не завжди самий кращий. Часто критерієм при виборі маршруту є час передачі даних по цьому маршруту; воно залежить від пропускної спроможності каналів зв'язку і інтенсивності трафіку, яка може змінюватися з часом. Деякі алгоритми маршрутизації намагаються пристосуватися до зміни навантаження, в той час як інші приймають рішення на основі середніх показників за тривалий час. Вибір маршруту може здійснюватися і по інших критеріях, наприклад надійність передачі.
Взагалі функції мережевого рівня ширше, ніж функції передачі повідомлень по зв'язках з нестандартною структурою, які були розглянуті на прикладі об'єднання декількох ЛКМ. Мережевий рівень вирішує також задачі узгодження різних технологій, спрощення адресації у великих КМ і створення надійних і гнучких бар'єрів на шляху небажаного трафіку між КМ.
Повідомлення мережевого рівня прийнято називати пакетами (packets). При організації доставки пакетів на мережевому рівні використовується поняття «номер мережі». У цьому випадку адреса одержувача складається з старшої частини номера КМ і молодшої - номери вузла в цій КМ. Всі вузли однієї КМ повинні мати одну і ту ж старшу частину адреси, тому терміну «мережа» на мережевому рівні можна дати і інше, більш формальне визначення: КМ це сукупність вузлів, мережева адреса яких містить один і той же номер КМ.
На мережевому рівні використовуються два типи протоколів. Перший тип - мережеві протоколи (routedprotocols) реалізовують просування пакетів через КМ. Саме ці протоколи звичайно мають на увазі, коли кажуть про протоколи мережевого рівня. Однак часто до мережевого рівня відносять і інший вигляд протоколів, званих протоколами обміну маршрутною інформацією або протоколами маршрутизації (routingprotocols). За допомогою цих протоколів маршрутизатори збирають інформацію про топологію міжмережевих з'єднань. Протоколи мережевого рівня реалізовуються програмними модулями ОС, а також програмними і апаратними засобами маршрутизаторів.
На мережевому рівні працюють протоколи ще одного типу, які відповідають за відображення адреси вузла, що використовується на мережевому рівні, на локальну адресу КМ. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес Address Resolution Protocol, ARP. Іноді їх відносять не до мережевого рівня, а до канальному, що не змінює їх суті.
Прикладами протоколів мережевого рівня є протокол міжмережевої взаємодії IP стека TCP/IP і протокол міжмережевого обміну пакетами IPX стека Novell.
Транспортний рівень. На шляху від відправника до одержувача пакети можуть бути спотворені / загублені. Хоч деякі додатки мають власні засоби обробки помилок, існують і такі, які вважають за краще відразу мати справу з надійним з'єднанням. Транспортний рівень (Transport layer) забезпечує додаткам або верхнім рівням стека прикладному і сеансовому передачу даних з тією мірою надійності, яка їм потрібна. Модель OSI визначає п'ять класів сервісу, що надаються транспортним рівнем. Ці види сервісу відрізняються якістю послуг, що надаються: терміновістю, можливістю відновлення перерваного зв'язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне здібністю до виявлення і виправлення помилок передачі, таких як спотворення, втрата і дублювання пакетів.
Вибір класу сервісу транспортного рівня визначається, з одного боку, тим, в якій мірі задача забезпечення надійності вирішується самими додатками і більш високими протоколами, ніж транспортний, рівні, а з іншого боку, цей вибір залежить від того, наскільки надійною є система транспортування даних в КМ, що забезпечується рівнями, розташованими нижче транспортного мережевим, канальним і фізичним. Так, наприклад, якщо якість каналів передачі зв'язку є дуже високою і імовірність виникнення помилок, не виявлених протоколами більш низьких рівнів, невелика, то розумно скористатися одним з полегшених сервісів транспортного рівня, не обтяжених численними перевірками, квотуванням і іншими прийомами підвищення надійності. Якщо ж транспортні засоби нижніх рівнів спочатку дуже ненадійні, то доцільно звернутися до найбільш розвиненого сервісу транспортного рівня, який працює, використовуючи максимум засобів для виявлення і усунення помилок, за допомогою попереднього встановлення логічного з'єднання, контролю доставки повідомлень по контрольних сумах і циклічній нумерації пакетів, встановлення тайму-аутів доставки і т.п.
Як правило, всі протоколи, починаючи з транспортного рівня і вище, реалізовуються ПЗ кінцевих вузлів КМ компонентами їх мережевих ОС. Як приклад транспортних протоколів можна привести протоколи TCP і UDP стека TCP/IP і протокол SPX стека Novell.
