Эталонная модель архитектуры открытых систем. Трехуровневая архитектура аис и эталонная модель архитектуры открытых систем

Модели сети.Эталонная модель OSI

Общая модель вычислительной сети определяет характеристики сети в целом и характеристики и функции, входящих в неё основных компонентов.

Архитектура вычислительной сети – это описание её общей модели. Многообразие производителей вычислительных сетей и сетевых программных продуктов поставило проблему объединения сетей различных архитектур.

В начале 1980 гг. Международная Организация по Стандартизации (ISO) признала необходимость в создания модели сети, которая могла бы помочь поставщикам создавать реализации взаимодействующих сетей. Эту потребность удовлетворяет выпущенная в 1984 г. Эталонная модель OSI быстро стала основной архитектурной моделью для передачи межкомпьютерных сообщений. Часто ее называют моделью архитектуры открытых систем

Открытая система – это система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятыми стандартами. Модель взаимодействия открытых систем служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования.

Перемещение информации между компьютерами различных схем является чрезвычайно сложной задачей.

Эта модель устанавливает способы передачи данных по сети, определяет стандартные протоколы, используемые сетевым и программным обеспечением. Модель представляет собой самые общие рекомендации для построения совместимых программных продуктов. Эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей.

Модель взаимодействия открытых систем определяет процедуры передачи данных между системами,которые открыты друг другу, благодаря совместному использованию ими соответствующих стандартов, хотя сами системы могут быть созданы на различных технических средствах. В настоящее время модель взаимодействия открытых систем является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. Она рассматривает общие функции, а не специальные решения, поэтому не все реальные сети абсолютно точно ей следуют. Модель взаимодействия открытых систем состоит из семи уровней. На каждом уровне выполняются определённые сетевые функции. Нижние уровни (1 и 2) определяют физическую среду передачи данных и сопутствующей задачи (такие, как передачи битов данных через плату сетевого адаптера и кабель). Самые верхние уровни определяют, каким способом осуществляется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает. Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты.

Пакет - это единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. На передающей стороне пакет проходит последовательно через все уровни системы сверху вниз. Затем он передаётся по сетевому кабелю на компьютер – получатель и опять проходит все уровни в обратном порядке.

12. Уровни модели osi . Иерархическая связь.

Эталонная модель OSI делит проблему перемещения информации между компьютерами через среду сети на семь менее крупных, и следовательно, более легко разрешимых проблем. Каждая из этих семи проблем выбрана потому, что она относительно автономна, и следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию. Каждая из семи областей проблемы решалась с помощью одного из уровней модели. Большинство устройств сети реализует все семь уровней. Однако в режиме потока информации некоторые реализации сети пропускают один или более уровней.

Два самых низших уровня OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением; остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением. Справочная модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь через среду сети (например, провода) от одной прикладной программы (например, программы обработки крупноформатных таблиц) до другой прикладной программы, находящейся в другом компьютере. Т.к. информация, которая должна быть отослана, проходит вниз через уровни системы, по мере этого продвижения она становится все меньше похожей на человеческий язык и все больше похожей на ту информацию, которую понимают компьютеры, а именно "единицы" и "нули".

Уровни модели OSI (в направлении снизу вверх) и их общие функции можно рассмотреть следующим образом:

Рассмотрим, как в модели SI происходит обмен данными между пользователями, находящимися на разных континентах.

1.На прикладном уровне с помощью специальных приложений пользователь создает документ (сообщение, рисунок и т. п.).

Прикладной уровень - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI; однако он обеспечивает ими прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить программы обработки крупномасштабных таблиц, программы обработки слов, программы банковских терминалов и т.д. Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

2.На уровне представления операционная система его компьютера фиксирует, где находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске и т. п.), и обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем.

Представительный уровень отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации. Представительный уровень занят не только форматом и представлением фактических данных пользователя, но также структурами данных, которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня.

3.На сеансовом уровне компьютер пользователя взаимодействует с локальной или глобальной сетью. Протоколы этого уровня проверяют права пользователя на «выход в эфир» и передают документ к протоколам транспортного уровня.

Как указывает его название, сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления (как вы помните, сеансовый уровень обеспечивает своими услугами представительный уровень). Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основной регуляции диалогов (сеансов) сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней. Сеансовый уровень - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" - это по сути независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом). Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

4. .На транспортном уровне документ преобразуется в ту форму, в которой положено передавать данные в используемой сети. Например, он может нарезаться на небольшие пакеты стандартного размера.

Транспортный уровень Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных. Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспортировке данных, которые избавляют высшие слои от необходимости вникать в ее детали. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через объединенную сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

5. Сетевой уровень определяет маршрут движения данных в сети. Так, например если на транспортном уровне данные были «нарезаны» на пакеты, то на сетевом уровне каждый пакет должен получить адрес, по которому он должен быть доставлен независимо от прочих пакетов.

