5.1 Еталонна(семирівнева) модель взаємозв'язку відкритих систем

Сучасні інформаційні системи мають в тій або іншій мірі властивість відкритості.

Є декілька аспектів відкритості. По-перше під відкритістю системи зазвичай розуміють ту, що її модифікується, тобто пристосованість системи до модифікацій з метою адаптації до умов використання, що змінюються. Другим аспектом відкритості інформаційної системи є її інтегрованість (сопрягаемость) з іншими системами при створенні складніших надсистем, наприклад, інтегрованість СУБД з програмами, що виконують проектні або бізнес процедури у складі корпоративної автоматизованої системи. Третій аспект відкритості системи - переносимість (мобільність) створюваного програмного забезпечення на різні апаратні платформи.

Відкритість має на увазі виділення в системі інтерфейсної частини (входів і виходів), що забезпечує сполучення з іншими системами або підсистемами причому для комплексирования досить мати в розпорядженні відомості тільки про інтерфейсні частини об'єктів, що сполучаються. Ці інтерфейсні частини мають бути виконані відповідно до певних правил і угод, яких повинні дотримуватися усі творці відкритих систем певного застосування.

Очевидно, що функціонування сучасних обчислювальних мереж і систем зв'язку без прийняття сукупності відповідних стандартів було б неможливим оскільки в інформаційних системах використовується устаткування і програмне забезпечення, що створюється багатьма виробниками. До стандартів, розроблених для забезпечення відкритості інформаційних систем, відносяться стандарти ISO (Intrenational Standard Organization), що представляють еталонну модель взаємозв'язку відкритих систем (ЭМВОС).

ЭМВОС була введена в стандарті ISO 7498 в 1983 р.. У стандарті виконана структуризація розподілених інформаційних систем (мереж) у вигляді розподілу функцій систем на групи, звані рівнями ЭМВОС. Розподіл на рівні дозволяє вносити зміни в засоби реалізації одного рівня без перебудови засобів інших рівнів, що значно спрощує і здешевлює модернізацію засобів у міру розвитку техніки, тобто є вираженням відкритості систем.

Функції інформаційних систем повинні підтримуватися відповідними протоколами. При цьому під протоколом розуміється набір семантичних і синтаксичних правил що визначає поведінку функціональних блоків інформаційної системи при її функціонуванні. Зокрема, в інформаційних мережах протоколи задають способи представлення даних, забезпечуючих їх передачу в потрібних напрямах і правильну інтерпретацію даних усіма учасниками процесу інформаційного обміну.

Значною мірою в ЭМВОС врахований досвід створення попередніх систем протоколів, у тому числі TCP/IP і тому ЭМВОС від ISO визнана міжнародними організаціями як основа для стандартизації протоколів інформаційних мереж. Відмітимо, що стеком протоколів називають сукупність взаємозв'язаних стандартів, що забезпечують функціонування конкретної мережі. Інше близьке поняття - профіль відкритої системи, під яким розуміють сукупність стандартів і інших нормативних документів, що забезпечують виконання системою заданих функцій.

Уніфікація і стандартизація протоколів виконуються рядом міжнародних організацій, до них, разом з ISO, зокрема, відносяться Міжнародний телекомунікаційний союз (International Telecommunication Union - ITU, раніше CCITT, що називався), Інститут інженерів по електротехніці і електроніці (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers), ECMA (European Computer Manufacturers Association), EIA (Electronic Industries Association), ANSI (American National Standards Institute) та ін. У рамках Internet виробленням специфікацій, що є рекомендаціями або стандартами, званими RFC (Request for Comments), займається група IETF (Internet Engineering Task Force).

Разом з ЭМВОС, запропонованою ISO, в обчислювальних мережах знаходять застосування і ряд інших моделей. Найбільш відомою є модель, підтримувана стеком протоколів TCP/IP. Через історичні причини саме ця модель є основою Internet і тому найбільш поширеною. Інші відомі системи протоколів - стік IPX/SPX компанії Novell, протокол мережевого розширення базової системи введення/виведення NetBIOS, стек протоколів мережі X.25 та ін. Відмітимо, що зазвичай стеком називають набір протоколів, використовуваних спільно.

У відповідності до стандарту 7498 ISO процес обробки даних під час

передавання їх у сеансі зв’язку відкритих систем поділений на сім рівнів,

перелічених нижче:

рівень 7 - прикладний;

рівень 6 - відображення;

рівень 5 - сеансовий;

рівень 4 - транспортний;

рівень 3 - мережевий;

рівень 2 - канальний;

рівень 1 - фізичний.

Передавання даних з використанням семирівневої моделі взаємодії

відкритих систем (OSI - Open System Interconnection) відбувається так, як це наведено на рис.6.

Перед початком процесу передавання файл даних чи потік даних

розбивається на фрейми розміром, наприклад 64К. Кожний фрейм

передається окремо (рис.7).

