Многоуровневый подход. Протоколы, интерфейс, стек протоколов

Средства сетевого взаимодействия могут быть представлены на основе многоуровневого подхода. При этом все множество модулей разбивается на уровни, образующие иерархию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни. Преимуществом многоуров­невого подхода является возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы. Модули нижнего уровня могут, например, обеспечивать надежную передачу электри­ческих сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в преде­лах всей сети, используя средства нижележащих уровней. На верх­нем уровне функционируют модули, обеспечивающие пользовате­лям доступ к различным службам.

В процессе обмена сообщениями между двумя участниками не­обходимо организовать согласованную работу соответствующих уровней иерархии и принять различные соглашения. Например, оба участника должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, установить методы контроля достоверности и т. д.

Соглашения должны быть приняты для всех уровней: от самого низкого - уровня передачи единичных элементов до самого высоко­го, реализующего сервис для пользователей сети.

На рис. 11 изображена модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырь­мя уровнями. Процедуру взаимодействия этих двух узлов можно

описать в виде набора правил взаимодействия соответствующих уровней обеих участвующих сторон. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которы­ми обмениваются сетевые компоненты одноименных уровней раз­ных узлов (систем), называются протоколами.

Рис. 11. Иерархия взаимодействия двух узлов

Модули соседних уровней одного узла также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами, которые называются интерфейсом. В практике телекоммуникаци­онных систем и сетей встречается несколько другое определение, не противоречащее рассмотренному: под стандартным интер­фейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных программных и конструкторских средств, необходимых для реали­зации взаимодействия различных функциональных элементов в системе или сети. Кроме рассмотренных используется более узкое, чем интерфейс, понятие стык, которое обозначает совокуп­ность соединительных цепей и правил взаимодействия различных устройств, определяющих тип и назначение соединительных цепей, порядок обмена, а также тип и форму сигналов, передаваемых по этим цепям.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть реализованы аппаратно и программно. Протоколы ниж­них уровней реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней, как правило, чисто про­граммными средствами.

В начале 1980-х годов ряд международных организаций по стан­дартизации - ISO, ITU-T и другие разработали модель взаимодейст­вия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Эта

модель определяет различные уровни взаимодействия систем, при­сваивает им стандартные имена и определяет функции каждого уровня. Полное описание этой модели составляет более 1000 стра­ниц текста. В рамках данной модели под открытостью понимается готовность сетевых устройств взаимодействовать между собой с использованием стандартных правил. Примером открытой системы является международная сеть Internet. На рис. 12 представлена обобщенная модель взаимодействия открытых систем А и В (модель ВОС или OSI). Средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Рассмотрим назначение уровней.

Рис. 12. Модель взаимодействия открытых систем ВОС (ISO/OSI)

Уровень 1 - физический (Physical layer) обеспечивает установ­ление соединения, поддержание и разъединения физических кана­лов для передачи электрических сигналов в виде единичных элементов (битов).

Примерами физических каналов являются коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой канал. На этом уровне определяются характеристики физических сред (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и т.д.) и электрических сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжений или токов, тип кодирования, скорость передачи и т.д.).

Здесь же оговариваются механические характеристики соедине­ний (типы разъемов и назначение контактов). Функции физического уровня реализуются во всех сетевых устройствах. В частности, со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом RS232. Иногда говорят, что физический уровень осуществляет организацию дискретного канала.

Уровень 2 - канальный (Data Link layer) в качестве одной из за­дач осуществляет проверку доступности среды передачи. Иными словами, одной из функций этого уровня является установление соединения, поддержание и разъединение канала передачи дан­ных. Другой задачей канального уровня является повышение вер­ности передачи на основе обнаружения и исправления ошибок. Для этого единичные элементы группируются в кадры (frames) и обеспе­чивается корректность передачи каждого кадра. Функция исправле­ния ошибок на основе повторных передач в некоторых протоколах канального уровня отсутствует. Иногда протоколы канального уров­ня оказываются достаточными транспортными средствами и могут допускать работу прикладного уровня без привлечения средств сетевого и транспортного уровней.

Уровень 3 - сетевой (Network layer) предназначен для образова­ния единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, которые используют разные протоколы канального уровня. В данном случае под сетью понимается совокупность узлов или станций, объе­диненных одной из типовых топологий и использующих для передачи данных один из канальных протоколов. Доставка данных между сетя­ми осуществляется сетевым уровнем и в том случае, когда структура межсетевых связей отличается от принятой в канальных протоколах.

Проблема выбора наилучшего пути доставки сообщений назы­вается маршрутизацией и осуществляется маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает сведения о топологии межсетевых соединений и на этой основе пересылает сообщения сетевого уровня в сеть назначения. Сообщения сетевого уровня называются пакетами (packets). На сетевом уровне опреде­ляются два вида протоколов. Сетевые протоколы (routed protocols) - осуществляют продвижение пакетов через сеть. Другой вид про­токолов называется протоколами маршрутизации (routing protocols). Посредством этих протоколов в маршрутизаторах соби­рается информация о топологии межсетевых соединений.

Уровень 4 - транспортный (Transport layer) обеспечивает верх­ним уровням (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им необходима. Модель OSI опре­деляет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Выбор класса сервиса этого уровня определяется как степенью надежности, обеспечиваемой протоколами более высо­ких, чем транспортный, уровней, так и надежностью транспортиров­ки данных в сети на уровнях, расположенных ниже транспортного. Протоколы нижних четырех уровней называют сетевым транс­портом или транспортной подсистемой.

Уровень 5 - сеансовый (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует какая из сторон является активной в данный момент, предоставляет средства синхронизации. Эти средства позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке. На практике сеансовый уровень редко реализу­ется в виде отдельных протоколов.

Уровень 6 - представительный (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой информации, не меняя ее содержания. Благодаря этому уровню, информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня прото­колы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические разли­чия в представлении данных или же различия в кодах символов. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных для обеспечения секретности обмена данными сразу для всех служб.

Уровень 7 - прикладной (Application layer) - это набор разнооб­разных протоколов, с помощью которых пользователи сети получа­ют доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совмест­ную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Прикладной уровень в качестве единицы данных использует сооб­щение (message).