Рис.6.1. Основные уровни ISO OSI.
Аппаратное и программное обеспечение, работающие в сети, разрабатываются в разных фирмах. Для того чтобы оно было совместимо между собой, международной организацией по стандартам (ISO) была разработана базовая эталонная модель открытых систем - OSI ( Open System Interconnection model ).
Рис.6.1. Основные уровни ISO OSI.
Эта модель описывает многоуровневую архитектуру сети, при которой все сетевые функции разделены на семь уровней (рис. 6.1). Каждому уровню соответствуют определенные сетевые операции, оборудование и протоколы. Протокол – это четко определенный набор правил и соглашений для взаимодействия одинаковых уровней сети. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень предоставляет верхнему уровню, а также способ доступа к этим услугам.
Рис.6.2. Обмен данными в ISO OSI.
Задача каждого уровня – предоставление услуг вышестоящему уровню, «маскирую» при этом детали реализации этих услуг. Когда два компьютера в сети работают друг с другом, каждый из сетевых уровней обменивается данными с себе подобным уровнем (на основе протокола этого уровня). Эта логическая или виртуальная связь изображена на рис. 6.2 пунктирной линией. Однако реальная передача данных происходит только на самом нижнем – физическом уровне, где находится физическая среда передачи (например, сетевой кабель). То есть, на самом деле данные перемещаются:
Сетевая модель ISO/OSI определяет сеть в терминах нескольких функциональных уровней. Каждый сетевой уровень включает строго определенные функции и применяет для этого один или несколько протоколов:
Три нижних уровня являются сетезависимыми - протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и коммуникационным оборудованием (переход на оборудование другой технологии означает полную смену этих протоколов в узлах сети). Три верхних уровня ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети - сетенезависимые протоколы. Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения не зависящие от технических средств.
Каждый из семи уровней определяет перечень услуг, которые он предоставляет смежным уровням, реализуя определенный набор сетевых функций. Рассмотрим кратко назначение каждого из уровней модели OSI применительно к межсетевому взаимодействию.
1. Физический уровень.Используется два основных типа кадров (рис. 6.3). Кадры данных, которые содержат в себе сообщения верхних уровней, а также множество управляющих кадров, таких как сетевые маркеры, эхо-запросы и эхо-ответы, кадры подтверждения приема, которые используют методы обнаружения и коррекции ошибок и множество других кадров.
Рис.6.3. Типы кадров.
Пример. В состав любого пакета входит информация для контроля правильности передачи. Так в трейлер пакета Интернет записывается контрольная сумма (КС) пакета. Она получается путем разбиения пакета на сегменты по 16 бит, которые представляются целыми числами, складываются и записываются в трейлер.
При приеме вычисляется новая КС и сравнивается с принятой. Если они равны, то посылается подтверждение и выдается новый пакет. Если не равны, то посылается сообщение «несовпадение» и передача пакета повторяется.
Если пакет не дошел или не дошел сигнал подтверждения, передающая станция, не получив пакет в течение некоторого времени, посылает пакет еще раз. Реализуется, так называемый, режим "Time-Out". Упращенная иллюстрация процесса пересылки пакетов между двумя сетевыми устройствами представлена на рис. 6.4.
Рис.6.4. Пример передачи пакетов данных.
Это только иллюстрация подхода к обмену пакетами данных в ЛВС. Существуют более мощные методы защиты от ошибок (циклические коды, коды Хэминга и т.д.), а также алгоритмы переспроса и повторения пакетов, передача пакетов окнами и т.д.
Канальный уровень довольно сложен, поэтому в соответствии со стандартами IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), его часто разбивают на два подуровня (рис 6.5):
MAC-уровень лежит ниже LLC-уровня и выполняет функции обеспечения доступа к разделяемой между узлами сети общей среде передачи данных. Стандартные протоколы канального уровня часто различаются реализацией метода доступа к разделяемой среде, в то время как функции LLC-уровня гораздо меньше варьируются от одного стандарта к другому.
Рис. 6.5. Разделение канального уровня на два подуровня.
Уровень MAC обеспечивает:
Уровень LLC действует на уровне MAC и отвечает:
Функции канального уровня реализуются установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствующими им драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием: мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами. В зависимости от того, какой протокол реализует сетевой адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Аналогично, коммутаторы, мосты и машрутизаторы могут иметь порты, поддерживающие различные канальные протоколы.
Подводя итого рассмотрению двух нижних уровней модели OSI, можно констатировать, что с точки зрения верхних уровней модели OSI, канальный и физический обеспечивают безошибочную передачу пакетов данных.
Этот уровень модели OSI предназначен для определения пути передачи данных и отвечает за буферизацию и маршрутизация в сети. Маршрутизация – существенная функция при работе в глобальных сетях (сетях с коммутацией пакетов), когда необходимо определить маршрут передачи пакета, выполнить перевод логических адресов узлов сети в физические. В ЛВС между любой парой узлов есть прямой путь (маршрут), поэтому основная функция этого уровня сводится к буферизации пакетов (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Буферизация пакетов на сетевом уровне.
В общем случае, этот уровень предоставляет службы для обмена отдельными частями данных по сети между определенными конечными устройствами. Для выполнения этих функций, сетевой уровень использует четыре базовых процесса:
После того, как Сетевой уровень завершает свой процесс инкапсуляции, уже адресуемый пакет отправляется вниз на Канальный уровень - для подготовки к транспортировке по передающей среде (каналам связи). Во время маршрутизации через объединенную сеть пакет может пройти через ряд промежуточных устройств. Каждый маршрут, которым следует пакет, чтобы достичь следующего устройства, называют хопом.
Сетевой уровень конечного хоста, получив пакет, исследует адрес получателя, чтобы проверить, что этот пакет адресовался именно этому устройству. Если адрес корректен, пакет декапсулируется и содержащееся в нем сообщение передается соответствующей службе Транспортного уровня.
Так как сетевой уровень обеспечивает буферизацию, то несколько узлов могли передать свои сообщения в один и тот же узел сети. Моменты прибытия пакетов могут чередоваться. Задача этого уровня – правильная сборка пакетов каждого сообщения без смещения и потерь (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Разбиение и сборка сообщения из пакетов.
Транспортный уровень является границей, выше которой в качестве единицы информации рассматривается только сообщение, ниже – управляемый сетью пакет данных.
5. Сеансовый уровень.Позволяет двум приложениям на разных рабочих станциях устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеанс создается по запросу процесса пользователя. В запросе определены: назначение сеанса связи (адрес); партнер, например, соответствующий прикладной процесс в другом узле.
Сеанс может начаться только в том случае, если прикладной процесс партнера активен и согласен связаться. На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети. Любой пользователь, введя имя и пароль и вошедший в сеть, создает сеанс.
6. Уровень представления.Его функция заключается в преобразовании сообщений, используемых прикладным уровнем, в некоторый общепринятый формат обмена данными между сетевыми компьютерами.
Целью преобразования сообщения является сжатие данных и их защита. В интерфейсе выше этого уровня поле данных сообщения имеет явную смысловую форму; ниже этого уровня поле данных сообщений и пакетов рассматривается как передаточный груз и их смысловое значение не влияет на обработку (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Сообщение на уровне представления.
На этом уровне работает утилита ОС, называемая редиректор. Ее назначение – переадресовать операции ввода/вывода к ресурсам сервера.
7. Прикладной уровень.Представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Он обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложение пользователей, такие как программное обеспечение для передачи файлов, доступа к БД и электронной почтой.
Рис. 6.9. Прикладной уровень предоставляет интерфейс к сети.
Прикладной уровень управляет:
Основная идея модели OSI заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная роль. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на ряд отдельных легкообозримых задач.
Операционная система управляет ресурсами компьютера, а сетевая операционная система обеспечивает управление аппаратными и программными ресурсами всей сети. Тем не менее, для передачи данных в сети нужен еще один компонент – протокол.
Рис. 6.10. Иллюстрация принципа функционирования протоколов.
Протокол – это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам при объединении в сеть общаться друг с другом. Отметим три основных момента, касающихся протоколов:
Таблица 6.1
| Уровень | Набор правил |
| Прикладной | Инициализация или прием запроса |
| Представительский | Добавление в сообщение форматирующей, отображающей и шифрующей информации |
| Сеансовый | Добавление информации о трафике - с указанием момента отправки пакета |
| Транспортный | Добавление информации для обработки ошибок |
| Сетевой | Добавление адресов и информации о месте пакета в последовательности передаваемых пакетов |
| Канальный | Добавление информации для проверки ошибок (трейлера пакета) и подготовка данных для передачи по физическому соединению |
| Физический | Передача пакета как потока битов в соответствии с определенным способом доступа |
Протоколы реализуются через заголовки, которые добавляются к пакетам по мере того, как они передаются по уровням. Каждый заголовок связывается с конкретным уровнем и в каждом последующем уровне воспринимается как часть пакета (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Формирование, передача и прием пакета.
При поступлении пакета в принимающий узел, заголовки соответствующих уровней используются для вызова заданной функции в принимающем узле. При передаче пакета выше этот заголовок изымается. И компьютер-отправитель, и компьютер-получатель должны выполнять каждое действие одинаковым способом с тем, чтобы пришедшие по сети данные совпали с отправленными.
Если, например, два протокола будут по-разному разбивать данные на пакеты или по-разному добавлять данные (о последовательности пакетов, синхронизации и т. д.), то тогда компьютер, использующий один из протоколов, не сможет связаться с компьютером, на котором работает другой протокол.
На работу протоколов ряда уровней оказывает влияние, является ли сеть с коммутацией соединений или с коммутацией пакетов. Широкое развитие межсетевых объединений («интернет»), компонентами которых являются ЛВС, привело к тому, что данные из одной ЛВС в другую могут передаваться по одному из возможных маршрутов. Протоколы, которые поддерживают такую передачу, называются маршрутизируемыми протоколами. И их роль постоянно возрастает.
Существует несколько стандартных стеков протоколов, разработанных разными фирмами. Протоколы этих стеков выполняют работу, специальную для своего уровня. Однако коммуникационные задачи, которые возложены на сеть, приводят к разделению протоколов на три основных типа (рис. 6.12): прикладные протоколы; транспортные протоколы и сетевые протоколы
Рис. 6.12. Уровни модели OSI и соответствующие им типы протоколов.
В сети Интернет взаимодействие всех сетевых устройств построено на стеке TCP/IP, который объединяет множество протоколов разных уровней. При этом стек является независимым от физической среды передачи данных и типов сетевых вычислительных устройств (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Состав основных протоколов стека TCP/IP.
Каждому уровню соответствуют определенные структуры данных. Теоретически уровень не обязан знать о структурах данных, применяемых на соседних уровнях, однако на практике структуры данных любого уровня проектируются таким образом, чтобы хорошо сочетаться со структурами «соседей», в целях повышения эффективности передачи данных. Тем не менее, каждому уровню соответствует собственная структура данных и специальная терминология её описания (рис. 6.14).
Рис. 6.14. Структура данных основных протоколов стека TCP/IP.
Основные термины для обозначения передаваемых данных
Многочисленные типы сетей, поверх которых работает TCP/IP, также используют разнообразную терминологию в области передаваемых данных. В большинстве сетей приняты термины пакет или фрейм. Этой терминологии придерживается и пользовательский интерфейс анализатора Wireshark. Перехваченный на уровне сетевого интерфейса (уровне доступа к сети) блок данных именуется пакетом или фреймом.
Наиболее популярными в настоящее время являются стеки протоколов: TCP/IP разработанный более 20 лет назад по заказу МО США, IPX/SPX фирмы Novell и NETBEUI/NetBIOS фирмы IBM.
1. Стек TCP/IP включает в себя два основных протокола:Стек TCP/IP является промышленным стандартным набором протоколов, которые обеспечивают связь в неоднородной среде, т. е. обеспечивают совместимость между компьютерами разных типов. Кроме того, TCP/IP:
Благодаря своей популярности TCP/IP стал стандартом де-факто для межсетевого взаимодействия. К другим специально созданным для стека TCP/IP протоколам относятся:
Стек IPX / SPX поддерживает маршрутизацию и используется в сетях Novell.
3. Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) – базовая система ввода/вывода.Предназначен для передачи данных между РС, выполняет функции сетевого, транспортного и сеансового уровней. Этот протокол предоставляет программам средства осуществления связи с другими сетевыми программами.
NetBEIU – расширенный интерфейс NetBIOS – небольшой быстрый и эффективный протокол транспортного уровня, который поставляется со всеми сетевыми продуктами Microsoft. Основной недостаток – он не поддерживает маршрутизацию.
4. Протокол NWLink – реализация стека протоколов IPX/SPX фирмой Microsoft. Это транспортный маршрутизируемый протокол.Каждый сетевой уровень подчиняется определенному сетевому протоколу, определяющему набор сетевых служб, присущих данному уровню. Короче говоря, сетевая служба – это набор функций, которые уровень выполняет для вышележащего уровня (например, коррекция ошибок). С другой стороны, протокол – это правила, которым должен следовать уровень, чтобы реализовать сетевую службу.
Пример. Чтобы отправить кому-либо письмо, мы пишем адрес на конверте. Таким образом, функция адреса заключается в обеспечении правильной доставки. Формат, в котором пишется адрес, строго определен:
Почтовые работники ожидают, что на второй строке будет указана улица, а за ней – номер дома. Формат адреса на конверте следует определенному протоколу. Сетевая служба таким же образом определяет выполнение какой-либо функции или задачи (определение ошибки или доставки сообщения).
Сетевой протокол описывает формат данных или пакетов данных, т. е. правила оформления, которым данные должны подчиняться, чтобы программное обеспечение выполняло ту или иную функцию или сетевую службу. Так, например, для случая коррекции ошибок протокол описывает, какие ошибки сетевая службадолжна исправлять.
Набор свойств и функций, которым обладает определенный сетевой уровень, называется сетевой службой. Каждый сетевой уровень запрашивает определенную сетевую службу от нижележащего уровня. Протокол уровня определяет структуру данных и формат пакета для выполнения запрашиваемой сетевой службы.
Процесс, который называется привязкой, позволяет с достаточной гибкостью настраивать сеть, т. е. сочетать протоколы и платы сетевых адаптеров, как того требует ситуация.
Так, например, Ваш компьютер является членом рабочей группы одноранговой сети на базе Windows, и обмен данными осуществляется по протоколу NetBEIU. Если помимо этого Вам необходим доступ на сервер Вашей организации, работающей под управлением Novell NetWare, то первое, что необходимо сделать – установить на Вашем компьютере соответствующий протокол – IPX/SPX.
Таким образом, два стека протоколов должны быть привязаны к одной плате сетевого адаптера – NetBEUT и IPX/SPX. При подключении к глобальной сети Интернет на Вашем компьютере дополнительно должен быть установлен еще один протокол TCP/IP.
Порядок привязки определяет очередность, с которой операционная система выполняет программы. Если с одной платой сетевого адаптера связано несколько протоколов, то порядок привязки определяет очередность, с которой будут использоваться протоколы при попытках установить соединение. Обычно привязку выполняют при установке ОС или добавлении и настройке протокола.
Например, если TCP/IP – первый протокол в списке привязки, то именно он будет использоваться при попытке установить связь. Если попытка неудачна, то компьютер попытается установить соединение, используя следующий по порядку протокол в списке привязки.
Привязка (binding) не ограничивается установкой соответствия стека протокола плате сетевого адаптера. Стек протокола должен быть привязан к компонентам, уровень которых и выше, и ниже его уровня. Так, TCP/IP наверху может быть привязан к сеансовому уровню NetBIOS, а внизу – к драйверу платы. А драйвер, в свою очередь, привязан непосредственно к плате сетевого адаптера.
Пакет – основная единица информации в сетях. Он включает в себя: небольшие управляемые блоки, на которые разбиваются информационные сообщения, передаваемые по сети; заголовок, включающий в себя информацию протоколов всех уровней; трейлер, содержащий информацию для обнаружения ошибок. Рассмотрим пример использования пакетов в сетевых коммуникациях на примере их использования при печати (рис. 6.15).
Рис. 6.15. Пример передачи данных по сети.
В данном примере рассмотрен случай использования простейшего протокола без обнаружения ошибок, когда все пакеты от источника последовательно передаются приемнику без ожидания подтверждения. Если бы использовался более сложный протокол и соответствующие ему сетевые службы, то время передачи увеличилось бы, но зато повысилась бы достоверность передачи. Указанный в пакете адрес отправителя в этом случае использовался бы сетевой службой для формирования «подтверждения» и передачи его соответствующему приемнику.
Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием – декомпозиция, то есть разбиение одной сложной проблемы на несколько более простых задач. При декомпозиции часто используют многоуровневый подход, который состоит в том, что все задачи разделяют на уровни. Совокупность задач каждого уровня формируют так, чтобы при их выполнении они обращались только к задачам примыкающего к ним нижнего уровня. Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. В результате иерархической декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой замены.
Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. Уточним еще раз терминологию: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – модулей соседних уровней в одном узле.
Для того, чтобы пояснить суть многоуровневого подхода, а также понятия «протокол» и «интерфейс», рассмотрим пример, не имеющий отношения к вычислительным сетям. Рассмотрим взаимодействие двух предприятий "А" и "В". Пусть предприятие "А" находится в России, а "В" – в Китае. Директора предприятий периодически обмениваются сообщениями об объемах и сроках поставки некоторой продукции. Обмен сообщений между двумя директорами происходит в следующей последовательности:
1.1. Директора посылают свои сообщения и заявки через своих секретарей. Порядок взаимодействия начальника и секретаря соответствует понятию межуровневого интерфейса «начальник - секретарь». На предприятии А директор надиктовывает свои сообщения непосредственно секретарю а на предприятии В директор общается с секретарем идет через специальную папку. Таким образом, интерфейсы «начальник - секретарь» на этих двух предприятиях отличаются.
1.2. Секретарь оформляет сообщение, полученное от директора, в соответствии с установленными правилами деловой переписки. Эти правила являются протоколом уровня «секретарь – секретарь».
1.3. Оформленное сообщение передается переводчику для его перевода на английский язык (китайского он не знает).
1.4. Переведенное на английский язык сообщения передается в канцелярию, которая принимает решение о способе передачи сообщения. (Выбор способа передачи – это уровень компетенции канцелярии). В нашем примере в качестве протокола взаимодействия «канцелярия – канцелярия» используется обмен письмами. Соответственно сообщение будет помещено в конверт предусмотренного формата (который предусматривает указание адреса получателя и адреса отправителя) и отправлено в почтовую службу.
1.5. Почтовая служба осуществляет сортировку почтовых отправлений, в результате которой конверт с сообщением будет помещен в контейнер, который отправляется в авиакомпанию.
1.6. Авиакомпания объединяя все грузы одного направления, доставляет их в город, где находится предприятие В. При этом предполагаем, что города связаны прямым авиамаршрутом. Более сложный случай будет рассмотрим отдельно. Дальнейшие действия производятся в обратном порядке.
2.6. Авиакомпания города назначения поступивший контейнер с сообщением передает в почтовую службу этого города.
2.5. Почтовое отделение проводит сортировку контейнера, на извлеченном из него конверте читает адрес и на его основе выполняет доставку конверта в канцелярию предприятия В.
2.4. Канцелярия извлекает сообщение из конверта и передает его переводчику для перевода на китайский язык.
2.3. Переводчик переводит сообщение с английского языка на китайский и передает секретарю.
2.1. Секретарь доводит содержание сообщения до директора, положив его в специальную папку.
Как видно протокол взаимодействия для всех уровней кроме самого верхнего связан только с передачей сообщений, поступающих сверху, и не касается содержания этих сообщений. Каждый из уровней имеет собственный протокол, который может быть изменен независимо от протокола другого уровня. Эта независимость протоколов друг от друга и делает привлекательным многоуровневый подход.
После установки протокола Windows XP Professional автоматически распространяет этот протокол на все сервисы и клиентские программы, инсталлированные на компьютере. Привязка - это способ заставить Windows XP Professional использовать определенный протокол при обращении к определенному клиенту или сервису. Если вы не хотите использовать специальный протокол с каким-либо клиентом или сервисом, то можете отключить его.
Однако, несмотря на все прелести автоматического конфигурирования, можно не использовать новый протокол с каждым сервисом и клиентской программой, а привязывать определенные протоколы к определенным клиентам и сервисам.
Рис. 6.2.1. Привязка протоколов к клиентам и сервисам.
Рис. 6.2.2. Настройка порядка служб доступа к сети.
Аналогично изложенному выше может быть осуществлена и настройка порядка служб доступа к информации в сети и сетевым принтерам (см. рис. 6.2.2).