Взаимосвязь сервиса и протоколов

Сервис и протоколы - понятия разные, хотя их часто путают. Различие между ними настолько важно, что рассмотрим его еще раз. Сервис - это набор примитивов, который уровень предоставляет уровню, следующему над ним. Сервис определяет, какие операции данный уровень должен выполнить по поручению его пользователей, но он ничего не говорит о том, как эти операции реализованы. Сервис относится к интерфейсу между уровнями. Нижележащий уровень является поставщиком сервиса, а вышележащий - пользователем услуг.

Протокол - это набор правил, определяющих формат, назначение фреймов, пакетов, сообщений, которыми обмениваются равнозначные активности на определенном уровне. Активности используют протоколы для реализации сервиса. Они могут изменить протокол, но не сервис, видимый их пользователями. Отсюда ясно, что сервис и протокол - не связаны.

 

Эталонные модели

 

До сих пор мы рассматривали некоторые абстрактные сети и понятия. Теперь мы рассмотрим две конкретные эталонные модели сетей ISO OSI эталонную модель и TCP/IP эталонную модель.

Эталонная модель OSI

Модель OSI (модель взаимодействия открытых систем; она представлена на рис.1-16) была разработана в Международной Организацией по Стандартизации (МОС) в целях разработки международных стандартов для вычислительных сетей. Это модель систем открытых для взаимодействия с другими системами.

Модель МОС имеет семь уровней. Принципы выделения этих уровней таковы:

1. Каждый уровень отражает надлежащий уровень абстракции.

2. Каждый уровень имеет строго определенную функцию.

3. Эта функция выбиралась прежде всего так, чтобы можно было определить международный стандарт.

4. Границы выбирались так, чтобы минимизировать поток информации через интерфейсы.

5. Число уровней должно быть достаточно большим, чтобы не объединять разные функции на одном уровне и оно должно быть достаточно малым, чтобы архитектура не была громоздкой.

 

Теперь рассмотрим каждый уровень этой модели. Отметим что это модель, а не архитектура сети. Она не определяет протоколов и сервис каждого уровня. Она лишь говорит, что он должен делать. Однако, ISO выпустила и стандарты для каждого уровня, но они не являются частью модели.

 

Физический уровень

 

Физический уровень отвечает за передачу последовательности битов через канал связи. Основной проблемой является то, как гарантировать, что если на одном конце послали 1, то на другом получили 1, а не 0. На этом уровне решают такие вопросы каким напряжением надо представлять 1, а каким - 0; сколько микросекунд тратиться на передачу одного бита; следует ли поддерживать передачу данных в обоих направлениях одновременно; как устанавливается начальное соединение и как оно разрывается; каково количество контактов на сетевом разъеме, для чего используется каждый контакт. Здесь в основном вопросы механики, электрики.

 

Уровень канала данных

 

Основной задачей уровня канала данных - превратить несовершенную среду передачи в надежный канал, свободный от ошибок передачи. Эта задача решается разбиением данных отправителя на фреймы (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч байтов), передачей фреймов последовательно и обработкой фреймов уведомления, поступающих от получателя. Поскольку физический уровень не распознает структуры в передаваемых данных, то это целиком и полностью задача канала данных определить границы фрейма. Эта задача решается введением специальной последовательности битов, которая добавляется в начало и в конец фрейма и всегда интерпретируется как границы фрейма.

Помехи на линии могут разрушить фрейм. В этом случае он должен быть передан повторно. Он будет повторен также и в том случае если фрейм уведомление будет потерян. И это уже заботы уровня как бороться с дубликатами одного и того же фрейма, потерями или искажениями фреймов. Уровень канала данных может поддерживать сервис разных классов для сетевого уровня, разного качества и стоимости.

Другой проблемой, возникающей на уровне канала данных (равно как и на других вышележащих уровнях) как управлять потоком передачи. Например, как предотвратить «захлебывание» получателя. Как сообщить передающему размер буфера, для приема передаваемых данных имеющийся у получателя в этот момент.

Если канал позволяет передавать данные в обоих направлениях одновременно, то возникает новая проблема: фреймы уведомления для потока от А к В используют тот же канал, что и трафик от В к А. Решение - использовать фреймы DU для передачи фреймов уведомлений.

В сетях с вещательным способом передачи возникает проблема управления доступом к общему каналу. За это отвечает специальный подуровень - подуровень доступа к среде (MAC - Media ACcess).

Сетевой уровень

 

Сетевой уровень отвечает за функционирование транспортной подсети. Основной проблемой здесь является как маршрутизировать пакеты от отправителя к получателю. Маршруты могут быть определены заранее и прописаны в статической таблице, которая не изменяется. Они могут определяться в момент установления соединения. Наконец, они могут строиться динамически в зависимости от загрузка сети.

Если в подсети циркулирует слишком много пакетов, то они могут использовать одни и те же маршруты, что будет приводить к перегрузкам. Эта проблема так же решается на сетевом уровне.

Поскольку за использование подсети, как правило, предполагается оплата, то на этом уровне также присутствуют функции учета: как много байт, символов послал или получил абонент сети. Если абоненты расположены в разных странах, где разные тарифы, то надо должным образом скорректировать цену услуги.

Если пакет адресован в другую сеть, то надо предпринять надлежащие меры: там может быть другой формат пакетов, отличный способ адресации, размер пакетов, протоколы и т.д. - это все проблемы неоднородных сетей решаются на сетевом уровне.

В сетях с вещательной передачей проблемы маршрутизации просты и этот уровень часто отсутствует.

 

Транспортный уровень

 

Основная функция транспортного уровня это: принять данные с уровня сессии, разделить, если надо, на более мелкие единицы, передать на сетевой уровень и позаботиться, чтобы все они дошли в целостности до адресата. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы скрыть от вышележащего уровня непринципиальные изменения на нижних уровнях.

В нормальных условиях транспортный уровень должен создать специальное сетевое соединение для каждого транспортного соединения по запросу уровня сессии. Если транспортное соединение требует высокой пропускной способности, то транспортный уровень может создать несколько сетевых соединений, между которыми транспортный уровень буден распределять передаваемые данные. И наоборот, если требуется обеспечить недорогое транспортное соединение, то транспортный уровень может использовать одно и то же сетевое соединение для нескольких транспортных соединений. В любом случае, такое мультиплексирование должно быть незаметным на уровне сессии.

Сетевой уровень определяет какой тип сервиса предоставить вышележащим уровням и пользователям сети. Наиболее часто используемым сервисом является канал точка-точка без ошибок, обеспечивающий доставку сообщений или байтов в той последовательности, в какой они были отправлены. Другой вид сервиса - доставка отдельных сообщений без гарантии сохранения их последовательности, рассылка одного сообщения многим в режиме вещания. Тип сервиса определяется при установлении транспортного соединения.

Транспортный уровень - это действительно уровень, обеспечивающий соединение точка-точка. Активности транспортного уровня на машине отправителя общаются с равнозначными активностями транспортного уровня на машине получателя. Этого нельзя сказать про активности на нижележащих уровнях. Они общаются с равнозначными активностями на соседних машинах! В этом одно из основных отличий уровней 1-3 от уровней 4-7. Последние обеспечивают соединение точка-точка. Это хорошо видно рис.1-16.

Многие хост-машины - мультипрограммные, поэтому транспортный уровень для одной такой машины должен поддерживать несколько транспортных соединений. Для того, чтобы определить к какому соединению относиться тот или иной пакет, в его заголовке (H₄ на рис.1-11) помещается необходимая информация.

Транспортный уровень также отвечает за установление и разрыв транспортного соединения в сети. Это предполагает наличие механизма именования, т.е. процесс на одной машине должен уметь указать с кем в сети ему надо обменяться информацией. Транспортный уровень также должен предотвращать «захлебывание» получателя в случае очень «быстро говорящего» отправителя. Механизм для этого называется управление потоком. Он есть и на других уровнях. Однако, управление потоком между хостами отличен от управление потоком между маршрутизаторами.

 

Уровень сессии

 

Уровень сессии позволяет пользователям на разных машинах (напомним что пользователем может быть программа) устанавливать сессии. Сессия позволяет передавать данные, как это может делать транспортный уровень, но кроме этого этот уровень имеет более сложный сервис, полезный в некоторых приложениях. Например, вход в удаленную систему, передать файл между двумя приложениями.

Одним из видов услуг на этом уровне - управление диалогом. Потоки данных могут быть разрешены в обоих направлениях одновременно, либо поочередно в одном направлении. Сервис на уровне сессии будет управлять направлением передачи.

Другим видом сервиса - управление маркером. Для некоторых протоколов недопустимо выполнение одной и той же операции на обоих концах соединения одновременно. Для этого уровень сессии выделяет активной стороне маркер. Операцию может выполнять тот кто владеет маркером.

Другой услугой уровня сессии является синхронизация. Пусть нам надо передать файл такой, что его пересылка займет два часа, между машинами, время наработки на отказ у которых один час. Ясно что «в лоб» такой файл средствами транспортного уровня не решить. Уровень сессии позволяет расставлять контрольные. В случае отказа одной из машин передача возобновиться с последней контрольной точки.

 

Уровень представления

 

Уровень представления предоставляет решения для часто возникающих проблем, чем облегчает участь пользователей. В основном это проблемы семантики и синтаксиса передаваемой информации. Этот уровень имеет дело с информацией, а не с потоком битов.

Типичным примером услуги на этом уровне - унифицированная кодировка данных. Дело в том, что на разных машинах используются разные способы кодировки ASCII, Unicode и т.п. для символов, разные способы представления целых - в прямом, обратном или дополнительном коде, нумирация бит в байте слева направо или наоборот и т.п. Пользователи как правило используют структуры данных, а не случайный набор байт. Для того, чтобы машины с разной кодировкой и представлением данных могли взаимодействовать, передаваемые структуры данных определяются специальным абстрактным способом, не зависящим от кодировки, используемой при передачи. Уровень представления работает со структурами данных в абстрактной форме, преобразует это представление во внутреннее для конкретной машины и из внутреннего, машинного представления в стандартное представление для передачи по сети.

 

Уровень приложений

 

Уровень приложений обеспечивает нужные часто используемые протоколы. Например, существуют сотни разных типов терминалов. Если мы захотим создать сетевой экранный редактор, то нам придется писать для каждого типа терминала свою версию.

Есть другой путь: определить сетевой виртуальный терминал и для него написать редактор. Для каждого типа терминала написать программу отображения этого терминала на сетевой виртуальный терминал. Все программное обеспечение для виртуального сетевого терминала расположено на уровне приложений.

Другой пример - передача файлов. Разные операционные системы используют разные механизмы именования, представления текстовых строк и т.д. Для передачи файлов между разными системами надо преодолевать все такие различия. Для этого есть приложение FTP, также расположенное на уровне приложений. На этом же уровне находятся: электронная почта, удаленная загрузка программ, удаленный просмотр информации и т.д.