Сетевой уровень - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" - это по сути независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом). Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

6. Канальный уровень. Уровень соединения необходим для того, чтобы промодулировать сигналы, циркулирующие на физическом уровне, в соответствии с данными, полученным с сетевого уровня. Например в компьютере эти функции выполняет сетевая карта или модем.

Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

7. Физический уровень. Реальная передача данных происходит на физическом уровне. Здесь нет ни документов, ни пакетов, ни даже байтов - только биты, то есть, элементарные единицы представления данных. Восстановление документа из них произойдет постепенно, при переходе с нижнего на верхний уровень на компьютер клиента.

Средства физического уровня лежат за пределами компьютера. В локальных сетях это оборудование самой сети. При удаленной связи с использованием телефонных модемов это линии телефонной связи, коммутационное оборудование телефонных станций и т. п.

Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

На компьютере получателя информации происходит обратный процесс преобразования данных от битовых сигналов до документа.

Разные уровни протоколов сервера и клиента не взаимодействуют друг с другом напрямую, но они взаимодействуют через физический уровень. Постепенно переходя с верхнего уровня на нижний, данные непрерывно преобразуются, «обрастают» дополнительными данными, которые анализируются протоколами соответствующих уровней на сопредельной стороне. Это создает эффект виртуального взаимодействия уровней между собой.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим простой пример взаимодействия двух корреспондентов с помощью обычной почты. Если они регулярно отправляют друг другу письма и, соответственно, получают их, то они могут полагать, что между ними существует соединение на пользовательском (прикладном уровне). Однако это не совсем так. Такое соединение можно назвать виртуальным. Оно было бы физическим, если бы каждый из корреспондентов лично относил другому письмо и вручал в собственные руки. В реальной жизни он бросает его в почтовый ящик и ждет ответа.

Сбором писем из общественных почтовых ящиков и доставкой корреспонденции в личные почтовые ящики занимаются местные почтовые службы. Это другой уровень модели связи, лежащий ниже. Для того чтобы наше письмо достигло адресата в другом городе, должна существовать связь между нашей местной почтовой службой и его местной почтовой службой. Однако никакой физической связью эти службы не обладают - поступившую почтовую корреспонденцию они только сортируют и передают на уровень федеральной почтовой службы.

Федеральная почтовая служба в своей работе опирается на службы очередного уровня, например на почтово-багажную службу железнодорожного ведомства. И только рассмотрев работу этой службы, мы найдем, наконец, признаки физического соединения, например железнодорожный путь, связывающий два города.

Важно обратить внимание на то, что в нашем примере образовалось несколько виртуальных соединений между аналогичными службами, находящимися в пунктах отправки и приема. Не вступая в прямой контакт, эти службы взаимодействуют между собой. На каком-то уровне письма укладываются в мешки, мешки пломбируют, к ним прикладывают сопроводительные документы, которые где-то в другом городе изучаются и проверяются на аналогичном уровне.

Ниже в таблице приводится аналогия между уровнями модели OSI и операциями служб пересылки обычной почты.

Уровень модели OSI	Аналогия
Прикладной уровень	Письмо написано на бумаге. Определено его содержание
Уровень представления	Письмо запечатано в конверт. Конверт заполнен. Наклеена марка. Клиентом соблюдены необходимые требования протокола доставки
Сеансовый уровень	Письмо опущено в почтовый ящик. Выбрана служба доставки.
Транспортный уровень	Письмо доставлено на почтамт. Оно отделено от писем, с доставкой которых местная почтовая служба справилась бы самостоятельно
Сетевой уровень	После сортировки письмо уложено в мешок. Появилась новая единица доставки - мешок
Уровень соединения	Мешки писем уложены в вагон. Появилась новая единица доставки - вагон
Физический уровень	Вагон прицеплен к локомотиву. Появилась новая единица доставки - состав. За доставку взялось другое ведомство, действующее по другим протоколам

Чтобы различные компьютеры сети могли установить связь друг с другом, они должны “разговаривать” на одном языке, то есть использовать один и тот же протокол. Протокол - это “язык”, используемый для обмена данными при работе в сети. Существует множество протоколов, каждый из них выполняет различные задачи. На разных уровнях модели OSI используются различные протоколы.

Ethernet – это протокол Уровня соединения, используемый большинством современных локальных сетей. Протокол Ethernet обеспечивает унифицированный интерфейс к сетевой среде передачи, который позволяет операционной системе использовать для приема и передачи данных несколько протоколов Сетевого уровня одновременно. Token Ring – это альтернатива «классическому» протоколу Ethernet на Уровне соединения.