До недавнього часу в практиці організації комп’ютерного зв’язку

широко використовувалась модель взаємодії відкритих систем DoD

(Department of Defence) міністерства оборони США. На рис.7 наведено схему процесу обробки даних у відповідності до цієї моделі.

ЭМВОС містить сім рівнів.

- фізичний рівень (Physical) : на цьому рівні здійснюється представлення інформації у вигляді електричних або оптичних сигналів, реалізуються функції перетворення форми сигналів вибираються параметри фізичних середовищ передачі даних.

Фізичний рівень (Physical layer) має справу з

передачею бітів по фізичних каналах зв'язку, таким, наприклад, як коаксіальний

кабель, вита пара, оптоволоконний кабель або радіосередовище. До цього

рівню мають відношення характеристики фізичних середовищ передачі даних

такі, як смуга пропускашся, завадозахищеність, загасання та ін. На цьому

же рівні визначають характеристики електричних сигналів, передавальних

дискретну інформацію, наприклад крутизну фронтів імпульсів, рівні напруги

чи струму передаваного сигналу, швидкість передачі сигналів і типи

кодування. Тут же стандартизуют типи роз'ємів і призначення кожного

контакту.

Функції фізичного рівня реалізують усі пристрої, підключені до

мережі. З боку, наприклад, персональній ЕОМ (комп'ютера) функщш фізичного

рівня виконує мережевий адаптер або послідовний коммуника-

щюнный порт.

- канальний рівень (Link, рівень ланки даних) : канальні протоколи описують послуги з обміну даними між сусідніми вузлами і виконує функції, пов'язані з формуванням і передачею кадрів, виявленням і виправленням помилок, що виникають на фізичному рівні. * Кадром називають пакет канального рівня, пакети на наступних рівнях можуть складатися з одного або багатьох кадрів. У локальних обчислювальних мережах канальний рівень розщеплений на два підрівні: управління доступом до середовища (MAC - Medium Access Control) і управління логічним каналом (LLC - Logical Link Control). До підрівня LLC відноситься частина функцій канального рівня, не пов'язаних з особливостями передавального середовища. На підрівні MAC здійснюється доступ до каналу передачі даних.

Одному із завдань канального рівня (Data Link layer)

являється перевірка доступності середовища передачі, оскільки фізичне середовище

може бути зайнята одній з декількох пар тих, що поперемінно взаємодіють

комп'ютерів. Інший - реализащм механізмів виявлення і коррекщш помилок.

Для цього на канальному рівні біти групуються в набори, назьгоаемые

кадрами. Канальний рівень забезпечує коректність передачі кожного

кадру, для вьщеления обрамляючи його спеціальною послідовністю бітів

а також обчислює контрольну послідовність додаючи її до кадру.

При отриманні кадру адресат знову обчислює контрольну послідовність.

Якщо прийнята з кадром і вичислена контрольні послідовності

співпадають, кадр вважається правильним і приймається. Якщо ж вони не

співпадають, то фіксується помилка. Канальний рівень може не лише виявляти

помилки, але і виправляти їх за рахунок повторної передачі повреж-

дершых кадрів. Необхідно відмітити, 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 комп'ютерах локальних мереж функції канального рівня реалізуються

спільними зусиллями мережевих адаптерів і їх драйверів. Канальний рівень

забезпечує доставку кадру між будь-якими двома вузлами локальною

мережі тієї топології, для якої він бьш розроблений. До таких типовим топологиям

підтримуваним протоколами канального рівня локальних мереж, відносяться

загальна шина, кільце і зірка а також структури, отримані з допомогою

мостів і комутаторів. Прикладами протоколів канального рівня

являються протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, lOOVG - AnyLAN.

У глобальних мережах, які рідко мають регулярну топологію, канальний

рівень часто забезпечує обмін повідомленнями тільки між двома

сусідніми комп'ютерами, сполученими індивідуальною лінією зв'язку.

Прикладами протоколів "точка-точка" (так часто називають такі протоколи)

можуть служити широко поширені протоколи РРР і LAP - B.

* мережевий рівень (Network) : мережеві протоколи використовують для управління передачею пакетів через проміжні вузли і мережі, для контролю навантаження на мережу з метою запобігання перевантаженням, що негативно впливають на роботу мережі, для маршрутизації пакетів, тобто визначення і реалізації маршрутів, по яких передаються пакети. Маршрутизація зводиться до визначення логічних каналів. Логічним каналом (віртуальним каналом) називають таке з'єднання двох або більш за об'єкти мережевого рівня при якому можливий обмін даними між цими об'єктами. Поняттю логічного каналу необов'язкова відповідність деякого фізичного з'єднання ліній передачі даних між зв'язуваними пунктами. Це поняття введене для абстрагування від фізичної реалізації з'єднання.

