Эталонная модель iso. Эталонная модель системы связи

Обобщенная структура любой программной или информационной системы может быть представлена, как было отмечено выше, двумя взаимодействующими частями:

• функциональной части , включающей в себя прикладные программы, которые реализуют функции прикладной области;
• среды или системной части , обеспечивающей исполнение прикладных программ.

С таким разделением и обеспечением взаимосвязи тесно связаны две группы вопросов стандартизации:

1. стандарты интерфейсов взаимодействия прикладных программ со средой ИС, прикладной программный интерфейс (Application Program Interface - API);
2. стандарты интерфейсов взаимодействия самой ИС с внешней для нее средой (External Environment Interface - EEI).

Эти две группы интерфейсов определяют спецификации внешнего описания среды ИС - архитектуру, с точки зрения конечного пользователя, проектировщика ИС, прикладного программиста, разрабатывающего функциональные части ИС.

Спецификации внешних интерфейсов среды ИС и интерфейсов взаимодействия между компонентами самой среды - это точные описания всех необходимых функций, служб и форматов определенного интерфейса.

Совокупность таких описаний составляет эталонную модель взаимосвязи открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI) . Эта модель используется более 30 лет, она "выросла" из сетевой архитектуры SNA (System Network Architecture), предложенной компанией IBM. Модель взаимосвязи открытых систем используется в качестве основы для разработки многих стандартов ISO в области ИТ. Публикация этого стандарта подвела итог многолетней работы многих известных стандартизующих организаций и производителей телекоммуникационных средств.

В 1984 году модель получила статус международного стандарта ISO 7498, а в 1993 году вышло расширенное и дополненное издание ISO 7498-1-93. Стандарт имеет составной заголовок "Информационно-вычислительные системы - Взаимосвязь (взаимодействие) открытых систем - Эталонная модель". Краткое название - "Эталонная модель взаимосвязи (взаимодействия) открытых систем" (Open Systems Interconnection / Basic Reference Model - OSI/BRM).

Модель основана на разбиении вычислительной среды на семь уровней, взаимодействие между которыми описывается соответствующими стандартами и обеспечивает связь уровней вне зависимости от внутреннего построения уровня в каждой конкретной реализации ( рис. 2.6).

Рис. 2.6.

Основным достоинством этой модели является детальное описание связей в среде с точки зрения технических устройств и коммуникационных взаимодействий. Вместе с тем она не принимает в расчет взаимосвязь с учетом мобильности прикладного программного обеспечения.

Преимущества "слоистой" организации модели взаимодействия заключаются в том, что она обеспечивает независимую разработку уровневых стандартов, модульность разработок аппаратуры и программного обеспечения информационно-вычислительных систем и способствует тем самым техническому прогрессу в этой области.

В стандарте ISO 7498 выделено семь уровней (слоев) информационного взаимодействия, которые отделены друг от друга стандартными интерфейсами:

1. уровень приложения (прикладной уровень)
2. уровень представления
3. сеансовый (уровень сессии)
4. транспортный
5. сетевой
6. канальный
7. физический.

В соответствии с этим, информационное взаимодействие двух или более систем представляет собой совокупность информационных взаимодействий уровневых подсистем, причем каждый слой локальной информационной системы взаимодействует, как правило, с соответствующим слоем удаленной системы. Взаимодействие осуществляется при помощи соответствующих протоколов связи и интерфейсов. Кроме того, применяя методы инкапсуляции, можно использовать одни и те же программные модули на различных уровнях.

Протоколом является набор алгоритмов (правил) взаимодействия объектов одноименных уровней различных систем.

Интерфейс - это совокупность правил, в соответствии с которыми осуществляется взаимодействие с объектом данного или другого уровня. Стандартный интерфейс в некоторых спецификациях может называться услугой.

Инкапсуляция - это процесс помещения фрагментированных блоков данных одного уровня в блоки данных другого уровня.

При разбиении среды на уровни соблюдались следующие общие принципы:

• не создавать слишком много мелких разбиений, так как это усложняет описание системы взаимодействий;
• формировать уровень из легко локализуемых функций это в случае необходимости позволяет быстро перестраивать уровень и существенно изменить его протоколы для использования новых решений в области архитектуры, программно-аппаратных средств, языков программирования, сетевых структур, не изменяя при этом стандартные интерфейсы взаимодействия и доступа;
• располагать на одном уровне аналогичные функции;
• создавать отдельные уровни для выполнения таких функций, которые явно различаются по реализующим их действиям или техническим решениям;
• проводить границу между уровнями в таком месте, где описание услуг является наименьшим, а число операций взаимодействий через границу (пересечение границы) сведено к минимуму;
• проводить границу между уровнями в таком месте, где в определенный момент должен существовать соответствующий стандартный интерфейс.

Каждый уровень имеет протокольную спецификацию, т.е. набор правил, управляющих взаимодействием равноправных процессов одного и того же уровня, и перечень услуг, которые описывают стандартный интерфейс с расположенным выше уровнем. Каждый уровень использует услуги расположенного ниже уровня, каждый расположенный ниже предоставляет услуги расположенному выше. Приведем краткую характеристику каждого уровня, отметив при этом, что в некоторых описаниях модели OSI нумерация уровней может идти в обратном порядке.

Уровень 1 - уровень приложения или прикладной уровень (Application Layer). Этот уровень связан с прикладными процессами. Протоколы уровня предназначены для обеспечения доступа к ресурсам сети и программам-приложениям пользователя. На данном уровне определяется интерфейс с коммуникационной частью приложений. В качестве примера протоколов прикладного уровня можно привести протокол Telnet, который обеспечивает доступ пользователя к "хосту" (главному вычислительному устройству, одному из основных элементов в многомашинной системе или любому устройству, подключенному к сети и использующему протоколы TCP/IP) в режиме удаленного терминала.

Прикладной уровень выполняет задачу обеспечения различных форм взаимодействия прикладных процессов, расположенных в разнообразных системах информационной сети. Для этого он осуществляет следующие функции:

• описание форм и методов взаимодействия прикладных процессов;
• выполнение различных видов работ (управление заданиями, передача файлов, управление системой и т. д.);
• идентификацию пользователей (партнеров взаимодействия) по их паролям, адресам, электронным подписям;
• определение функционирующих абонентов;
• объявление о возможности доступа к новым прикладным процессам;
• определение достаточности имеющихся ресурсов;
• посылку запросов на соединение с другими прикладными процессами;
• подачу заявок представительному уровню на необходимые методы описания информации;
• выбор процедур планируемого диалога процессов;
• управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы;
• синхронизацию взаимодействия прикладных процессов;
• определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок и т. д.);
• соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных;
• согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).

Прикладной уровень часто делится на два подуровня. Верхний подуровень включает сетевые службы. Нижний - содержит стандартные сервисные элементы, поддерживающие работу сетевых служб.

Уровень 2 - уровень представления (Presentation Layer). На этом уровне информация преобразуется к такому виду, в каком это требуется для выполнения прикладных процессов. Уровень представления обеспечивает кодирование данных, выдаваемых прикладными процессами, и интерпретацию передаваемых данных. Например, выполняются алгоритмы преобразования формата представления данных для печати - ASCII или КОИ-8. Или, если для визуализации данных используется дисплей, то эти данные по заданному алгоритму формируются в виде страницы, которая выводится на экран.

Представительный уровень выполняет следующие основные функции:

• выбор образа представлений из возможных вариантов;
• изменение образа представления в заданный виртуальный образ;
• преобразование синтаксиса данных (кодов, символов) в стандартный;
• определение формата данных.

Уровень 3 - сеансовый уровень или уровень сессии (Session Layer). На данном уровне устанавливаются, обслуживаются и прекращаются сессии между представительными объектами приложений (прикладными процессами). В качестве примера протокола сеансового уровня можно рассмотреть протокол RPC (Remote Procedure Call). Как следует из названия, данный протокол предназначен для отображения результатов выполнения процедуры на удаленном хосте. В процессе выполнения этой процедуры между приложениями устанавливается сеансовое соединение. Назначением данного соединения является обслуживание запросов, которые возникают, например, при взаимодействии приложения-сервера с приложением-клиентом.

Сеансовый уровень обеспечивает взаимодействие с транспортным уровнем, координирует прием и передачу данных одного сеанса связи, содержит функции управлениями паролями, подсчета платы за использование ресурсов сети и т.д. Этот уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

• установление и завершение на сеансовом уровне соединения между партнерами;
• выполнение нормального и срочного обмена данными между прикладными процессами;
• синхронизация работы сеансовых соединений;
• извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях;
• установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки;
• прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его корректное возобновление;
• прекращение сеанса без потери данных;
• передачу особых сообщений о ходе проведения сеанса.

Уровень 4 - транспортный уровень (Transport Layer). Транспортный уровень предназначен для управления потоками сообщений и сигналов. Управление потоком является важной функцией транспортных протоколов, поскольку этот механизм позволяет надёжно обеспечивать передачу данных по сетям с разнородной структурой, при этом в описание маршрута включаются все компоненты коммуникационной системы, обеспечивающие передачу данных на всем пути от устройств отправителя до приемных устройств получателя. Управление потоком заключается в обязательном ожидании передатчиком подтверждения приема обусловленного числа сегментов приемником. Количество сегментов, которое передатчик может отправить без подтверждения их получения от приемника, называется окном.

Существует два типа протоколов транспортного уровня - сегментирующие протоколы и дейтаграммные протоколы. Сегментирующие протоколы транспортного уровня разбивают исходное сообщение на блоки данных транспортного уровня - сегменты. Основной функцией таких протоколов является обеспечение доставки этих сегментов до объекта назначения и восстановление сообщения. Дейтаграммные протоколы не сегментируют сообщение, они отправляют его одним пакетом вместе с адресной информацией. Пакет данных, который называется "дейтаграмма" (Datagram), маршрутизируется в сетях с переключением адресов или передается по локальной сети прикладной программе или пользователю.

На транспортном уровне может выполняться также согласование сетевых уровней различных несовместимых сетей через специальные шлюзы. Рассматриваемый уровень определяет адресацию абонентских систем и административных систем. Главной задачей транспортного уровня является использование виртуальных каналов, проложенных между взаимодействующими абонентскими системами и административными системами, для передачи в пакетах блоков данных. Основные функции, выполняемые транспортным уровнем:

• управление передачей блоков данных и обеспечение их целостности;
• обнаружение ошибок, их частичная ликвидация, сообщение о неисправленных ошибках;
• восстановление передачи после отказов и неисправностей;
• укрупнение либо разукрупнение блоков данных;
• предоставление приоритетов при передаче блоков;
• передача подтверждений о переданных блоках данных;
• ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.

Кроме этого, транспортный уровень может восстанавливать блоки данных, потерянные на нижних уровнях.

Уровень 5 - сетевой уровень (Network Layer). Основной задачей протоколов сетевого уровня является определение пути, который будет использован для доставки пакетов данных при работе протоколов верхних уровней (маршрутизация). Для того чтобы пакет был доставлен до какого-либо заданного хоста, этому хосту должен быть поставлен в соответствие известный передатчику сетевой адрес. Группы хостов, объединенные по территориальному принципу, образуют сети. Для упрощения задачи маршрутизации сетевой адрес хоста составляется из двух частей: адреса сети и адреса хоста. Таким образом, задача маршрутизации распадается на две - поиск сети и поиск хоста в этой сети. На сетевом уровне могут выполняться следующие функции:

• создание сетевых соединений и идентификация их портов;
• обнаружение и исправлений ошибок, возникающих при передачи через коммуникационную сеть;
• управление потоками пакетов;
• организация (упорядочение) последовательностей пакетов;
• маршрутизация и коммутация;
• сегментация и объединение пакетов;
• возврат в исходное состояние;
• выбор видов сервиса.

Уровень 6 - канальный уровень или уровень звена данных (Data Link Layer). Назначением протоколов канального уровня является обеспечение передачи данных в среде передачи по физическому носителю. В канале формируется стартовый сигнал передачи данных, организуется начало передачи, производится сама передача, проводится проверка правильности процесса, производится отключение канала при сбоях и восстановление после ликвидации неисправности, формирование сигнала на окончание передачи и перевода канала в ждущий режим.

Таким образом, канальный уровень может выполнять следующие функции:

• организацию (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификацию их портов;
• передачу блоков данных;
• обнаружение и исправление ошибок;
• управление потоками данных;
• обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

На канальном уровне данные передаются в виде блоков, которые называются кадрами. Тип используемой среды передачи и её топология во многом определяют вид кадра протокола транспортного уровня, который должен быть использован. При использовании топологии "общая шина" (Common Bus) и "один-ко-многим" (Point-to-Multipoint) средства протокола канального уровня задают физические адреса, с помощью которых будет производиться обмен данными в среде передачи и процедура доступа к этой среде. Примерами таких протоколов являются протоколы Ethernet (в соответствующей части) и HDLC. Протоколы транспортного уровня, которые предназначены для работы в среде типа "один-к-одному" (Point-to-Point), не определяют физических адресов и имеют упрощенную процедуру доступа. Примером протокола такого типа является протокол PPP.

Уровень 7 - физический уровень (Physical Layer). Протоколы физического уровня обеспечивают непосредственный доступ к среде передачи данных для протоколов канального и последующих уровней. Данные передаются с помощью протоколов данного уровня в виде последовательностей битов (для последовательных протоколов) или групп битов (для параллельных протоколов). На этом уровне определяются набор сигналов, которыми обмениваются системы, параметры этих сигналов (временные и электрические) и последовательность формирования сигналов при выполнении процедуры передачи данных.

Физический уровень выполняет следующие функции:

• устанавливает и разъединяет физические соединения;
• передает последовательность сигналов;
• "прослушивает" в нужных случаях каналы;
• выполняет идентификацию каналов;
• оповещает о появлении неисправностей и отказов.

Кроме того, на данном уровне формулируются требования к электрическим, физическим и механическим характеристикам среды передачи, передающих и соединительных устройств.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Указанные выше функции всех уровней можно отнести к одной из двух групп: либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями вне зависимости от устройства сети, либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети.

Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый ориентированы на приложения и практически не зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие-либо изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию.

Стандартизация интерфейсов обеспечивает полную прозрачность взаимодействия вне зависимости от того, каким образом устроены уровни в конкретных реализациях (службах) модели.

Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов. Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточна, и не слишком гибка. Поэтому реальные сетевые средства, предлагаемые различными фирмами, не обязательно придерживаются принятого разделения функций. Однако знакомство с моделью OSI позволяет лучше понять, что же происходит в сети.

Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рис. 5.1). При этом вышестоящие уровни выполняют более сложные, глобальные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня – предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые и конкретные функции. В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше и ниже него). Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в данный момент приложению, нижний – непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Рис. 5.1. Семь уровней модели OSI

Модель OSI относится не только к локальным сетям, но и к любым сетям связи между компьютерами или другими абонентами. В частности, функции сети Интернет также можно поделить на уровни в соответствии с моделью OSI. Принципиальные отличия локальных сетей от глобальных, с точки зрения модели OSI, наблюдаются только на нижних уровнях модели.

Функции, входящие в показанные на рис. 5.1 уровни, реализуются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень на одном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента. Между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная (логическая) связь, например, между прикладными уровнями взаимодействующих по сети абонентов. Реальную же, физическую связь (кабель, радиоканал) абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне. В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Путь информации от абонента к абоненту

Данные, которые необходимо передать по сети, на пути от верхнего (седьмого) уровня до нижнего (первого) проходят процесс инкапсуляции (рис. 4.6). Каждый нижеследующий уровень не только производит обработку данных, приходящих с более высокого уровня, но и снабжает их своим заголовком, а также служебной информацией. Такой процесс обрастания служебной информацией продолжается до последнего (физического) уровня. На физическом уровне вся эта многооболочечная конструкция передается по кабелю приемнику. Там она проделывает обратную процедуру декапсуляции, то есть при передаче на вышестоящий уровень убирается одна из оболочек. Верхнего седьмого уровня достигают уже данные, освобожденные от всех оболочек, то есть от всей служебной информации нижестоящих уровней. При этом каждый уровень принимающего абонента производит обработку данных, полученных с нижеследующего уровня в соответствии с убираемой им служебной информацией.

Если на пути между абонентами в сети включаются некие промежуточные устройства (например, трансиверы, репитеры, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы), то и они тоже могут выполнять функции, входящие в нижние уровни модели OSI. Чем больше сложность промежуточного устройства, тем больше уровней оно захватывает. Но любое промежуточное устройство должно принимать и возвращать информацию на нижнем, физическом уровне. Все внутренние преобразования данных должны производиться дважды и в противоположных направлениях (рис. 5.3). Промежуточные сетевые устройства в отличие от полноценных абонентов (например, компьютеров) работают только на нижних уровнях и к тому же выполняют двустороннее преобразование.

Рис. 5.3. Включение промежуточных устройств между абонентами сети

Рассмотрим подробнее функции разных уровней.

• Прикладной (7) уровень (Application Layer) или уровень приложений обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например, программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет всеми остальными шестью уровнями. Например, если пользователь работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своей директории на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает перемещение файла с рабочего компьютера на сетевой диск прозрачно для пользователя.
• Представительский (6) уровень (Presentation Layer) или уровень представления данных определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, то есть выполняет функцию переводчика. Здесь же производится шифрование и дешифрирование данных, а при необходимости – и их сжатие. Стандартные форматы существуют для текстовых файлов (ASCII, EBCDIC, HTML), звуковых файлов (MIDI, MPEG, WAV), рисунков (JPEG, GIF, TIFF), видео (AVI). Все преобразования форматов делаются на представительском уровне. Если данные передаются в виде двоичного кода, то преобразования формата не требуется.
• Сеансовый (5) уровень (Session Layer) управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь). Этот уровень предусматривает три режима установки сеансов: симплексный (передача данных в одном направлении), полудуплексный (передача данных поочередно в двух направлениях) и полнодуплексный (передача данных одновременно в двух направлениях). Сеансовый уровень может также вставлять в поток данных специальные контрольные точки, которые позволяют контролировать процесс передачи при разрыве связи. Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.
• Транспортный (4) уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, а также в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Доставка пакетов возможна как с установлением соединения (виртуального канала), так и без. Транспортный уровень является пограничным и связующим между верхними тремя, сильно зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, сильно привязанными к конкретной сети.
• Сетевой (3) уровень (Network Layer) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен (логических адресов, например, IP-адресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно). На этом же уровне решается задача выбора маршрута (пути), по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов). На сетевом уровне действуют такие сложные промежуточные сетевые устройства, как маршрутизаторы.
• Канальный (2) уровень или уровень управления линией передачи (Data link Layer) отвечает за формирование пакетов (кадров) стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи путем подсчета контрольных сумм, и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов. Канальный уровень делится на два подуровня: верхний LLC и нижний MAC. На канальном уровне работают такие промежуточные сетевые устройства, как, например, коммутаторы.
• Физический (1) уровень (Physical Layer) – это самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в используемой среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д. На физическом уровне работают такие сетевые устройства, как трансиверы, репитеры и репитерные концентраторы.

Большинство функций двух нижних уровней модели (1 и 2) обычно реализуются аппаратно (часть функций уровня 2 – программным драйвером сетевого адаптера). Именно на этих уровнях определяется скорость передачи и топология сети, метод управления обменом и формат пакета, то есть то, что имеет непосредственное отношение к типу сети, например, Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Более высокие уровни, как правило, не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3, 4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 никак не связаны с аппаратурой, замены одного типа аппаратуры на другой они не замечают.

Как уже отмечалось, в уровне 2 (канальном) нередко выделяют два подуровня (sublayers) LLC и MAC (рис. 5.4):

• Верхний подуровень (LLC – Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи. Строго говоря, эти функции не связаны с конкретным типом сети, но часть из них все же возлагается на аппаратуру сети (сетевой адаптер). Другая часть функций подуровня LLC выполняется программой драйвера сетевого адаптера. Подуровень LLC отвечает за взаимодействие с уровнем 3 (сетевым).
• Нижний подуровень (MAC – Media Access Control) обеспечивает непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети. Именно на подуровне MAC осуществляется взаимодействие с физическим уровнем. Здесь производится контроль состояния сети, повторная передача пакетов заданное число раз при коллизиях, прием пакетов и проверка правильности передачи.

Помимо модели OSI существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии), которую можно рассматривать как модификацию, развитие, уточнение модели OSI. Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации) относятся к нижним двум уровням модели OSI и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер:

Рис. 5.4. Подуровни LLC и MAC канального уровня

802.1 – объединение сетей с помощью мостов и коммутаторов

802.2 – управление логической связью на подуровне LLC.

802.3 – локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией шина (Ethernet).

802.4 – локальная сеть с топологией шина и маркерным доступом (Token-Bus).

802.5 – локальная сеть с топологией кольцо и маркерным доступом (Token-Ring).

802.6 – городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) с расстояниями между абонентами более 5 км.

802.7 – широкополосная технология передачи данных.

802.8 – оптоволоконная технология.

802.9 – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных.

802.10 – безопасность сетей, шифрование данных.

802.11 – беспроводная сеть по радиоканалу (WLAN – Wireless LAN).

802.12 – локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда (100VG-AnyLAN).

В 1978 г. ISO (International Standards Organization) выпустила на­бор спецификаций, описывающих модель взаимодействия открытых систем, т.е. систем, доступных для связи с другими системами. Это был первый шаг к международной стандартизации протоколов. Все системы могли теперь использовать одинаковые протоколы и стан­дарты для обмена информацией.

В 1984 г. ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO. Эта вер­сия стала международным стандартом. Ее спецификации использу­ют производители при разработке сетевых продуктов, ее придержи­ваются при построении сетей. Полностью модель носит название ISO OSI (Open System Interconnection Reference Model). Для краткости будем ее называть модель OSI . Модель OSI не является сетевой архи­тектурой, так как не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать каждый уровень. Важно также понимать, что эталонная модель не явля­ется чем-то реальным, таким, что обеспечивает связь. Сама по себе она не заставляет коммуникации функционировать и служит лишь для классификации. Она классифицирует то, что непосредственно работает, а именно - протоколы . Протоколом считается набор спе­цификаций, определяющих реализацию одного или нескольких уров­ней OSI. ISO разработала также стандарты для каждого уровня, хотя эти стандарты не входят в саму эталонную модель. Каждый из них был опубликован как отдельный международный стандарт.

Модель OSI имеет семь уровней . Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Появление именно семи уровней было обусловлено функциональными особен­ностями модели.

Модель OSI без физического носителя показана на рис.

Определенные сетевые функции, выполняемые на каждом уров­не, взаимодействуют только с функциями соседних уровней - вы­шестоящего и нижележащего. Например, Сеансовый уровень должен взаимодействовать только с Представительским и Транспортным уров­нями . Все эти функции подробно описаны.

Каждый уровень выполняет несколько операций при подготов­ке данных для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отделяются друг от друга границами - интерфейсами . Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уро­вень, выполняя свои функции, пользуется услугами нижележащего уровня. Самые нижние уровни - 1-й и 2-й - определяют физичес­кую среду при передаче битов данных через плату СА и кабель. Са­мые верхние уровни определяют, каким способом реализуется дос­туп приложений к услугам связи.

Задача каждого уровня − предоставление услуг вышележащему уровню, маскируя при этом детали реализации этих услуг. Каждый уровень на компьютере-отправителе работает так, как будто он напрямую связан с соответствующим уровнем на компьютере-полу­чателе. Эта виртуальная связь показана на рис. пунктирными ли­ниями. В действительности же связь осуществляется между соседни­ми уровнями одного компьютера. ПО каждого уровня реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором прото­колов.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты , переда­ваемые между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно все уровни ПО от прикладного до физического, при этом на каждом уровне к пакету добавляется форматирующая или адресная информация, необходимая для безошибочной передачи дан­ных по сети.

На принимающей стороне пакет также проходит через все уров­ни, но в обратном порядке. ПО каждого уровня анализирует инфор­мацию пакета, удаляет ту информацию, которая добавлена к пакету на таком же уровне отправителем, и передает пакет следующему уровню. По достижении пакетом Прикладного уровня вся служебная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид.

Таким образом, только Физический уровень модели может не­посредственно послать информацию соответствующему уровню дру­гого компьютера. Информация на компьютере-отправителе и ком­пьютере-получателе должна пройти все уровни, начиная с того, с которого она посылается, и заканчивая соответствующим уровнем того компьютера, которым она принимается. Например, если Сете­вой уровень передает информацию с компьютера А, она спускается через Канальный и Физический уровни в сетевой кабель, затем по­падает в компьютер В, где поднимается через Физический и Каналь­ный уровни и достигает Сетевого уровня. В среде клиент-сервер при­мером такой информации служит адрес и результат контроля ошибок, добавленные к пакету.

Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интер­фейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень пре­доставляет верхнему, и способ доступа к ним.

Рассмотрим каждый из семи уровней модели OSI и услуги, ко­торые они предоставляют смежным уровням.

Прикладной (Application) уровень . Уровень 7. Он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Услуги, которые он обеспечивает, напрямую поддерживают приложения пользователя. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением данных после сбоев связи.

Уровень представления (Presentation) . Уровень 6. Представитель­ский уровень определяет формат, используемый для обмена данны­ми между сетевыми компьютерами. Типичный пример работы служб Представительского уровня − кодирование передаваемых данных определенным стандартным образом. Уровень представления отвечает за преобразование протоколов, трансляцию и шифрование данных, смену кодовой таблицы и расширение графических команд. Кроме того, он управляет сжатием данных для уменьшения объема переда­ваемых бит.

Сеансовый уровень (Session) . Уровень 5. Сеансовый уровень позво­ляет двум приложениям разных компьютеров устанавливать, исполь­зовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеанс может предоставлять еще и расширенный набор услуг, полезный для неко­торых приложений. Сеансовый уровень управляет диалогом между взаимодействующими процессами, устанавливая, какая из сторон, когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.

Транспортный уровень (Transport) . Уровень 4. Основная функция Транспортного уровня − принять данные от Сеансового уровня, раз­бить их при необходимости на небольшие части и передать Сетево­му уровню, гарантируя, что эти части в правильном порядке прибу­дут по назначению. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии. Транспортный уровень также следит за созданием и удалением сетевых соединений, управляет потоком со­общений, проверяет ошибки и участвует в решении задач, связан­ных с отправкой и получением пакетов. Примеры протоколов транс­портного уровня - ТСР и SРХ.

Сетевой уровень (Network) . Уровень 3. Сетевой уровень управля­ет операциями подсети. Он отвечает за адресацию сообщений и пе­ревод логических адресов и имен в физические. Сетевой уровень раз­решает также проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в дру­гую, позволяя объединять разнородные сети. Примеры протоколов сетевого уровня - IP и IPX.

Уровень передачи данных или канальный (Data Link) . Уровень 2. Основная задача Канального уровня - преобразовать способность Физического уровня передавать данные в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего Сетевого уровня. Эту задачу Канальный уровень выполняет при по­мощи разбиения входных данных на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр данных передается только после получения и обработки кадра подтвержде­ния, посылаемого обратно получателем. Кадр - это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. На рис. представлен простой кадр данных, где идентификатор отправи­теля − адрес компьютера-отправителя, а идентификатор получателя − адрес компьютера-получателя. Управляющая информация исполь­зуется для маршрутизации, указания типа пакета и сегментации. CRC (циклический код) позволяет выявить ошибки и гарантирует правильный прием информации.

Физический уровень (Physical) . Уровень 1. Физический уровень осу­ществляет передачу неструктурированного, сырого, потока бит по физической среде (например, по сетевому кабелю). На этом уровне реализуются электрический, оптический, механический и функцио­нальный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также форми­рует сигналы, которые переносят данные, поступившие ото всех вы­шележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой СА и способ передачи сигналов по сетевому кабелю. Физический уровень отвечает за кодирование данных и син­хронизацию бит, гарантируя, что переданная единица будет воспри­нята именно как единица, а не как ноль. Уровень устанавливает дли­тельность каждого бита и способ перевода в электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю

Эталонная модель OSI

Для наглядности процесс работы сети в эталонной модели OSI разде­лен на семь уровней. Эта теоретическая конструкция облегчает изу­чение и понимание довольно сложных концепций. В верхней части модели OSI располагается приложение, которому нужен доступ к ре­сурсам сети, в нижней - сама сетевая среда. По мере того как дан­ные продвигаются от уровня к уровню вниз, действующие на этих уровнях протоколы постепенно подготавливают их для передачи по сети. Добравшись до целевой системы, данные продвигаются по уров­ням вверх, причем те же протоколы выполняют те же действия, толь­ко в обратном порядке. В 1983 г. Международная организация по стандартизации (Interna­tional Organization for Standardization, ISO) и Сектор стандартизации телекоммуникаций Международного телекоммуникационного союза (Te­lecommunication Standardization Sector of International Telecommu­nication Union, ITU-T) опубликовали документ «The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection», где была описана модель распределения сетевых функций между 7 различными уровнями (рис. 1.7). Предполагалось, что эта семиуровневая структура станет основой для нового стека протоколов, но в коммерческой форме он так и не был реализован. Вместо этого модель OSI используется с су­ществующими стеками протоколов в качестве обучающего и справоч­ного пособия. Большая часть популярных в наши дни протоколов появилась до разработки модели OSI, поэтому в точности с ее семиуровневой струк­ турой они не согласуются. Зачастую в одном протоколе совмещены функции двух или даже нескольких уровней модели, да и границы протоколов часто не соответствуют границам уровней OSI. Тем не менее модель OSI остается отличным наглядным пособием для ис­следования сетевых процессов, и профессионалы часто связывают функции и протоколы с определенными уровнями.

Инкапсуляция данных

По сути, взаимодействие протоколов, работающих на разных уров­нях модели OSI, проявляется в том, что каждый протокол добавляет заголовок (header) или (в одном случае) трейлер (footer) к информа­ции, которую он получил от уровня, расположенного выше. Напри­мер, приложение генерирует запрос к сетевому ресурсу. Этот запрос продвигается по стеку протоколов вниз. Когда он достигает транспорт­ного уровня, протоколы этого уровня добавляют к запросу собствен­ный заголовок, состоящий из полей с информацией, специфической для функций данного протокола. Сам исходный запрос становится для протокола транспортного уровня полем данных (полезной нагрузкой). Добавив свой заголовок, протокол транспортного уровня переда­ет запрос сетевому уровню. Протокол сетевого уровня добавляет к заголовку протокола транспортного уровня свой собственный заго­ловок. Таким образом, для протокола сетевого уровня полезной на­грузкой становятся исходный запрос и заголовок протокола тран­спортного уровня. Вся эта конструкция становится полезной нагруз­кой для протокола канального уровня, который добавляет к ней заго­ловок и трейлер. Итогом этой деятельности является пакет (packet), готовый для передачи по сети. Когда пакет достигает места назначения, процесс повторяется в обратном порядке. Протокол каждого следующего уровня стека (теперь снизу вверх) обрабатывает и удаля­ет заголовок эквивалентного протокола передающей системы. Когда процесс завершен, исходный запрос достигает приложения которо­му он предназначен, в том же виде, в каком он был сгенерирован. Процесс добавления заголовков к запросу (рис. 1.8), сгенериро­ ванному приложением, называется инкапсуляцией данных (data encap­sulation). По сути эта процедура напоминает процесс подготовки письма для отправки по почте. Запрос - это само письмо, а добавле­ние заголовков аналогично вкладыванию письма в конверт, написа­нию адреса, штемпелеванию и собственно отправке.

Физический уровень

На самом нижнем уровне модели OSI - физическом (physical) - оп­ределяются характеристики элементов оборудования сети - сетевая среда, способ установки, тип сигналов, используемых для передачи по сети двоичных данных. Кроме того, на физическом уровне опре­деляется, какой тип сетевого адаптера нужно установить на каждом компьютере и какой использовать концентратор (если это нужно). На физическом уровне мы имеем дело с медным или оптоволоконным кабелем или с каким-либо беспроводным соединением. В ЛВС спецификации физического уровня напрямую связаны с используюемым в сети протоколом канального уровня. Выбрав протокол канального уровня, Вы должны использовать одну из спецификаций физического уровня, поддерживаемую этим протоколом. Например, протокол канального уровня Ethernet поддерживает несколько различных вариантов физического уровня - один из двух типов коаксиального кабеля, любой кабель типа «витая пара», оптоволоконный кабель. Параметры каждого из этих вариантов формируются из многочисленных сведений о требованиях физического уровня, например, к типу кабеля и разъемов, допустимой длине кабелей, числу концентраторов и др. Соблюдение этих требований необходимо для нормальной работы протоколов. Например, в чересчур длинном кабеле система Ethernet может не заметить коллизию пакетов, а если система не в состоянии обнаружить ошибки, она не может и исправить их, результат - потеря данных. Стандартом протокола канального уровня определяются не все аспекты физического уровня. Некоторые из них определяются отдельно. Одна из наиболее часто используемых спецификаций физического уровня описана в документе «Commercial Building Telecommunications Cabling Standard», известном как EIA/TIA 568A. Он опубликован совместно Американским национальным институтом стан дартов (American National Standards Institute, ANSI), Ассоциации от раслей электронной промышленности (Electronics Industry Association, EIA) и Ассоциацией промышленности средств связи (Telecommunications Industry Association, TIA). В этот документ включено подробное описание кабелей для сетей передачи данных в промышленных условиях, в том числе минимальное расстояние от источников электромагнитных помех и другие правила прокладки кабеля. Сегодня кладку кабеля в больших сетях чаще всего поручают специализированным фирмам. Нанятый подрядчик должен быть хорошо знаком с EIA/TIA 568A и другими подобными документами, а также с правилами эксплуатации зданий в городе. Другой коммуникационный элемент, определяемый на физическом уровне, - тип сигнала для передачи данных по сетевой среде. Для кабелей с медной основой таким сигналом является электрический заряд, для оптоволоконного кабеля - световой импульс. В сетевых средах других типов могут использоваться радиоволны, инфракрасные импульсы и другие сигналы. Помимо природы сигналов, на физическом уровне устанавливается схема их передачи, т. е. комбинация электрических зарядов или световых импульсов, используемая для кодирования двоичной информации, которая сгенерирована вы­шестоящими уровнями. В системах Ethernet применяется схема пе­редачи сигналов, известная как манчестерская кодировка (Manchester encoding), а в системах Token Ring используется дифференциальная манчестерская (Differential Manchester) схема.

Канальный уровень

Протокол канального (data-link) уровня обеспечивает обмен инфор­мацией между аппаратной частью включенного в сеть компьютера и сетевым ПО. Он подготавливает для отправки в сеть данные, пере­данные ему протоколом сетевого уровня, и передает на сетевой уро­вень данные, полученные системой из сети. При проектировании и создании ЛВС используемый протокол ка­нального уровня - самый важный фактор для выбора оборудования и способа его установки. Для реализации протокола канального уровня необходимо следующее аппаратное и программное обеспечение: адаптеры сетевого интерфейса (если адаптер представляет собой отдельное устройство, подключаемое к шине, его называют пла­той сетевого интерфейса или просто сетевой платой); драйверы сетевого адаптера; сетевые кабели (или другая сетевая среда) и вспомогательное со­ единительное оборудование; сетевые концентраторы (в некоторых случаях). Как сетевые адаптеры, так и концентраторы разрабатываются для определенных протоколов канального уровня. Некоторые сетевые кабели также приспособлены для конкретных протоколов, но есть и кабели, подходящие для разных протоколов. Безусловно, сегодня (как и всегда) самый популярный протокол канального уровня - Ethernet. Далеко отстал от него Token Ring, за которым следуют другие протоколы, например, FDDI (Fiber Dist­ributed Data Interface). В спецификацию протокола канального уров­ня обычно включаются три основных элемента: формат кадра (т. е. заголовок и трейлер, добавляемые к данным сетевого уровня перед передачей в сеть); механизм контроля доступа к сетевой среде; одна или несколько спецификаций физического уровня, приме­няемые с данным протоколом.

Формат кадра

Протокол канального уровня добавляет к данным, полученным от протокола сетевого уровня, заголовок и трейлер, превращая их в кадр (frame) (рис. 1.9). Если снова прибегнуть к аналогии с почтой, заголовок и трейлер - это конверт для отправки письма. В них содержатся адреса системы-отправителя и системы-получателя пакета. Для протоколов ЛВС, подобных Ethernet и Token Ring, эти адреса представляют собой 6-байтные шестнадцатеричные строки, присвоенные сетевым адаптерам на заводе-изготовителе. Они, в отличие от адресов, используемых на других уровнях модели OSI, называются аппа ратными адресами (hardware address) или МАС-адресами (см. ниже).

Примечание Протоколы различных уровней модели OSI по-разному называют структуры, создаваемые ими путем добавления заголовка к данным, пришедшим от вышестоящего протокола. Например, то, что протокол канального уровня называет кадром, для сетевого уровня бу­дет дейтаграммой. Более общим названием для структурной единицы данных на любом уровне является пакет.

Важно понимать, что протоколы канального уровня обеспечива­ют связь только между компьютерами одной и той же ЛВС. Аппарат­ный адрес в заголовке всегда принадлежит компьютеру в той же ЛВС, даже если целевая система находится в другой сети. Другие важные функции кадра канального уровня - идентифика­ция протокола сетевого уровня, сгенерировавшего данные в пакете, и информация для обнаружения ошибок. На сетевом уровне могут использоваться различные протоколы, и потому в кадр протокола канального уровня обычно включается код, с помощью которого можно установить, какой именно протокол сетевого уровня сгенери­ровал данные в этом пакете. Руководствуясь этим кодом, протокол канального уровня компьютера-получателя пересылает данные соот­ветствующему протоколу своего сетевого уровня. Для выявления ошибок передающая система вычисляет цикличес­ кий избыточный код (cyclical redundancy check, CRC) полезной нагруз­ки и записывает его в трейлер кадра. Получив пакет, целевой компью­тер выполняет те же вычисления и сравнивает результат с содержи­мым трейлера. Если результаты совпадают, информация передана без ошибок. В противном случае получатель предполагает, что пакет ис­ порчен, и не принимает его.

Управление доступом к среде

Компьютеры в ЛВС обычно используют общую полудуплексную се­тевую среду. При этом вполне возможно, что передавать данные нач­нут одновременно два компьютера. В таких случаях происходит свое­го рода столкновение пакетов, коллизия (collision), при котором дан­ ные в обоих пакетах теряются. Одна из главных функций протокола канального уровня - управление доступом к сетевой среде (media access control, MAC), т. е. контроль за передачей данных каждым из компьютеров и сведение к минимуму случаев столкновения пакетов. Механизм управления доступом к среде - одна из важнейших ха­ рактеристик протокола канального уровня. В Ethernet для управле­ния доступом к среде используется механизм с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). В некоторых других протоколах, например, в Token Ring, используется передача маркера (token passing).

Спецификации физического уровня

Протоколы канального уровня, используемые в ЛВС, часто поддер­живают более одной сетевой среды, и в стандарт протокола включе­ны одна или несколько спецификаций физического уровня. Каналь­ный и физический уровни тесно связаны, т. к. свойства сетевой сре­ды существенно влияют на то, как протокол управляет доступом к среде. Поэтому можно сказать, что в локальных сетях протоколы ка­нального уровня осуществляют также функции физического уровня. В глобальных сетях используются протоколы канального уровня, в которые информация физического уровня не включается, например, SLIP (Serial Line Internet Protocol) и РРР (Point-to-Point Protocol).

Сетевой уровень

На первый взгляд может показаться, что сетевой (network) уровень дублирует некоторые функции канального уровня. Но это не так: про­токолы сетевого уровня «отвечают» за сквозные (end-to-end) связи, тогда как протоколы канального уровня функционируют только в пределах ЛВС. Иными словами, протоколы сетевого уровня полнос­тью обеспечивают передачу пакета от исходной до целевой системы. В зависимости от типа сети, отправитель и получатель могут нахо­диться в одной ЛВС, в различных ЛВС в пределах одного здания или в ЛВС, разделенных тысячами километров. Например, когда Вы свя­зываетесь с сервером в Интернете, на пути к нему пакеты, созданные Вашим компьютером, проходят через десятки сетей. Подстраиваясь под эти сети, протокол канального уровня неоднократно изменится, но протокол сетевого уровня на всем пути останется тем же самым. Краеугольным камнем набора протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) и наиболее часто используемым протоколом сетевого уровня является протокол IP (Internet Protocol). У Novell NetWare есть собственный сетевой протокол IPX (Inter­network Packet Exchange), а в небольших сетях Microsoft Windows обычно используется протокол NetBEUI (NetBIOS Enhanced User Interface). Большинство функций, приписываемых сетевому уровню, определяются возможностями протокола IP. Подобно протоколу канального уровня, протокол сетевого уровня добавляет заголовок к данным, которые он получил от вышестояще­го уровня (рис. 1.10). Элемент данных, созданный протоколом сете­вого уровня, состоит из данных транспортного уровня и заголовка сетевого уровня и называется дейтаграммой (datagram).

Адресация

Заголовок протокола сетевого уровня, как и заголовок протокола ка­нального уровня, содержит поля с адресами исходной и целевой сис­тем. Однако в данном случае адрес целевой системы принадлежит конечному назначению пакета и может отличаться от адреса получа­теля в заголовке протокола канального уровня. Например, когда Вы вводите в адресной строке браузера адрес Web-узла, в пакете, сгене­рированном Вашим компьютером, в качестве адреса целевой систе­мы сетевого уровня указан адрес Web-сервера, тогда как на канальном уровне на целевую систему указывает адрес маршрутизатора в Вашей ЛВС, обеспечивающего выход в Интернет. В IP используется собственная система адресации, которая совер­шенно не зависит от адресов канального уровня. Каждому компьюте­ру в сети с протоколом IP вручную или автоматически назначается 32-битовый IP- адрес, идентифицирующий как сам компьютер, так и сеть, в которой он находится. В IPX же для идентификации самого компьютера используется аппаратный адрес, кроме того, специаль­ный адрес используется для идентификации сети, в которой находит­ся компьютер. В NetBEUI компьютеры различаются по NetBIOS-именам, присваиваемым каждой системе во время ее установки.

Фрагментация

Дейтаграммам сетевого уровня на пути к месту назначения приходит­ся проходить через множество сетей, сталкиваясь при этом со специ­ фическими свойствами и ограничениями различных протоколов ка­нального уровня. Одно из таких ограничений - максимальный раз­мер пакета, разрешенный протоколом. Например, размер кадра Token Ring может достигать 4500 байт, тогда как размер кадров Ethernet не может превышать 1500 байтов. Когда большая дейтаграмма, сформи­рованная в сети Token Ring, передается в сеть Ethernet, протокол се­тевого уровня должен разбить ее на несколько фрагментов размером не более 1500 байт. Этот процесс называется фрагментацией (frag­ mentation). В процессе фрагментации протокол сетевого уровня разбивает дейтаграмму на фрагменты, размер которых соответствует возможно­стям используемого протокола канального уровня. Каждый фрагмент становится самостоятельным пакетом и продолжает путь к целевой системе сетевого уровня. Исходная дейтаграмма формируется лишь после того, как места назначения достигнут все фрагменты. Иногда на пути к целевой системе фрагменты, на которые разбита дейта­грамма, приходится фрагментировать повторно.

Маршрутизация

Маршрутизацией (routing) называется процесс выбора в интерсети самого эффективного маршрута для передачи дейтаграмм от систе­мы-отправителя к системе-получателю. В сложных интерсетях, на­пример, в Интернете или больших корпоративных сетях, часто от од­ного компьютера к другому можно добраться несколькими путями. Проектировщики сетей специально создают избыточные связи, что­бы трафик нашел дорогу к месту назначения даже в случае сбоя одно­ го из маршрутизаторов. С помощью маршрутизаторов соединяют отдельные ЛВС, входя­щие в интерсеть. Назначение маршрутизатора - принимать входя­щий трафик от одной сети и передавать его конкретной системе в другой. В интерсетях различают системы двух видов: оконечные (end systems) и промежуточные (intermediate systems). Оконечные системы являются отправителями и получателями пакетов. Маршрутизатор - промежуточная система. В оконечных системах используются все семь уровней модели OSI, тогда как пакеты, поступающие в проме­жуточные системы, не поднимаются выше сетевого уровня. Там мар­шрутизатор обрабатывает пакет и отправляет его вниз по стеку для передачи следующей целевой системе (рис. 1.11).

Чтобы верно направить пакет к цели, маршрутизаторы хранят в памяти таблицы с информацией о сети. Эта информация может быть внесена администратором вручную или собрана автоматически с дру­гих маршрутизаторов с помощью специализированных протоколов. В состав типичного элемента таблицы маршрутизации входят адрес другой сети и адрес маршрутизатора, через который пакеты должны добираться до этой сети. Кроме того, в элементе таблицы маршрути­зации содержится метрика маршрута - условная оценка его эффективности. Если к некой системе имеется несколько маршрутов, мар­шрутизатор выбирает из них самый эффективный и отправляет дей­таграмму на канальный уровень для передачи маршрутизатору, ука­занному в элементе таблицы с наилучшей метрикой. В больших сетях маршрутизация может быть необычайно сложным процессом, но чаще всего она осуществляется автоматически и незаметно для пользователя.

Идентификация протокола транспортного уровня

Так же, как в заголовке канального уровня указан протокол сетевого уровня, сгенерировавший и передавший данные, в заголовке сетево­го уровня содержится информация о протоколе транспортного уров­ня, от которого эти данные были получены. В соответствии с этой информацией система-получатель передает входящие дейтаграммы соответствующему протоколу транспортного уровня.

Транспортный уровень

Функции, выполняемые протоколами транспортного (transport) уров­ня, дополняют функции протоколов сетевого уровня. Часто протоко­лы этих уровней, используемые для передачи данных, образуют взаи­ мосвязанную пару, что видно на примере TCP/IP: протокол TCP функционирует на транспортном уровне, IP - на сетевом. В боль­шинстве наборов протоколов имеется два или несколько протоколов транспортного уровня, выполняющих разные функции. Альтернати­вой TCP является протокол UDP (User Datagram Protocol). В набор протоколов IPX также включено несколько протоколов транспортно­го уровня, в том числе NCP (NetWare Core Protocol) и SPX (Sequenced Packet Exchange). Разница между протоколами транспортного уровня из определен­ного набора заключается в том, что некоторые из них ориентированы на соединение, а другие - нет. Системы, использующие протокол, ориентированный на соединение (connection-oriented), перед передачей данных обмениваются сообщениями, чтобы установить связь друг с другом. Это гарантирует, что системы включены и готовы к работе. Протокол TCP, например, ориентирован на соединение. Когда Вы с помощью браузера подключаетесь к серверу Интернета, браузер и сервер для установления связи сначала выполняют так называемое трехшаговое рукопожатие (three-way handshake). Лишь после этого браузер передает серверу адрес нужной Web-страницы. Когда переда­ча данных завершена, системы выполняют такое же рукопожатие для прекращения связи. Кроме того, протоколы, ориентированные на соединение, выпол­няют дополнительные действия, например, отправляют сигнал подтверждения приема пакета, сегментируют данные, управляют пото­ком, а также обнаруживают и исправляют ошибки. Как правило, про­токолы этого типа используются для передачи больших объемов ин­формации, в которых не должно содержаться ни единого ошибочно­го бита, например, файлов данных или программ. Дополнительные функции протоколов с ориентацией на соединение гарантируют корректную передачу данных. Вот почему эти протоколы часто называ­ют надежными (reliable). Надежность в данном случае является техни­ческим термином и означает, что каждый передаваемый пакет проверяется на наличие ошибок, кроме того, система-отправитель уведом­ляется о доставке каждого пакета. Недостаток протоколов этого типа состоит в значительном объеме управляющих данных, которыми об­мениваются две системы. Во-первых, дополнительные сообщения передаются при установлении и завершении связи. Во-вторых, заго­ловок, добавляемый к пакету протоколом с ориентацией на соедине­ние, существенно превосходит по размеру заголовок протокола, не ориентированного на соединение. Например, заголовок протокола TCP/IP занимает 20 байтов, а заголовок UDP - 8 байтов. Протокол, не ориентированный на соединение (connectionless), не устанавливает соединение между двумя системами до передачи дан­ных. Отправитель просто передает информацию целевой системе, не беспокоясь о том, готова ли она принять данные и существует ли эта система вообще. Обычно системы прибегают к протоколам, не ориентированным на соединение, например, к UDP, для коротких транзакций, состоящих только из запросов и ответных сигналов. Ответный сигнал от получателя неявно выполняет функцию сигнала подтверждения о передаче.

Примечание Ориентированные и не ориентированные на соединение протоколы есть не только на транспортном уровне. Например, прото­колы сетевого уровня обычно не ориентированы на соединение, по­ скольку обеспечение надежности связи они возлагают на транспортный уровень.

Протоколы транспортного уровня (как и сетевого и канального уровней) обычно содержат информацию с вышестоящих уровней. Например, в заголовки TCP и UDP включаются номера портов, иден­тифицирующие приложение, породившее пакет, и приложение, ко­торому он предназначен. На сеансовом (session) уровне начинается существенное расхождение между реально применяемыми протоколами и моделью OSI. В отли­чие от нижестоящих уровней, выделенных протоколов сеансового уровня не существует. Функции этого уровня интегрированы в про­токолы, которые выполняют также функции представительского и прикладного уровней. Транспортный, сетевой, канальный и физичес­кий уровни занимаются собственно передачей данных по сети. Про­токолы сеансового и вышестоящих уровней к процессу связи отно­шения не имеют. К сеансовому уровню относятся 22 службы, многие из которых задают способы обмена информацией между системами, включенными в сеть. Наиболее важны службы управления диалогом и разделения диалога. Обмен информацией между двумя системами в сети называется диалогом (dialog). Управление диалогом (dialog control) заключается в выборе режима, в котором системы будут обмениваться сообщения­ми. Таких режимов два: полудуплексный (two-way alternate, TWA) и дуплексный (two-way simultaneous, TWS). В полудуплексном режиме две системы вместе с данными передают также маркеры. Передавать информацию можно только компьютеру, у которого в данный момент находится маркер. Так удается избежать столкновения сообщений в пути. Дуплексная модель сложнее. Маркеров в ней нет; обе системы могут передавать данные в любой момент, даже одновременно. Разделение диалога (dialog separation) состоит во включении в по­ток данных контрольных точек (checkpoints), позволяющих синхро­низировать работу двух систем. Степень сложности разделения диа­лога зависит от того, в каком режиме он осуществляется. В полудуп­ лексном режиме системы выполняют малую синхронизацию, заклю­чающуюся в обмене сообщениями о контрольных точках. В дуплекс­ном режиме системы выполняют полную синхронизацию с помощью главного/активного маркера.

Представительский уровень

На представительском (presentation) уровне выполняется единствен­ная функция: трансляция синтаксиса между различными системами. Иногда компьютеры в сети применяют разные синтаксисы. Предста­вительский уровень позволяет им «договориться» об общем синтак­сисе для обмена данными. Устанавливая соединение на представи­тельском уровне, системы обмениваются сообщениями с информа­ цией о том, какие синтаксисы в них имеются, и выбирают тот, кото­рый они будут использовать во время сеанса. У обеих систем, участвующих в соединении, есть абстрактный синтаксис (abstract syntax) - их «родная» форма связи. Абстрактные синтаксисы различных компьютерных платформ могут отличаться. В процессе согласования системы выбирают общий синтаксис передачи данных (transfer syntax). Передающая система преобразует свой абст­рактный синтаксис в синтаксис передачи данных, а система-получа­тель по завершению передачи - наоборот. При необходимости сис­тема может выбрать синтаксис передачи данных с дополнительными функциями, например, сжатием или шифрованием данных.

Прикладной уровень

Прикладной уровень - это точка входа, через которую программы получают доступ к модели OSI и сетевым ресурсам. Большинство про­ токолов прикладного уровня предоставляет службы доступа к сети. Например, протоколом SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) боль­шинство программ электронной почты пользуется для отправки со­общений. Другие протоколы прикладного уровня, например, FTP (File Transfer Protocol), сами являются программами. В протоколы прикладного уровня часто включают функции сеан­сового и представительского уровня. В результате типичный стек про­токолов содержит четыре отдельных протокола, которые работают на прикладном, транспортном, сетевом и канальном уровнях.

Эталонная модель OSI является определяющим документом для разработки открытых стандартов по организации соединений систем и сетей связи, имеющих отличающиеся друг от друга уровни сложности и использующих различные технологии. В связи с этим ее принято называть также архитектурой открытых систем или эталонной модели взаимодействия открытых систем (ВОС ).

Разработчики эталонной модели руководствовались следующими принципами.

· Число протокольных уровней не должно быть слишком большим, чтобы разработка сети и ее реализация не были чрезмерно сложными, и в тоже время оно не должно быть слишком малым, чтобы выполняемые на каждом уровне логические модули не были чересчур сложными.

· Уровни должны четко отличаться выполняемыми на них функциями (объектами) и логическими модулями.

· Функции и протоколы одного уровня могут быть изменены, если это не затрагивает другие уровни.

· Количество информации, передаваемой через интерфейсы между уровнями, должно быть минимальным.

· Допускается дальнейшее разбиение уровней на подуровни, если возникает необходимость локального выделения функций в пределах одного уровня. Разделение на подуровни целесообразно при необходимости разбиения трудоемкой задачи на отдельные, менее сложные.

Получившаяся в результате эталонная модель содержит семь уровней (рис. 4.24).

Высшим, седьмым, уровнем модели OSI является прикладной уровень (Application ), на котором осуществляется управление терминалами и прикладными процессами в оконечных системах, являющимися источниками и потребителями информации в информационной сети. Этот уровень представляет сервисы непосредственно пользовательским прикладным программам. Чтобы избежать несовместимости между пользовательскими программами, прикладной уровень определяет стандартные способы представления сервисов этого уровня. Это освобождает программистов от необходимости повторно прописывать одни и те же функции в каждой сетевой прикладной программе, которую они создают. Сами сервисы прикладного уровня приложениями не являются. Прикладной уровень предоставляет программистам набор открытых стандартных интерфейсов прикладного программирования (API – Application Programming Interface), которые можно использовать для выполнения таких функций сетевого приложения как передача файлов, удаленная регистрация и т.п. В результате модули прикладных программ получаются меньшими по размеру и требуют меньше памяти.

Прикладной уровень для пользователей является наиболее заметной частью модели OSI, поскольку он ведает запуском программ, их выполнением, вводом-выводом данных, административным управлением сетью. Протоколы взаимодействия объектов седьмого уровня получили название прикладных .

Уровень представления (Presentation ) выполняет интерпретацию и преобразование передаваемых в сети данных к виду, понятному для прикладных процессов. Обеспечивает представление данных в согласованных форматах и синтаксисе, трансляцию и интерпретацию программ с различных языков, шифрование и сжатие данных. Благодаря этому сеть не накладывает никаких ограничений на применение различных типов ЭВМ в качестве оконечных систем. На практике многие функции этого уровня группируются с функциями прикладного уровня, поэтому протоколы уровня представления не получили должного развития и во многих сетях не используются.

Сеансовый уровень (Session ) обеспечивает выполнение функций по управлению сеансом связи (сессией), ориентированным на сквозную передачу сообщений, таких, например, как: установление и завершение сессии; управление очередностью и режимом передачи данных (симплекс, полу дуплекс, дуплекс); синхронизация; управление активностью сессии; составление отчетов об исключительных ситуациях.

Рисунок 4 . Эталонная модель OSI

В сессиях с установлением логического соединения запросы установления и разрыва соединения, а также запросы передачи данных, пересылаются ниже стоящему транспортному уровню. Сеансовый же уровень при окончании сессии осуществляет постепенное, а не внезапное ее завершение, выполняет процедуру квитирования (отправки служебного сообщения о завершении сеанса связи), позволяющую предотвратить потерю данных в случае, когда одна из сторон хочет прервать диалог, а другая - нет. Сессии исключительно полезны в случаях, когда между клиентом и сервером в сети существует логическое соединение. Следует отметить, что без установления логического соединения сессия, как правило, не возможна. Однако из этого правила существует исключение и некоторые сети поддерживают передачу файлов без установления соединения. Даже в этом случае сеансовый уровень предусматривает выполнение некоторых полезных функций для управления диалогом. Сервисы сеансового уровня являются дополнительными и полезны лишь для определенных приложений, для многих приложений они приносят лишь ограниченную пользу. Часто функции этого уровня реализуются на транспортном уровне, поэтому протоколы сеансового уровня имеют ограниченное применение.

Транспортный уровень (Transport ) выполняет сегментирование сообщений и управление сквозной, свободной от ошибок транспортировкой данных от источника к потребителю. Сложность протоколов транспортного уровня обратно пропорциональна надежности сервисов нижерасположенных уровней (сетевого, канального и физического).

Функция сегментации состоит в разбиении длинных информационных сообщений на блоки данных транспортного уровня – сегменты. В случае небольшого сообщения сегмент ассоциируется с его размером. При управлении сквозной транспортировкой данных транспортный уровень поддерживает такие функции как: адресация, установка и разрыв соединения, управление потоком данных, назначение данным приоритетов, выявление и исправление ошибок, восстановление после сбоев, мультиплексирование. Протоколы транспортного уровня делятся на два вида: протоколы, ориентированные на установление соединения и протоколы, обеспечивающие для вышестоящих уровней надежный сервис без установления соединений. С ростом количества приложений, которые не требуют гарантированной доставки сообщений или не допускают повторной передачи сообщений в качестве метода контроля ошибок (приложения работающие в реальном масштабе времени, такие как потоковое видео или IP-телефония), протоколы транспортного уровня без гарантии доставки приобретают популярность.

Функция адресации на транспортном уровне, в отличие от адресации на сетевом и канальном уровнях, состоит в присоединении дополнительного уникального адреса, который идентифицирует прикладной процесс, выполняемый в оконечной системе. Большинство компьютеров способно выполнять одновременно несколько процессов, поддерживая работу одновременно нескольких приложений. Однако на сетевом уровне каждый из них, как привило, ассоциируется с одним адресом – это аппаратный адрес порта компьютера назначения. Когда пакет (блок данных сетевого уровня) достигает порта компьютера назначения, последний должен знать, для какого выполняемого процесса он предназначен. Именно эту информацию предоставляет уникальный адрес транспортного уровня.

Таким образом, адрес транспортного уровня является логическим (соответствует программному порту, связанному с конкретным приложением). Он единственный адресует процесс, а не машину (в отличие от адресов канального и сетевого уровней).

Функция установления и разрыва соединения по запросу сеансового уровня между равноправными объектами транспортного уровня реализуется посредством процедуры трехстороннего квитирования.

Эта процедура позволяет минимизировать вероятность случайного установления ошибочного соединения, требуя два подтверждения в ответ на один запрос соединения. Соединение устанавливается только тогда, когда все три события (запрос, подтверждение получения запроса, подтверждение получения подтверждения) происходят в заданный временной промежуток. Это позволяет судить о том, что оба объекта транспортного уровня готовы к сеансу связи. Если действия процедуры не укладываются в заданный промежуток времени, например, из-за задержек или повреждений служебных пакетов, она инициируется заново.

Разрыв соединения транспортного уровня также контролируется трехсторонним квитированием, что обеспечивает его корректность. Разрыв соединения происходит отдельно в прямом и обратном направлениях, что исключает возможность потери пользовательских данных в случае, когда дна из сторон завершила передачу данных, а другая еще остается активной.

Функция управления потоком данных состоит в согласовании параметров передачи во время процедуры трехстороннего квитирования. К таким параметрам относятся: максимальный размер сегмента данных для устанавливаемого соединения; размер свободного пространства буфера приемника, куда будут помещаться поступающие сегменты; размер группы сегментов, после получения которых приемник должен посылать передатчику подтверждение о приеме. Подтверждения служат не только как свидетельства правильно полученных данных, но и указывают какое очередное количество сегментов может быть принято с учетов текущей загрузки приемного буфера.

Функция назначения приоритетов данным является исключительной прерогативой транспортного уровня. Нижестоящий сетевой уровень не имеет представления о существовании приоритетного трафика и все пакеты (блоки данных сетевого уровня) воспринимает одинаковыми.

Многие протоколы транспортного уровня поддерживают два приоритета: обычные данные и срочные . Запрос на назначение приоритета поступает от сеансового уровня. Идентификатор назначенного приоритета помещается в поле служебной информации транспортного уровня, присоединяемом к сегменту.

Для каждого из приоритетов могут быть организованы раздельные буферные пулы. Алгоритмом транспортировки при этом предусматривается первоочередное обслуживание буфера срочных данных и только после его опустошения – буфера обычных данных.

Другим подходом является группировка сегментов срочных и обычных данных в один передаваемый блок с помещением в поле служебной информации граничного указателя их расположения.

Функция выявления и исправления ошибок выполняется многими протоколами канального уровня, однако транспортный уровень ее нисколько не дублирует. Отличие состоит в том, что канальный уровень выявляет и исправляет ошибки двоичных разрядов, возникающие на физическом уровне при передаче бит, а транспортный уровень ликвидирует ошибки, возникающие в результате неверной работы сетевого уровня (потеря пакетов, несвоевременная доставка пакетов и т.п.). Кроме того в сетях, где канальный уровень не отвечает за выявление и исправление ошибок в двоичных разрядах или этот уровень вовсе отсутствует, транспортный уровень берет на себя эти функции.

Функция транспортного уровня по выявлению ошибочных пакетов основывается на упорядочивании сегментов. Для этого каждому сегменту присевается порядковый номер и в момент отправки запускается собственный таймер. Таймер работает до тех пор, пока не будет получено подтверждение (положительное или отрицательное) приема пакета на приемном конце. В случае отрицательного подтверждения, передатчик повторяет передачу сегмента.

В некоторых более простых реализациях протоколов транспортного уровня положительное подтверждение получения последнего сегмента сообщения воспринимается как безошибочное получение всех его сегментов. Получение отрицательного подтверждения означает, что передатчик должен повторно передать сегменты от той точки (сегмента), где возникла ошибка (такой механизм называется передачей с возвратом к N). Если время, отсчитываемое таймером сегмента истекает, инициируется процедура обнаружения ошибки.

Функция восстановления после сбоев обеспечивает возможность восстановления потерянных данных при возникающих неисправностях в работе сети. К числу неисправностей относятся: выход из строя линии связи (и как следствие потеря виртуального соединения), выход из строя оборудования сетевого узла (и как следствие потеря пакетов в среде без установления соединения) и, наконец, вывода из строя компьютера, которому адресованы данные. Если выход из строя отдельных компонентов сети кратковременен и быстро удается установить новый виртуальный канал либо найти маршрут, обходящий неисправный узел, транспортный уровень, анализируя порядковые номера сегментов точно устанавливает, какие сегменты были уже получены и какие следует передать повторно. При долговременном повреждении сети транспортный уровень может организовать транспортное соединение в резервной сети (если таковая предусмотрена).

В случае выхода из строя передающего или принимающего компьютера, работа транспортного уровня приостанавливается, так как он функционирует под управлением инсталлированных в них операционных систем. После восстановления работоспособности машины, транспортный уровень начинает инициировать рассылку широковещательных сообщений всем компьютерам, работающим в сети, с целью установления того из них, который имел активное транспортное соединение с вышедшим из строя. Таким образом, восстановленному компьютеру удается восстановить прерванное соединение, полагаясь на информацию, сохранившуюся в исправных машинах.

Функция мультиплексирования позволяет в одном сетевом соединении организовать несколько соединений транспортного уровня. Адрес транспортного уровня, о котором говорилось раньше, позволяет транспортному уровню различать сегменты, адресованные разным прикладным процессам. Достоинством такого мультиплексирования является уменьшение себестоимости транспортировки данных в сети. Однако оно имеет смысл только при режиме работы сети, ориентированном на установление соединения (виртуального канала).