Для возможности передачи информации по сетевым каналам связи необходимо установить протокол обмена сообщениями (пакетами). Существует несколько таких протоколов. Наиболее широко используются следующие: NetBEUI , IPX / SPX , TCP / IP . Протоколы NETBEUI и IPX / SPX - используется в локальных сетях. Протоколы TCP / IP являются базовыми протоколами глобальной сети Интернет.

Протокол TCP / IP

Со времени своего создания в 1970-х, стек протоколов TCP/IP был развит в промышленный стандарт для протоколов передачи данных на Сетевом и Транспортном уровнях модели OSI. В дополнение, стек включает множество протоколов, работающих на самых разных уровнях OSI, от Канального уровня внизу, до Прикладного уровня наверху.

Создатели операционных систем стремятся упростить стек сетевых протоколов, чтобы сделать более понятным среднему пользователю. Например, на рабочей станции Windows установка протоколов TCP/IP выполняется с помощью выбора одного единственного условного протокола, хотя на самом деле при этом осуществляется поддержка всего семейства протоколов, из которых TCP (протокол управления передачей) и IP (Интернет-протокол) – всего лишь два представителя.

Понимание принципов работы каждого из протоколов семейства TCP/IP, а также механизмов их взаимодействия между собой для обеспечения соответствующих коммуникационных сервисов, представляется крайне важным для процессов обслуживания и устранения неисправностей TCP/IP- сетей.

Можно указать несколько причин тому, что TCP/IP стал набором протоколов, используемым большинством сетей, не последняя из которых – то, что эти протоколы применяются в Интернете. Протоколы TCP/IP были разработаны для поддержки зарождавшейся сети Интернет (в то время носившей название ARPANET), еще до появления персональных компьютеров, когда почти ничего не было слышно о возможности взаимодействия между компьютерными продуктами разных производителей. Интернет был тогда и остаётся сейчас сетью, состоящей из компьютеров различных типов, и, соответственно, требовался именно тот набор протоколов, который был бы общим для всех них. Главным элементом, отличающим TCP/IP от остальных стеков протоколов, обеспечивающих серверы Сетевого и Транспортного уровней, является собственная уникальная система адресаций. Каждому устройству сети TCP/IP присваивается IP-адрес (иногда больше, чем один), однозначно идентифицирующий это устройство для других систем..

Архитектура вычислительной сети - описание ее общей модели.

Многообразие производителей вычислительных сетей и сетевых программных продуктов поставило проблему объединения сетей различных архитектур. Для ее решения МОС разработала модель архитектуры открытых систем.

Открытая система - система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

Предложенная модель архитектуры открытых систем служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования. Эта модель не является неким физическим телом, отдельные элементы которого можно осязать. Модель представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов. Эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей.

Рис. 8. Эталонная модель архитектуры открытых систем.

В настоящее время модель взаимодействия открытых систем (ВОС) является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. Модель рассматривает общие функции, а не специальные решения, поэтому не все реальные сети абсолютно точно ей следуют. Модель взаимодействия открытых систем состоит из семи уровней (рис. 8).

7-й уровень - прикладной - обеспечивает поддержку прикладных процессов конечных пользователей. Этот уровень определяет круг прикладных задач, реализуемых в данной вычислительной сети. Он также содержит все необходимые элементы сервиса для прикладных программ пользователя. На прикладной уровень могут быть вынесены некоторые задачи сетевой операционной системы.

6-й уровень - представительный - определяет синтаксис данных в модели, т.е. представление данных. Он гарантирует представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе. В некоторых системах этот уровень может быть объединен с прикладным.

5-й уровень - сеансовый - реализует установление и поддержку сеанса связи между двумя абонентами через коммуникационную сеть. Он позволяет производить обмен данными в режиме, определенном прикладной программой, или предоставляет возможность выбора режима обмена. Сеансовый уровень поддерживает и завершает сеанс связи.

Три верхних уровня объединяются под общим названием - процесс или прикладной процесс. Эти уровни определяют функциональные особенности вычислительной сети как прикладной системы.

4-й уровень - транспортный - обеспечивает интерфейс между процессами и сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и обеспечивает передачу по этим каналам информационных пакетов, которыми обмениваются процессы. Логические каналы, устанавливаемые транспортным уровнем, называются транспортными каналами.

Пакет - группа байтов, передаваемых абонентами сети друг другу.

3-й уровень - сетевой - определяет интерфейс оконечного оборудования данных пользователя с сетью коммутации пакетов. Он также отвечает за маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети и за связь между сетями - реализует межсетевое взаимодействие.

Примечание. В технике коммуникаций используется термин оконечное оборудование данных. Он определяет любую аппаратуру, подключенную к канал; связи, в системе обработки данных (компьютер, терминал, специальная аппаратура).

2-й уровень - канальный - уровень звена данных - реализует процесс передачи информации по информационному каналу. Информационный канал - логический канал, он устанавливается между двумя ЭВМ, соединенными физическим каналом Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, в которых упаковываются информационные пакеты, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных.