Мережевий рівень (Network layer) служить для освіти

єдиної транспортної системи, що об'єднує декілька мереж, причому ці

мережі можуть використовувати різні принципи передачі повідомлень між кінцевими

вузлами і мати довільну структуру зв'язків. На мережевому рівні термін "мережу" наділяють специфічним значенням. У даному випадку під мережею розуміють сукупність комп'ютерів, сполучених іж собою відповідно до однієї із стандартних типових топологий і що використовують

для передачі даних один з протоколів канального рівня, визначений для цієї топології.

Усередині мережі 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 у тому випадку, коли структура зв'язків між складовими

мережами має характер відмінний від прийнятого в протоколах

канального рівня.

Мережі сполучені між собою спеціальними пристроями, назьюаемыми

маршрутизаторами. Маршрутизатор - пристрій, який збирає інформацію

про топологію міжмережевих з'єднань і на її основі пересилає пакети

мережевого рівня в мережу призначення. Проблема вибору найкращого шляху

назьгоается маршрутизацією, і її рішення є одним з головних завдань

мережевого рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що найкоротший шлях

не завжди найкращий. 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

плином часу. Деякі алгоритми маршрутизації прагнуть адаптуватися

до зміни навантаження, тоді як інші приймають рішення на

основі середніх показників за тривалий час. Вибір маршруту може

здійснюватися і по інших критеріях, наприклад надійності передачі.

Мережевий рівень вирішує також завдання узгодження різних технологій

спрощення адресації у великих мережах. Він відповідає за адресацію повідомлень

* транспортний рівень (Transport) : призначений для управління крізними каналами в мережі передачі даних. Відповідно до транспортних протоколів забезпечується зв'язок між крайовими пунктами (на відміну від попереднього мережевого рівня, на якому забезпечується передача даних через проміжні компоненти мережі), здійснюються мультиплексування і демультиплексування (зборка-розбирання пакетів), виявлення і усунення помилок в передачі даних, реалізація замовленого рівня послуг (наприклад, замовленій швидкості і надійності передачі). На транспортному рівні пакети зазвичай називають сегментами.

На шляху від відправника до одержувача пакети

можуть быгь спотворені або загублені, проте, деякі застосування вважають за краще

мати справу з надійним з'єднанням. Тому основною функцією транспортного

рівня (Transport layer) являється забезпечення гарантованої доставки

пакетів без помилок, в тій же послідовності, без втрат і

дублювання. На цьому рівні повідомлення переупаковуються: довгі розбиваються

на декілька пакетів, коротких об'єднуються в один. Це збільшує

ефективність передачі пакетів по мережі. На транспортному рівні компьютера-

одержувача повідомлення розпаковуються, відновлюються в

первинному виді і зазвичай посилається сигнал підтвердження прийому.

Транспортний рівень управляє потоком, перевіряє помилки і бере участь в

рішенні проблем, пов'язаних з відправкою і отриманням пакетів. Модель OSI

визначає п'ять класів сервісу, що надаються транспортним рівнем.

Ці класи 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 - здатністю до

виявленню і исправлешпо помилок передачі, таких, як спотворення, втрата і

дублювання пакетів.

Вибір класу сервісу транспортного рівня визначається__ з одного боку

тим у якій мірі завдання забезпечення надійності вирішується самими

застосуваннями і протоколами вищих, ніж транспортний, рівнів, а з

іншої сторони, цей вибір залежить від того, наскільки надійною є система

транспортування даних в мережі, забезпечувана рівнями, розташованими

нижче транспортного мережевим, канальним і фізичним. Так, наприклад,

якщо якість каналів передачі зв'язку дуже висока і вірогідність виникнення

помилок, не виявлених протоколами нижчих рівнів невелика

те розумно скористатися одним з облегченньпс сервісів транспортного

рівня, необтяжених численними перевірками, квитуванням і іншими

прийомами повьппения надійності. Якщо ж транспортні засоби ниж- НИХ рівнів спочатку дуже ненадійні, то доцільно звернутися до найбільш

розвиненому 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, контролю впорядкованої доставки пакетів з

використанням їх циклічної нумерації, використання механізму тайм-

ауту і тому подібне

Як правило, усі протоколи, починаючи з транспортного рівня і вьппе, реалізуються

програмними засобами кінцевих вузлів мережі - компонентами їх

мережевих ОС. Як приклад транспортних протоколів можна привести

протоколи TCP і UDP стека TCP/IP і протокол SPX стека Novell.

Протоколи нижніх четьфех рівнів узагальнено називають мережевим транспортом

чи транспортною підсистемою, оскільки вони повністю вирішують задачу

транспортування сполучень із заданньп^ рівнем якості в складених мережах

з довільною топологією і різними технологіями. Інші три верхніх

рівня вирішують завдання надання прикладних сервісів на основі

наявної транспортної підсистеми.

* сеансовий рівень (Session) : призначений для організації і синхронізації діалогу, що ведеться об'єктами (станціями) мережі. На цьому рівні визначаються тип зв'язку (дуплекс або напівдуплекс), початок і закінчення завдань, послідовність і режим обміну запитами і відповідями взаємодіючих партнерів.

Сеансовий рівень (Session layer) дозволяє двом

застосуванням на різних комп'ютерах встановлювати, використовувати і завершувати

з'єднання, назьшаемое сеансом. На цьому рівні виконуються такі

функції, як розпізнавання імен і захист, необхідні для зв'язку двох застосувань

у мережі, забезпечує управління діалогом між тими, що взаємодіють

процесами, тобто регулюється, яка із сторін здійснює передачу

коли, як довго і т. д.

Сеансовий рівень забезпечує синхронізацію між призначеними для користувача

завданнями за допомогою розставляння в потоці цих контрольних точок

(checkpoints). Таким чином, у разі мережевої помилки, буде потрібно наново

передати тільки дані, такі, що йдуть за останньою контрольною точкою.

На практиці небагато застосувань використовують сеансовий рівень, і він

рідко реалізується у вигляді окремих протоколів, хоча функції цього рівня

часто об'єднують з функціями прикладного рівня і реалізують в одному протоколі.

* показний рівень (Presentation) : реалізуються функції представлення даних (кодування, форматування, структуризація). Наприклад на цьому рівні виділені для передачі дані перетворяться з коду EBCDIC в ASCII і тому подібне

Показний рівень (Presentation layer) визначає форму обміну даними між

мережевими комп'ютерами.

Цей рівень є перекладачем. На комп'ютері-відправнику дані

що поступили від прикладного рівня, переводяться в загальнозрозумілий проміжний

формат. На комп'ютері-одержувачі на цьому рівні відбувається переведення

з проміжного формату в той, який використовується прикладним рівнем

цього комп'ютера, тобто показний рівень має справу з формою

представлення передаваної по мережі інформації, не міняючи при цьому її змісту.

За рахунок рівня представлення інформація, що передається прикладним

рівнем однієї системи, завжди зрозуміла прикладному рівню іншої системи

Показний рівень відповідає за перетворення протоколів, транс-

лящпо даних

* прикладний рівень (Application) : включає засоби управління прикладними процесами; ці процеси можуть об'єднуватися для виконання поставлених завдань, обмінюватися між собою даними. Іншими словами, на цьому рівні визначаються і оформляються в блоки ті дані, які підлягають передачі по мережі. Рівень включає, наприклад, такі засоби для взаємодії прикладних програм як прийом і зберігання пакетів в "поштових скриньках".

Прикладний рівень (Application layer) - самий

верхній рівень моделі - є вікно для доступу прикладних

процесів до мережевих послуг. Цей рівень забезпечує послуги, безпосередньо

підтримувальні застосування. Насправді - це набір різноманітних

протоколів, за допомогою яких користувачі мережі дістають доступ до

ресурсам, що розділяються, таким, як файли, принтери або гіпертекстові Web, -

сторінки, а також організовують свою спільну роботу, наприклад з допомогою

протоколу електронної пошти. Одиниця даних, якою оперує прикладний

рівень, зазвичай називається повідомленням (message).

Рівні, що пролягають нижче, підтримують завдання, що вирішуються на

прикладному рівні.

Цей рівень управляє загальним доступом до даних і обробкою помилок.

Існує дуже велика різноманітність служб прикладного рівня. У якості

прикладу приведемо декілька найбільш поширених реалізацій

файлових служб: NCP в операційній системі Novell NetWare, FTP і TFTP

ТСР/ІР, що входять в стек.

У конкретних випадках може виникати потреба в реалізації лише частини названих функцій, тоді відповідно в мережі є лише частина рівнів.

Передача даних через розгалужені мережі відбувається при використанні інкапсуляції/декапсуляції порцій даних. Так, повідомлення, що прийшло на транспортний рівень, ділиться на сегменти які отримують заголовки і передаються на мережевий рівень На мережевому рівні сегмент може бути розділений на частини (пакети), якщо мережа не підтримує передачу сегментів цілком. Пакет забезпечується своїм мережевим заголовком (тобто відбувається інкапсуляція сегментів в пакети). При передачі між вузлами проміжної ЛВС відбувається розподіл пакетів на кадри (тобто інкапсуляція пакетів в кадри). Структура кадру предатсвлена, що утворюється, на мал. 5.1. У приймальному вузлі сегменти декапсулируются і відновлюється початкове повідомлення.

Рис. 5.1.  Структура кадра

Зведені дані щодо протоколів різних рівнів моделі взаємодії відкритих

систем наведені в табл.5.1.

Таблиця 5.1

У