В заключении остановимся еще раз на особенностях работы транспортного уровня в режиме без установления соединения. Как уже отмечалось выше, он используется, когда гарантированная сквозная доставка данных не требуется. Это прежде всего процессы обменивающиеся данными в реальном масштабе времени (аудио- либо видеопроцессы), для которых доставка без задержки гораздо важнее достоверности, достигаемой за счет повторных передач сегментов. Кроме того, режим без установления соединения позволяет более эффективно использовать сеть, не занимая ее пропускную способность изрядным количеством служебной информации. Может возникнуть сомнение: «Нужен ли вообще транспортный уровень при работе приложений реального времени?». И здесь следует еще раз подчеркнуть актуальность функции адресации транспортного уровня, которая обеспечивает поддержку нескольких одновременно работающих прикладных процессов на одной машине, что не возможно без сервисов транспортного уровня.

Сетевой уровень (Network ) выполняет главную телекоммуникационную функцию – обеспечение связи между оконечными системами сети. Эта связь может быть реализована путем предоставления коммутированного из отдельных участков в соответствии с оптимально выбранным маршрутом сквозного канала, логического виртуального канала либо непосредственной маршрутизацией блока данных в процессе его доставки. При этом сетевой уровень освобождает вышестоящие уровни от знаний о том, через какие участки сети или через какие сети проходит маршрут передачи информации. Если вышестоящие уровни (прикладной, представительный, сеансовый и транспортный) обычно присутствуют в оконечных системах, взаимодействующих через сеть, три нижних уровня (сетевой, канальный и физический) являются обязательными также для всех промежуточных сетевых устройств, расположенных в транзитных пунктах маршрута передачи данных.

Основной функцией сетевого уровня является маршрутизация. Она заключается в принятии решения, через какие конкретно промежуточные пункты должен пройти маршрут передачи данных, направляемых из одной оконечной системы в другую и как должна выполняться коммутация между входами и выходами сетевых устройств, расположенных в промежуточных пунктах сети, соответствующая конкретному маршруту.

Блоки данных, с которыми оперирует сетевой уровень, называются пакетами . Пакет образуется путем добавления к сегменту, переданному с транспортного уровня, заголовка, включающего адрес сетевого уровня . Он состоит из двух частей и идентифицирует как адрес сети конечного пользователя, так и самого пользователя в ней.

Сети с различными сетевыми адресами соединяются между собой маршрутизаторами (см. раздел «физическая структура сети»). Для того чтобы передать пакет от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, необходимо совершить несколько транзитных «прыжков» - хопов (hops) между сетями, выбирая каждый раз наилучший (по времени прохождения или по надежности) маршрут. Сетевой уровень решает также задачи взаимодействия сетей с различными технологиями и создания защитных барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

На сетевом уровне используются два вида протоколов. Это собственно сетевые протоколы, которые обеспечивают продвижение пакетов через сеть. Именно их обычно ассоциируют с проколами сетевого уровня. Другой вид сетевых протоколов составляют протоколы маршрутизации, которые занимаются обменом маршрутной информацией. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня выполняются модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

На сетевом уровне могут также работать протоколы отображения адреса назначения сетевого уровня в адрес канального уровня сети, где находится конечный пользователь.

Канальный уровень (Data-link ) отвечает за качественную передачу данных между двумя пунктами, связанными физическим каналом с учетом особенностей предающей среды. Термин «передача данных » в отличие от термина «переноса информации » подчеркивает именно этот аспект деятельности канального уровня. Если соединение устанавливается между двумя оконечными системами, не связанными непосредственно, то оно будет включать насколько независимо функционирующих физических каналов передачи данных. При этом их физические среды передачи могут отличаться (медь, оптическое волокно). Несовместимыми могут оказаться и требования к формату представления данных в каждом канале, которое называется линейным кодированием . В этой ситуации канальный уровень берет на себя функции адаптации данных к типу физического канала связи, предоставляя вышерасположенным уровням «прозрачное соединение».

Блок данных на канальном уровне называется кадром или фреймом. Пакеты сетевого уровня, объединенные в кадр, обрамляются разделительными флагами (специальными последовательностями бит, помещаемыми в начале и конце блока пакетов). Кроме того, к кадру добавляется контрольная сумма, с использованием которой осуществляется проверка верности переданного по каналу кадра. В случае обнаружения неисправимой ошибки, приемник запрашивает у передатчика повторную передачу кадра. Теория передачи данных и теория кодирования достаточно хороши разработаны, что позволяет обеспечить высокую эффективность работы протоколов канального уровня. Необходимо отметить, что функция исправления битовых ошибок не всегда является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах канального уровня она отсутствует (Ethernet, Frame relay). Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде вообще выделить трудно, поскольку в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня (АТМ, Frame relay).

К числу важных функций канального уровня относятся также: управление доступом к каналу связи, синхронизация кадров, управление потоком данных, адресация, установление соединения и разъединение его.

Управление доступом к каналу определяется типом физического канала, соединяющего станции, и количеством подключенных к нему станций. Тип канала определяется режимом его работы (дуплексный, полудуплексный) и конфигурацией (двухточечная – только две станции, многоточечная – более двух станций). Управление доступом актуально при полудуплексном режиме работы канала с многоточечной конфигурацией, когда станции должны ожидать момента начала своей передачи данных.

Синхронизацию кадров обеспечивает приемнику возможность точного определения начала и конца принимаемого кадра. Для передачи данных определены два метода: асинхронная передача, ориентированная на символы (обычно 8-битный символ), когда передача каждого символа упреждается стартовым битом и заканчивается стоповым битом, и синхронная передача, ориентированная на кадры, когда в качестве синхронизирующих последовательностей используются флаги начала и конца кадра.

Управление потоком данных заключается в предоставлении приемнику возможности сообщать передатчику о своей готовности или неготовности к приемке кадров. Эффект заключается в том, что предупреждается ситуация, когда передатчик заваливает приемник кадрами, которые тот не в состоянии обработать.

Адресация требуется в случае многоточечной конфигурации канала с более чем двумя станциями, чтобы идентифицировать получателя. Адреса канального уровня называются аппаратными. Поле адреса содержит адрес назначения и адрес источника.

Установление и разъединение соединения представляет собой процедуру активации и дезактивации соединения на канальном уровне, которая выполняется программным обеспечением. При этом передающая станция инициирует соединение отправкой адресату специальной команды «старт», а принимающая пересылает подтверждение соединения, после чего начинается передача данных. Эта процедура выполняется также после сбоев и перезапуска программного обеспечения канального уровня. Имеется также команда «стоп», которая останавливает работу программного обеспечения.

Физический уровень (Physical ) отвечает за помещение бит информации в физическую среду. На физическом уровне могут использоваться следующие типы сред: кабель «витая пара», коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель, территориальный цифровой канал и эфир. Основными характеристиками физических сред передачи являются такие параметры как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и т.п. Здесь реализуются физические интерфейсы устройств с передающей средой и между устройствами, между которыми выполняется передача битов.

Основные характеристики физического уровня можно объединить в следующие группы.

Механические. Это характеристики, которые относятся к физическим свойствам интерфейса с передающей средой, т.е. разъемов, обеспечивающих соединение устройства с одним или несколькими проводниками. Типы разъемов и назначение каждого контакта обычно стандартизуются.

Электрические . Определяют требования к представлению битов, передаваемых в физическую среду, например, уровни тока или напряжения передаваемых сигналов, крутизна фронтов импульсов, типы линейных кодов, скорость передачи сигналов.

Функциональные . Определяют функции отдельных каналов физических интерфейсов устройств, взаимодействующих через передающую среду. Основными схемами взаимодействия устройств на физическом уровне являются: симплексная связь (односторонняя), полудуплексная связь (поочередная) и дуплексная связь (двусторонняя, одновременная), иногда называемая полнодуплексной. При этом могут быть реализованы два варианта организации связи: «точка-точка » и «точка-много точек ». В первом варианте два устройства разделяют одну связь, которая, в свою очередь, может быть симплексной, полудуплексной или дуплексной. Во втором варианте предполагается, что данные, передаваемые одним устройством, принимаются многими устройствами. Как правило, такие связи являются симплексными (кабельное телевидение) либо полудуплексными (локальная сеть на базе стандарта Ethernet). В отдельных случаях могут использоваться и дуплексные связи (сеть на базе технологии SONET). Могут быть использованы и другие топологии физического уровня, такие как шина, звезда, кольцо , однако все они являются вариациями вариантов связи «точка-точка» и «точка - много точек». Так топология шина является типичным вариантом «точка - много точек», топология звезда – набором связей «точка-точка», кольцо – набор кругообразных связей «точка-точка».

Процедурные. Задают правила, посредством которых происходит обмен потоками битов через физическую среду. Это схемы работы последовательного и параллельного интерфейсов. В первом случае между взаимодействующими устройствами существует только один канал связи, по которому биты передаются один за другим. Это приводит к ограничению скорости передачи и, следовательно, медленной работе интерфейса. Во втором случае несколько биты передаются между взаимодействующими устройствами одновременно по нескольким каналам. Скорость передачи при этом возрастает.

Одной из важных функций физического уровня является мультиплексирование, обеспечивающее объединение множества узкополосных (низкоскоростных) каналов в один широкополосный (высокоскоростной) канал. Как известно, по технологическому принципу различают частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM). Технологии FDM и TDM могут быть объединены таким образом, что подканал в системе с частотным мультиплексированием разбивается на несколько каналов, путем мультиплексирования с разделением времени. Этот прием используется в работе цифровых сотовых сетей.