1-й уровень - физический - выполняет все необходимые процедуры в канале связи. Его основная задача - управление аппаратурой передачи данных и подключенным к ней каналом связи.

При передаче информации от прикладного процесса в сеть происходит ее обработка уровнями модели взаимодействия открытых систем (рис. 9).

Рис. 9. Обработка сообщений уровнями модели ВОС

Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. В нашем случае заголовок, очевидно, должен содержать информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить. Поле данных сообщения может быть пустым или содержать какие-либо данные, например те, которые необходимо записать в удаленный файл. Но для того чтобы доставить эту информацию по назначению, предстоит решить еще много задач, ответственность за которые несут нижележащие уровни.

После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. (Некоторые реализации протоколов помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого «концевика».) Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение «обрастает» заголовками всех уровней (рис. 9.1).

Когда сообщение по сети поступает на машину - адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Заголовки верхних уровней нижними уровнями не воспринимаются и не изменяются - они "прозрачны " для нижних уровней. Так, перемещаясь по уровням модели ВОС, информация, наконец, поступает к процессу, которому она была адресована.

Достоинство семиуровневой модели ВОС.

В процессе развития и совершенствования любой системы возникает потребность изменять ее отдельные компоненты. Иногда это вызывает необходимость изменять и другие компоненты, что существенно усложняет и затрудняет процесс модернизации системы.

Здесь и проявляются преимущества семиуровневой модели. Если между уровнями определены однозначно интерфейсы, то изменение одного из уровней не влечет за собой необходимости внесения изменений в другие уровни. Таким образом, существует относительная независимость уровней друг от друга.

Необходимо сделать и еще одно замечание относительно реализации уровней модели ВОС в реальных вычислительных сетях. Функции, описываемые уровнями модели, должны быть реализованы либо в аппаратуре, либо в виде программ.

Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, мультиплексоры передачи данных, сетевые платы и т.д.

Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей - драйверов.

Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить несколько отдельных задач:

· Распознать данные (выбрать данные для передачи из файловой системы);

· Разбить данные на управляемые блоки (сообщение – на пакеты);

· Добавить информацию к каждому блоку (адрес источника, адрес приемника, информацию для синхронизации и информацию для проверки ошибок);

· Поместить данные в сеть и отправить их по указанному адресу.

Сетевая операционная система при выполнении всех задач следует строгому набору процедур. Эти процедуры называются протоколами или правилами поведения. Протоколы регламентируют каждую сетевую операцию. Стандартные протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению различных производителей нормально взаимодействовать.

Модель OSI (Open System Interconnection reference model – эталонная модель взаимодействия открытых систем) представляет собой набор стандартных протоколов. Она создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO в 1984 г.

Архитектура модели

В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы.

Таблица 9.1.

Модель сетевой архитектуры

На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней, вышележащего и нижележащего. Например, Транспортный уровень должен взаимодействовать только с Сеансовым и Сетевым уровнем.

Нижние уровни – Физический и Канальный определяют физическую среду передачи данных и сопутствующие задачи (такие, как передача битов данных через плату сетевого адаптера и кабель). Самые верхние уровни определяют, каким способом осуществляется доступ приложений к услугам связи. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

Взаимодействие уровней модели OSI

Задача каждого уровня – предоставление услуг вышележащему уровню, «маскируя» детали реализации этих услуг. При этом каждый уровень на одном компьютере работает так, будто он напрямую связан с таким же уровнем на другом компьютере. Эта логическая, или виртуальная, связь между одинаковыми уровнями показана на рис.9.9. Однако в действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера – программное обеспечение, работающее на каждом уровне, реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов.

Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний (см. рис.9.9).

Рис.9.9 Взаимодействие уровней сетевой модели

Рассмотрим этот процесс более подробно. Пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить (заголовок должен содержать информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую над ним надо выполнить). Прикладной уровень направляет сообщение вниз по стеку представительному уровню.

Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию – заголовок представительского уровня, в котором содержатся указания для протокола представительского уровня машины адресата.

Наконец, сообщение достигает физического уровня, который передает его по линиям связи машине адресата. К этому моменту сообщение «обрастает» заголовками всех уровней. Когда сообщение по сети поступает на машину адресата, оно принимается физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Прикладной уровень

Представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Этот уровень обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие, как программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных и электронная почта. Единица данных на этом уровне – сообщение. На данном уровне действуют протоколы: FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов), HTTP (Hyper Text Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – протокол передачи электронной почты), Telnet (протокол эмуляции терминала) и др.

Представительский уровень

Определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми компьютерами. Этот уровень можно назвать переводчиком. На компьютере-отправителе данные, поступившие от Прикладного уровня, на этом уровне переводятся в общепонятный промежуточный формат. На компьютере-получателе на этом уровне происходит перевод из промежуточного формата в тот, который используется Прикладным уровнем данного компьютера. Представительский уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их шифрование, смену или преобразование применяемого набора символов (кодовой таблицы), управляет сжатием данных для уменьшения передаваемых битов.

Сеансовый уровень

Данный уровень позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек. Таким образом, в случае сетевой ошибки, потребуется заново передавать только данные, следующие за последней контрольной точкой. На этом уровне выполняется управление диалогом между взаимодействующими процессами, т.е. регулируется, какая из сторон осуществляет передачу, когда, как долго и т.д. на практике функции этого уровня обычно объединяют с прикладным уровнем и реализуют в одном протоколе.

Транспортный уровень

На транспортном уровне сообщения, поступающие с верхних уровней, переупаковываются: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На пути передачи пакеты могут быть искажены/утеряны, поэтому транспортный уровень обеспечивает верхним уровням (сеансовому и прикладному) передачу данных с необходимым уровнем надежности.

Модель OSI предусматривает несколько классов сервиса, предоставляемого транспортным уровнем, которые отличаются качеством услуг:

1) срочностью передачи;

2) возможностью восстановления прерванной связи;

3) возможностью обнаружения и исправления ошибок;

4) возможностью определения потери или дублирования пакетов.

На этом уровне работают два протокола UPD и TCP, которые реализуют различные режимы доставки пакетов.

Протокол UPD (User Datagram Protocol – дейтограммный протокол) используется в том случае, когда задача надежного обмена данными либо вообще не ставится, либо решается средствами более высокого уровня (системными прикладными службами или пользовательскими приложениями).

Протокол TCP (Transmission Control Protocol – протокол установления соединения) обеспечивает гарантированную доставку пакетов. Протокол устанавливает логическое соединение между комьютерами-абонентами, что позволяет ему нумеровать пакеты, подтверждать их прием квитанциями, в случае их потери организовать повторные передачи, распознавать и уничтожать дубликаты.

Сетевой уровень

Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, возможно, разных технологий. Внутри локальной сети используется адресация канального уровня – mac – адресация, для передачи пакетов между сетями такая адресация не годится. Требуется новая система адресации – структурированный IP – адрес, в котором выделяются, по крайней мере, 2 части (номер сети и номер узла в данной сети). Таким образом, на сетевом уровне термин «сеть» - это совокупность рабочих станций, соединенных по типовой технологии и использующих один из протоколов канального уровня. Это совокупность компьютеров с одинаковым номером сети.

Сети соединяются между собой с помощью маршрутизаторов, которые работают с IP – адресами. Чтобы передать пакет из одной сети в другую, необходимо выполнить несколько транзитных передач через другие сети, т.е. выполнить несколько «хопов» (hop – прыжок).

Прежде чем передавать данные каждый маршрутизатор строит таблицу маршрутизации, в которой указывается, как передавать пакет до каждой сети назначения. Для этого маршрутизатор производит обмен данными с другими маршрутизаторами, таким образом, у каждого маршрутизатора в результате образуется структура связей в сети, по которой он может выбрать маршруты. При выборе маршрутов используются критерии, которые указываются в IP – заголовке пакета.

Другие задачи сетевого уровня:

1) согласование разных технологий (трансляция пакетов);

2) преобразование IP – адреса следующего маршрутизатора в mac-адрес с тем, чтобы сформировать заголовок канального уровня при выполнении хопа;

3) если пакет передается из сети с большим значением МТИ в сеть с меньшим значением (Ethernet→Token Ring), то маршрутизатор фрагментирует пакет, т.е. разбивает его на меньшие блоки.

На сетевом уровне работают, по крайней мере, два вида протоколов:

1) Сетевые протоколы, которые непосредственно продвигают пакеты в сложной сети

IP – Internet Protocol

IPX – Internet Protocol фирмы Novell

2) Протоколы маршрутизации, которые перед отправкой пакетов собирают информацию о связях в сети и строят в итоге таблицу маршрутизации, по которой и работают сетевые протоколы.

RIP – Routing Internet Protocol; OSPF, RIP

Канальный уровень

Осуществляет передачу кадров данных от Сетевого уровня к Физическому. Кадр – это логически организованная структура, в которые можно помещать данные (см рис.9.10). Канальный уровень компьютера получателя упаковывает «сырой» поток битов, поступающих от Физического уровня, в кадры данных. Данный уровень решает задачи доступа к каналу связи, обнаруживает и корректирует ошибки с помощью CRC (остаток избыточной циклической суммы), руководит повтором передачи (в случае повреждения или потери кадров), проверкой mac – адреса. Примеры протоколов, работающих на канальном уровне: Token Ring, FDDI, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM которые реализуются в персональных компьютерах, коммутаторах, маршрутизаторах, сетевых адаптерах.

Рис. 9.10 Структура кадра

Физический уровень

Этот уровень осуществляет передачу неструктурированного, «сырого» потока битов по физической среде (например, сетевому кабелю). Здесь реализуются электрический, оптический, механический и функциональный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также формирует сигналы, которые переносят данные, поступившие от вышележащих уровней. На этом уровне определяется тип сетевого кабеля и способ его соединения с платой сетевого адаптера, в частности, количество контактов в разъемах и их функции. Кроме того, здесь определяется способ передачи данных по сетевому кабелю (Ethernet и Token Ring). Физический уровень предназначен для передачи битов (нулей и единиц) от одного компьютера к другому. Содержание самих битов на данном уровне значения не имеет. Этот уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов, гарантируя, что переданная единица будет воспринята именно как единица, а не как ноль. Данный уровень устанавливает длительность каждого бита и способ перевода бита в соответствующие электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю. На физическом уровне также определяют, используется ли для передачи данных симплексный, полудуплексный или дуплексный режим связи. Он содержит подробности о сетевой топологии.

Аннотация: Методологическое обоснование открытых систем как совокупности концепций и основанных на них эталонных моделей. Модель OSI.

2.1. Методологический базис открытых систем

Процесс стандартизации информационных технологий должен иметь методологическое основание , которое позволило бы обоснованно определять объекты, методы и инструменты стандартизации. При этом понятие информационные технологии трактуется следующим образом: " Информационные технологии включают в себя спецификацию, проектирование и разработку программно-аппаратных и телекоммуникационных систем и средств, имеющих дело с поиском и сбором информации, представлением, организацией, обработкой, безопасностью, хранением, передачей, а также обменом и управлением информацией". Такое толкование и единая методологическая база реализована в виде методологического базиса открытых систем .

Методологически базис открытых систем состоит из совокупности концепций и основанных на них эталонных моделей:

концептуальная основа и принципы построения открытых систем;
эталонная модель окружений открытых систем (Open System Environment Reference Model - OSE RM);
эталонная модель взаимосвязи открытых систем (Open Systems Interconnection Reference Model - OSI RM);
аппарат разработки и использования профилей ИТ/ИС, предназначенный для создания открытых систем в пространстве стандартизованных решений;
таксономия профилей;
концепция тестирования конформности систем ИТ исходным стандартам и профилям.

Наиболее весомыми результатами в становлении методологии базиса открытых систем сегодня являются:

создание системы специализированных международных организаций по целостной разработке и стандартизации открытых систем;
разработка эталонных моделей и соответствующих им базовых спецификаций для важнейших разделов области ИТ, что позволило сформировать концептуальный и функциональный базис пространства для создания информационных технологий и систем (ИТ/ИС);
разработка и широкое использование концепции профиля, предоставляющей аппарат для специфицирования и документирования сложных и многопрофильных открытых ИТ/ИС, задающих функциональности базовых спецификаций и/или профилей;
разработка таксономии профилей, представляющей собой классификационную систему ИТ/ИС и обеспечивающую систематическую идентификацию профилей в пространстве ИТ/ИС;
разработка концепции и методологии соответствия реализаций ИТ/ИС тем спецификациям, которые ими реализуются.

Методологический базис информационных технологий , основную часть которого составляют спецификации ИТ различных уровней абстракции, формируется на основе иерархического подхода, что способствует анализу его структуры с помощью некоторой многоуровневой модели.

Рис. 2.1.

Модель ориентирована на руководителей ИТ-служб и менеджеров проектов, ответственных за приобретение/разработку, внедрение, эксплуатацию и развитие информационных систем, состоящих их неоднородных программно-аппаратных и коммуникационных средств. Прикладные программы в среде OSE могут включать:

системы реального времени (Real Time System - RTS) и встроенные системы (Embedded System - ES);
системы обработки транзакций (Transaction Processing System - TPS);
системы управления базами данных (DataBase Management System - DBMS);
разнообразные системы поддержки принятия решения (Decision Support System - DSS);
управленческие информационные системы административного (Executive Information System - EIS) и производственного (Enterprise Resource Planning - ERP) назначения;
географические информационные системы (Geographic Information System - GIS);
другие специализированные системы, в которых могут применяться спецификации, рекомендуемые международными организациями.

С точки зрения производителей и пользователей среда OSE является достаточно универсальной функциональной инфраструктурой, регламентирующей и облегчающей разработку или приобретение, эксплуатацию и сопровождение прикладных защищенных систем, которые:

выполняются на любой используемой платформе поставщика или пользователя;
используют любую операционную систему;
обеспечивают доступ к базе данных и управление данными;
обмениваются данными и взаимодействуют через сети любых поставщиков и в локальных сетях потребителей;
взаимодействуют с пользователями через стандартные интерфейсы в системе общего интерфейса "пользователь - компьютер".

Таким образом, среда OSE поддерживает "переносимые, масштабируемые и взаимодействующие прикладные компьютерные программы через стандартные функциональности, интерфейсы, форматы данных, протоколы обмена и доступа".

Стандартами могут быть международные, национальные и другие общедоступные спецификации и соглашения. Эти стандарты и спецификации доступны любому разработчику, поставщику и пользователю вычислительного и коммуникационного программного обеспечения и оборудования при построении систем и средств, удовлетворяющих критериям OSE.

переносимы , если они реализованы на стандартных платформах и написаны на стандартизованных языках программирования. Они работают со стандартными интерфейсами, которые связывают их с вычислительной средой, читают и создают данные в стандартных форматах и передают их в соответствии со стандартными протоколами, выполняющимися в различных вычислительных средах.

Прикладные программы и средства OSE масштабируемы в среде различных платформ и сетевых конфигураций - от персональных компьютеров до мощных серверов, от локальных систем для распараллеленных вычислений до крупных GRID-систем. Разницу в объемах вычислительных ресурсов на любой платформе пользователь может заметить по некоторым косвенным признакам, например по скорости выполнения прикладной программы, но никогда - по отказам работы системы.

Прикладные программы и средства OSE взаимодействуют друг с другом , если они предоставляют услуги пользователю, используя стандартные протоколы, форматы обмена данными и интерфейсы систем совместной или распределенной обработки данных для целенаправленного использования информации. Процесс передачи информации с одной платформы на другую через локальную вычислительную сеть или комбинацию любых сетей (вплоть до глобальных) должен быть абсолютно прозрачен для прикладных программ и пользователей и не вызывать технических трудностей при использовании. При этом местонахождение и расположение других платформ, операционных систем, баз данных, программ и пользователей не должно иметь значения для используемого прикладного средства.

Рабочая группа 1003.0 POSIX IEEE разработала эталонную модель OSE (Open Systems Environment / Reference Model - OSE/RM). Эта модель описана на международном уровне в техническом отчете TR 14250 комитета JTC1 ( рис. 2.2).

В описании модели используется два типа элементов:

логические объекты , включающие в себя прикладное программное обеспечение (ППО), прикладные платформы и внешнюю функциональную среду;
интерфейсы , содержащие интерфейс прикладной системы и интерфейс обмена с внешней средой.

Логические объекты представлены тремя классами, интерфейсы - двумя. В контексте эталонной модели OSE прикладное программное обеспечение включает в себя непосредственно коды программ, данные, документацию, тестирующие, вспомогательные и обучающие средства ( рис. 2.3).

Рис. 2.3.

Прикладная платформа состоит из совокупности программно-аппаратных компонентов, реализующих системные услуги, которые используются ППО. Понятие прикладной платформы не включает конкретной реализации функциональных возможностей. Например, платформа может представлять собой как процессор, используемый несколькими приложениями, так и большую распределенную систему.

Внешняя среда платформ состоит из элементов, внешних по отношению к ППО и прикладной платформе (рабочие станции, внешние периферийные устройства сбора, обработки и передачи данных, объекты коммуникационной инфраструктуры, услуги других платформ, операционных систем или сетевых устройств).

Интерфейс прикладной программы (Application Program Interface - API) является интерфейсом между ППО и прикладной платформой. Основная функция API - поддержка переносимости ППО. Классификация API производится в зависимости от типа реализуемых услуг: взаимодействие в системе "пользователь - компьютер", обмен информацией между приложениями, внутренние услуги системы, коммуникационные услуги.

Интерфейс обмена с внешней средой (External Environment Interface - EEI) обеспечивает передачу информации между прикладной платформой и внешней средой, а также между прикладными программами, которые выполняются на одной платформе.

Рис. 2.4.

Эталонная модель OSE/RM реализует и регулирует взаимоотношения "поставщик - пользователь". Логические объекты прикладной платформы и внешней среды являются поставщиком услуг, ППО - пользователем. Они взаимодействуют с помощью набора API и EEI интерфейсов, определенных моделью POSIX OSE ( рис. 2.4) .

Интерфейс EEI представляет собой совокупность всех трёх интерфейсов (CSI, HCI, ISI), каждый из которых имеет характеристики, определяемые внешним устройством ( рис. 2.5):

интерфейс коммуникационных сервисов (Communication Service Interface - CSI) - интерфейс, который обеспечивает сервис для реализации взаимодействия с внешними системами. Реализация взаимодействия осуществляется с помощью стандартизации протоколов и форматов данных, которыми можно обмениваться по установленным протоколам
человеко-машинный интерфейс (Human Computer Interface - HCI) - интерфейс, через который осуществляется физическое взаимодействие пользователя и системы программного обеспечения
интерфейс информационных сервисов (Information Service Interface - ISI) - граница взаимодействия с внешней памятью долговременного хранения данных. Обеспечивается стандартизацией форматов и синтаксиса представления данных.

