Эталонная модель взаимосвязи открытых систем

Связь представляет собой совокупность сетей и служб связи (рис. 9.12). Служба электросвязи - это комплекс средств, обеспечивающий представление пользователям услуг. Вторичные сети обеспечивают транспортировку, коммутацию сигналов в службах электросвязи, первичные снабжают вторичные каналы. Составной частью соответствующей службы является оконечное оборудование, которое располагается у пользователя.

В качестве примера службы можно привести телефонную. Она предоставляет услуги телефонной связи, передачи данных и др.

Следует заметить, что понятия служба и услуга трактуются в литературе неоднозначно. Так передача данных по телефонным сетям (с использованием телефонной службы) часто рассматривается как служба передачи данных по телефонным каналам [9]. Откуда следует, что стоит владельцу телефона подключить свой компьютер при помощи модема к телефонной сети, как появляется служба. Более логичным нам кажется определение, когда под службой передачи данных мы понимаем систему связи, специально созданную для передачи данных, т.е. совокупность аппаратных и программных средств, методов обработки, распределения и передачи данных.

В то же время служба передачи данных может предоставлять и услуги телефонной связи [10]. Она входит в состав служб документальной электросвязи (ДЭС), которые обеспечивают обмен (передачу) разнообразной нетелефонной информации. В состав служб ДЭС, в соответствии с [11] входят также службы телеграфные и передачи газет, телематические. Каждая служба может иметь ряд применений, которые с позиции пользователя классифицируются как услуги.

Обмен информацией в любых службах электросвязи должен осуществляться по определенным, заранее оговоренным правилам. Эти правила (стандарты) разрабатываются рядом международных организаций электросвязи.

Так, в 1978 г. в Международной организации по стандартизации (МОС) был создан подкомитет SC16,задачей которого являлась разработка международных стандартов для взаимосвязи открытых систем. Под термином «открытая система» подразумевалась система, которая может взаимодействовать с любой другой, удовлетворяющей требованиям открытой системы [12]. Открытой она является тогда, когда соответствует эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ВОС). Эталонная модель ВОС - наиболее общее описание структуры построения стандартов. Она определяет принципы взаимосвязи между отдельными стандартами и представляет собой основу для обеспечения возможности параллельной разработки множества стандартов, которые требуются для ВОС.

Однако стандарт ВОС должен определять не только эталонную модель, но и конкретный набор услуг, удовлетворяющих эталонной модели, а также набор протоколов, обеспечивающих удовлетворение услуг, для реализации которых они разработаны (рис. 9.13). При этом под протоколом понимается документ, определяющий процедуры и правила взаимодействия одноименных уровней работающих друг с другом систем.

В качестве эталонной модели в 1983 г. утверждена семиуровневая модель (рис. 9.14), в которой все процессы, реализуемые открытой системой, разбиты на взаимно подчиненные уровни. Уровень с меньшим номером предоставляет услуги смежному с ним верхнему уровню и пользуется для этого услугами смежного с ним нижнего уровня. Самый верхний (7) уровень лишь потребляет услуги, а самый нижний (1) только их предоставляет.

Рис. 9.14. Структура эталонной модели ВОС

В семиуровневой модели протоколы нижних уровней (1-3) ориентированы на передачу информации, верхних уровней (5-7) - на обработку информации. Протоколы транспортного уровня в литературе иногда выделяют отдельно, так как он непосредственно не связан с передачей информации. Однако этот уровень (4) ближе по своим функциям к трем нижним уровням (1-3), чем к трем верхним (5-7). Поэтому в дальнейшем мы его будем относить к нижнему уровню.

Задача всех семи уровней - обеспечение надежного взаимодействия прикладных процессов. При этом под прикладными процессами понимают процессы ввода, хранения, обработки и выдачи информации для нужд пользователя. Каждый уровень выполняет свою задачу. Однако уровни подстраховывают и проверяют работу друг друга.

Протоколы верхнего уровня (5-7). Прикладной (пользовательский) уровень является основным, именно ради него существуют все остальные уровни. Он называется прикладным, поскольку с ним взаимодействуют прикладные процессы системы, которые должны решать некоторую задачу совместно с прикладными процессами, размещенными в других открытых системах. Прикладной уровень эталонной модели ВОС определяет смысловое содержание информации, которой обмениваются открытые системы в процессе совместного решения некоторой заранее известной задачи.

Шестой уровень называется уровнем представления. Он определяет в основном процедуру представления передаваемой информации в нужную сетевую форму. Это связано с тем, что сеть объединяет разные оконечные пункты (например, разные компьютеры). Если бы все оконечные пункты в сети были одного типа, то не понадобилось бы введение уровня представления. Так, в сети, объединяющей разнотипные компьютеры, информация, передаваемая по сети, должна иметь определенную единую форму представления. Именно эту форму и определяет протокол шестого уровня.

Следующий пятый уровень протоколов называют уровнем сессий, или сеансовым. Его основным назначением является организация способов взаимодействия между прикладными процессами - соединение прикладных процессов для их взаимодействия, организация передачи информации между процессами во время взаимодействия и «рассоединения» процессов.

Далее идут четыре протокола низшего макроуровня. Основная задача протоколов низшего уровня сводится к быстрому и надежному перемещению информации. Поэтому протоколы низшего уровня ино-гда называют протоколами транспортной сети. Выход в транспортную сеть осуществляется через так называемый порт. Каждый процесс имеет свой порт. Перед входом в транспортную сеть информация пользователя получает заголовок того процесса, который ее породил, Транспортная сеть обеспечивает передачу информации пользователя с заголовком процесса (сообщения) адресату, используя для этого протоколы низшего уровня.