Протоколи нижніх чотирьох рівнів узагальнено називають мережевим транспортом або транспортною підсистемою, оскільки вони повністю вирішують задачу транспортування повідомлень із заданим рівнем якості в складових мережах з довільною топологією і різними технологіями. Інші три верхніх рівні вирішують задачі надання прикладних сервісів на основі транспортної підсистеми, що існує.
Сеансовий рівень (Session layer) забезпечує керування діалогом: фіксує, яка з сторін є активною в даний момент, надає засоби синхронізації. Останні дозволяють вставляти контрольні позначки в довгі передачі, щоб у разі відмови можна було повернутися назад до останньої контрольної позначки, а не починати все з початку. На практиці небагато які додатки використовують сеансовий рівень, і він рідко реалізовується у вигляді окремих протоколів, хоч функції цього рівня часто об'єднують з функціями прикладного рівня і реалізовують в одному протоколі.
Представницький рівень (Presentation layer) має справу з формою подання інформації, що передається по КМ, не міняючи при цьому її змісту. За рахунок рівня уявлення інформація, що передається прикладним рівнем однієї системи, завжди зрозуміла прикладному рівню іншої системи. За допомогою засобів даного рівня протоколи прикладних рівнів можуть подолати синтаксичні відмінності в представленні даних або ж відмінності в кодах символів, наприклад кодів ASCII і EBCDIC. На цьому рівні може виконуватися шифрування і дешифрування даних, завдяки якому секретність обміну даними забезпечується відразу для всіх прикладних служб. Прикладом такого протоколу є протокол Secure Socket Layer (SSL), який забезпечує секретний обмін повідомленнями для протоколів прикладного рівня стека TCP/IP.
Прикладний рівень (Application layer) це насправді просто набір різноманітних протоколів, за допомогою яких користувачі мережі отримують доступ до ресурсів, що розділяються, таких як файли, принтери або гіпертекстові Web-сторінки, а також організують свою спільну роботу, наприклад, за допомогою протоколу електронної пошти. Одиниця даних, якою оперує прикладний рівень, називається повідомленням (message).
Існує дуже велика різноманітність служб прикладного рівня. Приведемо декілька найбільш поширених реалізацій файлових служб: NCP в ОС Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP і TFTP, що входять в стек TCP/IP.
Залежні від КМ та незалежні від мережі рівні. Функції всіх рівнів моделі OSI можуть бути віднесені до однієї з двох груп: або до функцій, що залежать від конкретної технічної реалізації КМ, або до функцій, орієнтованих на роботу з додатками.
Три нижніх рівні: фізичний, канальний і мережевий є мережозалежними, тобто протоколи цих рівнів тісно пов'язані з технічною реалізацією КМ і комунікаційним обладнанням, що використовується. Наприклад, перехід на обладнання FDDI означає повну зміну протоколів фізичного і канального рівнів у всіх вузлах КМ.
Три верхніх рівні: прикладний, представницький і сеансовий орієнтовані на додатки і мало залежать від технічних особливостей побудови КМ. На протоколи цих рівнів не впливають які б то не було зміни в топології КМ, заміна обладнання або перехід на іншу мережеву технологію. Так, перехід від Ethernet на високошвидкісну технологію l00VG-AnyLAN не зажадає ніяких змін в ПЗ, що реалізовують функції прикладного, представницького і сеансового рівнів.
Транспортний рівень є проміжним, він приховує всі деталі функціонування нижніх рівнів від верхніх. Це дозволяє розробляти додатки, що не залежать від технічних засобів безпосереднього транспортування повідомлень.
Рис. 2.8. Залежні від мережі та незалежні від мережі рівні моделі OSI
На рис. 2.8 показані рівні моделі OSI, на яких працюють різні елементи КМ. Комп'ютер з встановленою на йому мережевою ОС взаємодіє з іншим комп'ютером за допомогою протоколів всіх семи рівнів. Цю взаємодію комп'ютери здійснюють опосередковано через різні комунікаційні пристрої: концентратори, модеми, мости, комутатори, маршрутизатори, мультиплексори. У залежності від типу комунікаційний пристрій може працювати або тільки на фізичному рівні (повторювач), або на фізичному і канальному (міст), або на фізичному, канальному і мережевому, іноді захоплюючи і транспортний рівень (маршрутизатор). На рис. 2.9 показана відповідність функцій різних комунікаційних пристроїв рівням моделі OSI.
Модель OSI представляє хоч і дуже важливу, але тільки одну з багатьох моделей комунікацій. Ці моделі і пов'язані з ними стеки протоколів можуть відрізнятися кількістю рівнів, їх функціями, форматами повідомлень, службами, що підтримується на верхніх рівнях, і іншими параметрами.
Рис. 2.9. Відповідність функцій різних пристроїв КМ рівням моделі OSI