Для заметок лекция 2 протоколы компьютерных сетей и их взаимодействие
1. Модель osi
В начале 80-х годов двадцатого столетия ряд международных организаций, в их число входила и организация ISO (International Organization of Standardization), разработали стандартную модель сетевого взаимодействия, которую назвали моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection). В модели OSI все протоколы сети делятся на семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный и прикладной (Рис 1).
Прикладной
уровень
7
Сеансовый уровень
5
Представительный
уровень
6
Сетевой уровень
3
Транспортный
уровень
4
Канальный уровень
2
Физический уровень
1
Компьютер 1
Прикладной
уровень
7
Сеансовый уровень
5
Представительный
уровень
6
Сетевой уровень
3
Транспортный
уровень
4
Канальный уровень
2
Физический уровень
1
Компьютер 2
Протоколы
Передача по сети
Рис.1 Модель OSI
Рассмотрим принцип взаимодействия двух компьютеров в рамках вышеприведенной модели
Взаимодействие компьютеров в сети начинается с того, что приложение (программа пользователя) одного компьютера обращается к прикладному уровню другого компьютера, например, к файловой системе. Приложение первого компьютера формирует с помощью операционной системы сообщение стандартного формата, состоящее из заголовка и поля данных.
Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо предать через сеть прикладному уровню другого компьютера, чтобы сообщить ему, какую работу необходимо выполнить. (Например, о размере файла и где он находится). Кроме этого в заголовке имеется информация для следующего нижнего уровня, чтобы он «знал», что делать с этим сообщением. В поле данных находится информация, которую необходимо поместить в найденный файл. Сформировав сообщение, прикладной уровень направляет его вниз представительному уровню. Прочитав заголовок, представительный уровень выполняет требуемые действия над сообщением и добавляет к сообщению собственную служебную информацию – заголовок представительного уровня, в котором содержаться указания для протоколов представительного уровня второго компьютера. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. При достижении сообщением нижнего, физического уровня, у него имеется множество заголовков, добавленных на каждом предыдущем уровне (сообщение вложено внутрь, как в матрешку). В таком виде оно и передается по сети (Рис2).
Второй компьютер принимает его на физическом уровне и последовательно перемещает его вверх с уровня на уровень (Рис.3). Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие этому уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение дальше вышележащему уровню. Отметим, что сообщение может оканчиваться также некоторой служебной информацией – «концевиком». (Например, дополнительными контрольными разрядами).
Как видно из рис 2., информация, передающаяся в линию связи содержит большое количество служебных заголовков, которые по величине могут превосходить даже собственно данные. В результате взаимодействия протоколов всех уровней и их единому стандарту на прикладном уровне второго компьютера получаются данные, переданные первым компьютером.
В стандарте OSI для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы различных уровней, используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).
1- й компьютер
Данные
Данные
К1
Зг1
Прикладной уровень
Данные
К1
К2
Зг1
Зг2
Представительный
уровень
Данные
К1
К2
К3
Зг1
Зг2
Зг3
Сеансовый уровень
Данные
К1
К2
К3
К4
Зг4
Зг1
Зг2
Зг3
Транспортный
уровень
Зг4
Зг1
Данные
Зг2
Зг3
Зг5
К1
К2
К3
К4
К5
Транспортный
уровень
Сетевой уровень
Сетевой уровень
Зг4
Зг1
Данные
Зг2
Зг3
Зг5
Зг6
К1
К2
К3
К4
К5
К6
Канальный уровень
Зг4
Зг1
Данные
Зг2
Зг3
Зг5
Зг6
К1
К2
К3
К4
К5
К7
К6
Зг7
Физический уровень
В линию связи
Рис. 2 Передача сообщения в сеть
2- й компьютер
Данные
Данные
К1
Зг1
Прикладной уровень
Данные
К1
К2
Зг1
Зг2
Представительный
уровень
Данные
К1
К2
К3
Зг1
Зг2
Зг3
Сеансовый уровень
Данные
К1
К2
К3
К4
Зг4
Зг1
Зг2
Зг3
Транспортный
уровень
Зг4
Зг1
Данные
Зг2
Зг3
Зг5
К1
К2
К3
К4
К5
Сетевой уровень
Зг4
Зг1
Данные
Зг2
Зг3
Зг5
Зг6
К1
К2
К3
К4
К5
К6
Канальный уровень
Зг4
Зг1
Данные
Зг2
Зг3
Зг5
Зг6
К1
К2
К3
К4
К5
К7
К6
Зг7
Физический уровень
Из линии связи
Рис. 3 Прием сообщения из сети
Рассмотри подробнее уровни модели OSI.
Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов информации по физическим каналам связи. Такими каналами могут быть, например, коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель. На этом уровне стандартизируются характеристики электрических сигналов, уровни напряжения и тока, тип кодировки информации, скорость передачи сигналов, а также типы разъемов и назначение каждого контакта. Пример стандарта физического уровня: спецификация 10Base- T технологи Ethernet, которая использует витую пару с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ45, максимальную длину 100 метров.
Канальный уровень (Data Link layer) обеспечивает надежную передачу данных через физический канал. Канальный уровень оперирует блоками данных, называемых кадрами. Основной задачей канального уровня является прием кадра из сети и отправка его в сеть. При выполнении этой задачи канальный уровень осуществляет физическую адресацию передаваемых сообщений, контролирует соблюдение правил использования физического канала, выявляет неисправности, управляет потоками информацию. Следует отметить, что протоколы канального уровня зависят от структуры связей между компьютерами и способов их адресации. Кадр может быть доставлен по сети к другому компьютеру только в том случае, если протокол соответствует той топологии, для которой он был разработан. К таким топологиям относятся указанные выше топологии общая шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100 VG – AnyLAN, для глобальных – PPP, SLIP, LAP-B, LAP- D.
Для реализации протоколов канального уровня используется специальное оборудование: концентраторы, мосты, коммутаторы.
Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут быть различной топологии, использовать совершенно различные принципы сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой.
Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает данные о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты информации из одной сети в другую. Последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет, называется маршрутом, а выбор маршрута называется маршрутизацией. Маршрутизация является главной задачей сетевого уровня. На сетевом уровне действуют три протокола: сетевой протокол - для определения правил передачи пакетов от конечных узлов к маршрутизаторам и между маршрутизаторами; протокол маршрутизации- для сбора информации о топологии сети; протокол разрешения адресов- для отображения адреса узла, используемого на сетевом уровне в локальный адрес сети.(ARP -адрес). Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/ IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.
Транспортный уровень (Transport layer) предназначен для оптимизации передачи данных от отправителя к получателю с той степенью надежности, которая требуется. Основная задача транспортного уровня- это обнаружение и исправление ошибок в сообщениях, пришедших с описанных выше уровней.
Начиная с транспортного уровня, все дальнейшие протоколы реализуются программным обеспечением компьютера, включаемого обычно в состав сетевой операционной системы. Примерами транспортных протоколов являются протоколы TCP стека TCP/ IP и протокол SPX Novell.
Сеансовый уровень (Session layer) управляет диалогом между двумя компьютерами. На этом уровне устанавливаются правила начала и завершения взаимодействия. На сеансовом уровне определяется, какая из сторон является активной в данный момент, а какая принимает данные.
Представительный уровень (Presentation layer) выполняет преобразование данных между устройствами с различными форматами данных, не меняя при этом содержания. Благодаря этому уровню информация, передаваемая прикладным уровнем одного компьютера всегда понятна прикладному уровню другого компьютера. На этом уровне, как правило, происходит шифрование и дешифрование данных, благодаря которому обеспечивается секретность предаваемого сообщения.
Прикладной уровень (Application layer) является пользовательским интерфейсом для работы с сетью. Этот уровень непосредственно взаимодействует с пользовательскими прикладными программами, предоставляя им доступ в сеть. С помощью протоколов этого уровня пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры, гипертекстовые Web – страницы, электронная почта и т.д.
Необходимо отметить, что три нижних уровня модели OSI – физический, канальный и сетевой- зависят от сети, т.е. их протоколы тесно связаны с технической реализацией сети и с используемым коммутационным оборудованием. Три верхних уровня- сеансовый, представления и прикладной – ориентированы на программное обеспечение и мало зависят от особенностей построения сети (топологии, оборудования и т.д.). Транспортный уровень является промежуточным. Он скрывает детали функционирования нижних уровней от верхних уровней. Благодаря этому уровню можно разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств транспортировки сообщений.
Модель OSI является так называемой открытой системой, т.е. она имеет опубликованные, общедоступные спецификации и стандарты, принятые в результате достижения согласия многих разработчиков и пользователей после всестороннего обсуждения. Эта модель доступна всем разработчикам и для ее использования не требуется получения специальных лицензий. Если две сети построены с соблюдением правил открытости то у них есть возможность использования аппаратных и программных средств разных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта, такие сети легко сопрягаются друг с другом, просты в освоении и обслуживании.
Ярким примером открытой системы является глобальная компьютерная сеть Интернет. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке стандартов Интернет принимали и принимают участие тысячи специалистов и пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм- производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения из разных стран.
Само название стандартов, определяющих работу Интернет – Request For Comments - переводится как «запрос на комментарии», т.е. для введения новых стандартов в этой сети проводится открытый опрос мнений пользователей и только затем вносятся изменения. В результате сеть Интернет сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру.