Общие сведения о сетевых технологиях

1.3. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем

Сложность сетевых структур и разнообразие телекоммуникационных устройств, выпускаемых различными фирмами, привели к необходимости стандартизации как устройств, так и процедур обмена данными между пользователями. Международная организация стандартов (International Standards Organization – ISO ) создала эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model – OSI ), которая определяет концепцию и методологию создания сетей передачи данных. Модель описывает стандартные правила функционирования устройств и программных средств при обмене данными между узлами (компьютерами) в открытой системе. Открытая система состоит из программно-аппаратных средств, способных взаимодействовать между собой при использовании стандартных правил и устройств сопряжения (интерфейсов).

Модель ISO/OSI включает семь уровней. На рис. 1.5 показана модель взаимодействия двух устройств: узла источника (source) и узла назначения (destination). Совокупность правил, по которым происходит обмен данными между программно-аппаратными средствами, находящимися на одном уровне, называется протоколом. Набор протоколов называется стеком протоколов и задается определенным стандартом. Взаимодействие между уровнями определяется стандартными интерфейсами.

Рис. 1.5. Семиуровневая модель ISO/OSI

Взаимодействие соответствующих уровней является виртуальным, за исключением физического уровня, на котором происходит обмен данными по кабелям, соединяющим компьютеры. На рис. 1.5 приведены также примеры протоколов, управляющих взаимодействием узлов на различных уровнях модели OSI. Взаимодействие уровней между собой внутри узла происходит через межуровневый интерфейс, и каждый нижележащий уровень предоставляет услуги вышележащему.

Виртуальный обмен между соответствующими уровнями узлов A и B ( рис. 1.6) происходит определенными единицами информации. На трех верхних уровнях – это сообщения или данные (Data), на транспортном уровне – сегменты (Segment), на сетевом уровне – пакеты (Packet), на канальном уровне – кадры (Frame ) и на физическом – последовательность битов.

Для каждой сетевой технологии существуют свои протоколы и свои технические средства, часть из которых имеет условные обозначения, приведенные на рис. 1.5. Данные обозначения введены фирмой Cisco и стали общепринятыми. Среди технических средств физического уровня следует отметить кабели, разъемы, повторители сигналов (repeater), многопортовые повторители или концентраторы (hub), преобразователи среды (transceiver), например, преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот. На канальном уровне – это мосты (bridge), коммутаторы (switch). На сетевом уровне – маршрутизаторы (router). Сетевые карты или адаптеры (Network Interface Card – NIC) функционируют как на канальном, так и на физическом уровне, что обусловлено сетевой технологией и средой передачи данных.

Рис. 1.6. Устройства и единицы информации соответствующих уровней

При передаче данных от источника к узлу назначения подготовленные на прикладном уровне передаваемые данные последовательно проходят от самого верхнего, Прикладного уровня 7 узла источника информации до самого нижнего – Физического уровня 1, затем передаются по физической среде узлу назначения, где последовательно проходят от нижнего уровня 1 до уровня 7.

Самый верхний, Прикладной уровень (Application Layer) 7 оперирует наиболее общей единицей данных – сообщением. На этом уровне реализуется управление общим доступом к сети, потоком данных, сетевыми службами, такими, как FTP, TFTP, HTTP, SMTP, SNMP и др.

Представительский уровень (Presentation Layer) 6 изменяет форму представления данных. Например, передаваемые с уровня 7 данные преобразуются в общепринятый формат ASCII. При приеме данных происходит обратный процесс. На уровне 6 также происходит шифрация и сжатие данных.

Сеансовый уровень (Session Layer) 5 устанавливает сеанс связи двух конечных узлов (компьютеров), определяет, какой компьютер является передатчиком, а какой приемником, задает для передающей стороны время передачи.

Транспортный уровень (Transport Layer) 4 делит большое сообщение узла источника информации на части, при этом добавляет заголовок и формирует сегменты определенного объема, а короткие сообщения может объединять в один сегмент. В узле назначения происходит обратный процесс. В заголовке сегмента задаются номера порта источника и назначения, которые адресуют службы верхнего прикладного уровня для обработки данного сегмента. Кроме того, транспортный уровень обеспечивает надежную доставку пакетов. При обнаружении потерь и ошибок на этом уровне формируется запрос повторной передачи, при этом используется протокол TCP. Когда необходимость проверки правильности доставленного сообщения отсутствует, то используется более простой и быстрый протокол дейтаграмм пользователя (User Datagram Protocol – UDP ).

Сетевой уровень (Network Layer) 3 адресует сообщение, задавая единице передаваемых данных (пакету) логические сетевые адреса узла назначения и узла источника ( IP-адреса ), определяет маршрут, по которому будет отправлен пакет данных, транслирует логические сетевые адреса в физические, а на приемной стороне – физические адреса в логические. Сетевые логические адреса принадлежат пользователям.

Канальный уровень (Data Link) 2 формирует из пакетов кадры данных (frames). На этом уровне задаются физические адреса устройства-отправителя и устройства-получателя данных. Например, физический адрес устройства может быть прописан в ПЗУ сетевой карты компьютера. На этом же уровне к передаваемым данным добавляется контрольная сумма, определяемая с помощью алгоритма циклического кода. На приемной стороне по контрольной сумме определяют и по возможности исправляют ошибки.

Физический уровень (Physical) 1 осуществляет передачу потока битов по соответствующей физической среде (электрический или оптический кабель, радиоканал) через соответствующий интерфейс. На этом уровне производится кодирование данных, синхронизация передаваемых битов информации.

Протоколы трех верхних уровней являются сетенезависимыми, три нижних уровня являются сетезависимыми. Связь между тремя верхними и тремя нижними уровнями происходит на транспортном уровне.

Важным процессом при передаче данных является инкапсуляция (encapsulation) данных. Передаваемое сообщение, сформированное приложением, проходит три верхних сетенезависимых уровня и поступает на транспортный уровень, где делится на части и каждая часть инкапсулируется (помещается) в сегмент данных ( рис. 1.7). В заголовке сегмента содержится номер протокола прикладного уровня, с помощью которого подготовлено сообщение, и номер протокола, который будет обрабатывать данный сегмент.

Рис. 1.7. Инкапсуляция данных

На сетевом уровне сегмент инкапсулируется в пакет данных, заголовок ( header ) которого содержит, кроме прочего, сетевые (логические) адреса отправителя информации (источника) – Source Address ( SA ) и получателя (назначения) – Destination Address ( DA ). В данном курсе – это IP-адреса.

На канальном уровне пакет инкапсулируется в кадр или фрейм данных, заголовок которого содержит физические адреса узла передатчика и приемника, а также другую информацию. Кроме того, на этом уровне добавляется трейлер (концевик) кадра, содержащий информацию, необходимую для проверки правильности принятой информации. Таким образом, происходит обрамление данных заголовками со служебной информацией, т. е. инкапсуляция данных.

Название информационных единиц на каждом уровне, их размер и другие параметры инкапсуляции задаются согласно протоколу единиц данных (Protocol Data Unit – PDU ). Итак, на трех верхних уровнях – это сообщение (Data), на Транспортном уровне 4 – сегмент (Segment), на Сетевом уровне 3 – пакет (Packet), на Канальном уровне 2 – кадр (Frame), на Физическом Уровне 1 – последовательность бит.

Помимо семиуровневой OSI модели на практике применяется четырехуровневая модель TCP/IP ( рис. 1.8).

Рис. 1.8. Модели OSI и TCP/IP

Прикладной уровень модели TCP/IP по названию совпадает с названием модели OSI, но по функциям гораздо шире, поскольку охватывает три верхних сетенезависимых уровня (прикладной, представительский и сеансовый). Транспортный уровень обеих моделей и по названию, и по функциям одинаков. Сетевой уровень модели OSI соответствует межсетевому ( Internet ) уровню модели TCP/IP, а два нижних уровня (канальный и физический) представлены объединенным уровнем доступа к сети ( Network Access ).

Ниже в таблице 1.1 приведены обобщенные сведения об основной информации, добавляемой в заголовках сообщений на разных уровнях OSI-модели.

На транспортном уровне в заголовке сегмента задаются номера портов приложений источника и назначения. Номера портов адресуют приложения или сервисы прикладного уровня, которые создавали сообщение и будут его обрабатывать на приемной стороне. Например, сервер электронной почты с номерами портов 25 и 110 позволяет посылать e-mail сообщения и принимать их, номер порта 80 адресует веб-сервер.

Для обмена сообщениями помимо номеров портов на сетевом уровне в заголовке пакета необходимо задать логические адреса источника и назначения. К логическим адресам относятся, например, IP-адреса пользователей. В документации, используемой в настоящее время, версии IPv4 адреса IP отображаются в десятичной форме в виде четырех групп чисел. Каждая группа может содержать числа от 0 до 255. Группы разделены между собой точками, например 192.168.10.21, 172.16.250.17, 10.1.10.122.

В дополнение к логическим адресам на канальном уровне в заголовке кадра задаются физические адреса устройства-источника и устройства-назначения. Наиболее широко распространенной сетевой технологией канального уровня в настоящее время является Ethernet или ее модификации (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10Gigabit Ethernet). При этом в качестве физических адресов используются МАС-адреса (Media Access Control). В документации МАС-адреса представлены в виде 12 шестнадцатеричных чисел, например, 00-05-А8-69-CD-F1. Тот же адрес может

быть представлен и в несколько другой форме 00:05:А8:69:CD:F1 или 0005.А869.CDF1. МАС-адреса компьютеров прошиты в ПЗУ сетевой карты.

Таким образом, тройная система адресации позволяет адресовать устройства, пользователей и программное обеспечение приложений.

Поскольку на трех нижних уровнях модели OSI функционируют аппаратно-программные средства, обработка сообщения проводится с высокой скоростью. На верхних же уровнях функционируют программные средства, что увеличивает время обработки (задержку). В вышеприведенных примерах ( рис. 1.5, рис. 1.6) два конечных узла взаимодействовали непосредственно между собой. Поэтому сформированное на узле- источнике сообщение последовательно проходило все семь уровней с 7 по 1, на что тратилось много времени. В реальных сетях сообщение от одного конечного узла до другого проходит через целый ряд промежуточных устройств, таких как коммутаторы и маршрутизаторы. Поэтому для снижения времени задержки (повышения быстродействия) на промежуточных устройствах сообщение обрабатывается средствами только трех или даже двух нижних уровней ( рис. 1.9).

Рис. 1.9. Передача сообщения по сети

Таким образом, Транспортный уровень, обеспечивающий надежность передачи данных, функционирует только на конечных узлах, что снижает задержку передачи сообщения по всей сети от одного конечного узла до другого. В приведенном примере ( рис. 1.9) протокол IP функционирует на всех узлах сети, а стек протоколов TCP/IP – только на конечных узлах.

Краткие итоги

1. Телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи.
2. Различают сети: с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов, и с коммутацией пакетов (сообщений), когда телекоммуникационные узлы выполняют функции маршрутизаторов.
3. Для создания маршрута в разветвленной сети необходимо задавать адреса источника и получателя сообщения. Различают физические и логические адреса.
4. Сети передачи данных с коммутацией пакетов подразделяются на локальные и глобальные.
5. Сети технологии IP являются дейтаграммными, когда отсутствует предварительное соединение конечных узлов и нет подтверждения приема сообщения.
6. Высокую надежность обеспечивает протокол управления передачей TCP.
7. Эталонная модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI определяет концепцию и методологию создания сетей передачи данных и включает в себя семь уровней.
8. Виртуальный обмен между соответствующими уровнями конечных узлов происходит определенными единицами информации. На трех верхних уровнях – это сообщения или данные. На транспортном уровне – сегменты, на сетевом уровне – пакеты, на канальном уровне – кадры и на физическом – последовательность битов.
9. Технические средства физического уровня представлены кабелями, разъемами, повторителями сигналов, многопортовыми повторителями или концентраторами (hub), преобразователями среды (transceiver). На канальном уровне – это мосты (bridge) и коммутаторы (switch). На сетевом уровне – маршрутизаторы (router). Сетевые карты или адаптеры (Network Interface Card – NIC) функционируют на канальном и на физическом уровнях.
10. Обрамление единиц информации заголовками со служебной информацией называется инкапсуляцией.
11. Тройная система адресации (логические адреса, физические адреса, номера портов) позволяет адресовать устройства, пользователей и программное обеспечение приложений.

Вопросы

1. Что собой представляют телекоммуникационные сети?
2. Чем отличаются сети с коммутацией каналов от сетей с коммутацией сообщений?
3. Какие функции выполняет маршрутизатор?
4. Что собой представляет метрика протокола маршрутизации?
5. В чем различие коммутации пакетов или сообщений?
6. В чем различие между локальными и глобальными сетями передачи данных?
7. Каковы основные функции Уровня 1 модели OSI?
8. Каковы основные функции Уровня 2 модели OSI?
9. Каковы основные функции Уровня 3 модели OSI?
10. Каковы основные функции Уровня 4 модели OSI?
11. Каковы основные функции Уровня 5 модели OSI?
12. Каковы основные функции Уровня 6 модели OSI?
13. Каковы основные функции Уровня 7 модели OSI?
14. Что собой представляет инкапсуляция данных?
15. Какие устройства функционируют на Уровне 3 модели OSI?
16. Какие устройства функционируют на Уровне 2 модели OSI?
17. Какие устройства функционируют на Уровне 1 модели OSI?
18. Перечислите уровни модели TCP/IP.
19. Какие три системы адресации используются в сетевых технологиях?
20. На каком уровне модели OSI задаются IP-адреса?

Упражнения

1. Изобразите эталонную модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI.
2. Сравните функции уровней моделей OSI и TCP/IP.
3. Изобразите схему инкапсуляции единиц информации на транспортном, сетевом и канальном уровнях.
4. Приведите примеры логических и физических адресов.
5. Объясните, почему в сетях используется три системы адресации.