Рис. 2.5.

Прикладная платформа через оба основных интерфейса к платформе предоставляет сервисы для различных применений.

Среда OSE обеспечивает функционирование ППО, используя определенные правила, компоненты, методы сопряжения элементов системы (Plug Compatibility) и модульный подход к разработке программных и информационных систем. Достоинствами модели являются выделение внешней среды в самостоятельный элемент, имеющий определенные функции и соответствующий интерфейс, и возможность ее применения для описания систем, построенных на основе архитектуры "клиент-сервер". Относительный недостаток - еще не все требуемые спецификации представлены на уровне международных гармонизированных стандартов.

Для определения задач, поставленных перед сложным объектом, а также для выделения главных характеристик и параметров, которыми он должен обладать, создаются общие модели таких объектов. Общая модель вычислительной сети определяет характеристики сети в целом и характеристики и функции входящих в нее основных компонентов.

Архитектура вычислительной сети - описание ее общей модели.____

Многообразие производителей вычислительных сетей и сетевых программных продуктов поставило проблему объединения сетей различных архитектур. Для ее решения МОС разработала модель архитектуры открытых систем.

Открытая система - система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

7-й уровень - прикладной - обеспечивает поддержку прикладных процессов конечных пользователей. Этот уровень определяет круг прикладных задач, реализуемых в данной вычислительной сети. Он также содержит все необходимые элементы сервиса для прикладных программ пользователя. На прикладной уровень могут быть вынесены некоторые задачи сетевой операционной системы.

6-й уровень - представительный - определяет синтаксис данных в модели, т.е. представление данных. Он гарантирует представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе. В некоторых системах этот уровень может быть объединен с прикладным.

5-й уровень - сеансовый - реализует установление и поддержку сеанса связи между двумя абонентами через коммуникационную сеть. Он позволяет производить обмен данными в режиме, определенном прикладной программой, или предоставляет возможность выбора режима обмена. Сеансовый уровень поддерживает и завершает сеанс связи.

Три верхних уровня объединяются под общим названием - процесс или прикладной процесс . Эти уровни определяют функциональные особенности вычислительной сети как прикладной системы.

Пакет - группа байтов, передаваемых абонентами сети друг другу.

3-й уровень - сетевой - определяет интерфейс оконечного оборудования данных пользователя с сетью коммутации пакетов. Он также отвечает за маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети и за связь между сетями - реализует межсетевое взаимодействие.

Рис. 6.16. Обработка сообщений уровнями модели ВОС

Примечание. В технике коммуникаций используется термин оконечное оборудование данных. Он определяет любую аппаратуру, подключенную к каналу связи, в системе обработки данных (компьютер, терминал, специальная аппаратура).

2-й уровень - канальный - уровень звена данных - реализует процесс передачи информации по информационному каналу. Информационный канал - логический канал, он устанавливается между двумя ЭВМ, соединенными физическим каналом. Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, в которые упаковываются информационные пакеты, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных.

1-й уровень - физический - выполняет все необходимые процедуры в канале связи. Его основная задача - управление аппаратурой передачи данных и подключенным к ней каналом связи.

При передаче информации от прикладного процесса в сеть происходит ее обработка уровнями модели взаимодействия открытых систем (рис. 6.16). Смысл этой обработки заключается в том, что каждый уровень добавляет к информации процесса свой заголовок - служебную информацию, которая необходима для адресации сообщений и для некоторых контрольных функций. Канальный уровень кроме заголовка добавляет еще и концевик - контрольную последовательность, которая используется для проверки правильности приема сообщения из коммуникационной сети.

Физический уровень заголовка не добавляет. Сообщение, обрамленное заголовками и концевиком, уходит в коммуникационную сеть и поступает на абонентские ЭВМ вычислительной сети. Каждая абонентская ЭВМ, принявшая сообщение, дешифрирует адреса и определяет, предназначено ли ей данное сообщение.

При этом в абонентской ЭВМ происходит обратный процесс - чтение и отсечение заголовков уровнями модели взаимодействия открытых систем. Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Заголовки верхних уровней нижними уровнями не воспринимаются и не изменяются - они "прозрачны " для нижних уровней. Так, перемещаясь по уровням модели ВОС, информация, наконец, поступает к процессу, которому она была адресована.

Внимание! Каждый уровень модели взаимодействия открытых систем реагирует только на свой заголовок.

Примечание. На рис. 6.16 показан процесс прохождения данных через уровни модели. Каждый уровень добавляет свой заголовок - 3.

В чем же основное достоинство семиуровневой модели ВОС? В процессе развития и совершенствования любой системы возникает потребность изменять ее отдельные компоненты. Иногда это вызывает необходимость изменять и другие компоненты, что существенно усложняет и затрудняет процесс модернизации системы.

Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей - драйверов.