Протоколы низшего уровня (1-4). Четвертый транспортный уровень в модели ВОС служит для обеспечения пересылки сообщений между двумя взаимодействующими системами с использованием нижележащих уровней. Этот уровень принимает от вышестоящего некоторый блок данных и должен обеспечить его транспортировку через сеть связи к удаленной системе. Уровни, лежащие выше транспортного, не учитывают специфику сети, через которую передаются данные, они «знают» лишь удаленные системы, с которыми взаимодействуют. Транспортный же уровень должен «знать», как работает сеть, какие размеры блоков данных она принимает и т.п.

Следующие три нижних уровня определяют функционирование узла сети. Протоколы этих уровней обслуживают так называемую транспортную сеть. Как любая транспортная система, эта сеть транспортирует информацию, не интересуясь ее содержанием. Главная задача этой сети - быстрая и надежная доставка информации.

Основная задача третьего (сетевого) уровня - маршрутизация сообщений, кроме этого он обеспечивает управление информационными потоками, организацию и поддержание транспортных каналов, а также учитывает предоставленные услуги.

Уровень управления каналом (второй уровень), или канальный, представляет собой комплекс процедур и методов управления каналом передачи данных (установление соединения, его поддержание и разъединение), организованный на основе физического соединения, он обеспечивает обнаружение и исправление ошибок.

Таблица 9.1. Функции, выполняемые уровнями систем

№ уровня	Наименование уровня	Функции, реализуемые уровнем
	Прикладной	Представление или потребление информационных ресурсов. Управление прикладными программами
	Представительный	Представление (интерпретация) смысла (значения) содержащейся в прикладных процессах информации
	Сеансовый	Организация и проведение сеансов взаимодействия между прикладными процессами
	Транспортный	Передача массивов информации, кодированных любым способом
	Сетевой	Маршрутизация и коммутация информации, управление потоками данных
	Канальный	Установление, поддержание и разъединение соединения
	Физический	Физические, механические и функциональные характеристики каналов

Физический (первый) уровень обеспечивает непосредственную взаимосвязь со средой передачи. Он определяет механические и электрические характеристики, требуемые для подключения, поддержания соединения и отключения физической цепи (канала). Здесь определяются правила передачи каждого бита через физический канал. Канал может передавать несколько бит сразу (параллельно) или последовательно, как это происходит в последовательном порте RS232.

Краткая характеристика уровней приведена в табл. 9.1 [13].

Эталонная модель ВОС - удобное средство для распараллеливания разработки стандартов для взаимосвязи открытых систем. Она определяет лишь концепцию построения и взаимосвязи стандартов между собой и может служить базой для стандартизации в различных сферах передачи, хранения и обработки информации.

Разделение на уровни очень удобно и позволяет следующее: − упростить конструирование сети итруктурирвать ее функции − расширить набор приложений, ориентированных на пользователей сети; − обеспечить наращивание сети в процессе ее развития. Наибольшую популярность в мире получила открытая сетевая архитектура, использующая в своей основе эталонную модель взаимодействия открытых систем или ЭМВОС (Open Systems Interconnection/Reference Model), или кратко модель OSI (ВОС). Эта семиуровневая модель была разработна в 1977 г. совместно ISO и CCITT (современное название ITU-T)

Рис. Сетевые Стандарты IEEE 802

Стандарты IEEE 802 Сетевые протоколы и стандарты, охватывающие два нижних уровня модели I (физический и канальный) были разработаны комитетом IEEE 880

(сокращенно IEEE 802). Получила распространение несколько различных иантов построения этих ровней. Причем у канального уровня только его жний подуровень - MAC (управление доступом к среде) - инен сфизически уровнем дл организаци сетевогостандарта. Таким об-разом, протоколы подуровня LLC (канального уровня) и более высоких уровней 3, 4 и т.д. остались независимыми от сетевых стандартов, На рис. 5.16 приведены основные сетевые стандарты IEEE 802. Следует отметить, что стандарт FDDI, несмотря на то, что был разработан другой организацией, также включен в эту группу сетевых стандартов, так как он выполнен в полном соответствии с эталонной моделью OSI/IEEE 802.

ПРОТОКОЛЫ TCP/IP И МОДЕЛЬ OSI

В истории античных времен названы семь чудес света: египетские пирамиды, храм Артемиды в Эфесе, Мавзолей в Галикариасе, статуя Зевса в Олимпе, Колосс Родосский, висячие сады Семирамиды в Вавилоне и Александрийский маяк. Для истории XX века в семерку чудес света наряду с телефоном, радио, компьютером, вероятно, должна войти и всемирная сеть Интернет, базирующаяся на наборе протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).

Протоколы TCP/IP были разработаны почти три десятилетия назад по заказу Управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (ARPA) и внедрены в государственной сети Defense Data Network (DDN), включающей в себя сети ARPANET и MILNET. Первоначальная цель была связана с построением отказоустойчивой коммуникационной сети, которая могла бы функционировать даже при выходе из строя ее большей части, например, из-за ядерных бомбардировок. Широкое распространение TCP/IP получили в 1982 году, когда средства их поддержки были включены в ядро операционной системы UNIX 4.2BSD. Это объединение TCP/IP с ОС UNIX сделало протоколы TCP/IP доступными для всех UNIX-сетей. В том же году произошло еще одно важное событие в истории TCP/IP — в упомянутый комплект был включен протокол разрешения адреса ARP (Address Resolution Protocol), который ставит Ethernet-адреса в соответствие межсетевым TCP/IP-адресам. Затем протоколы TCP/IP были реализованы на рабочих станциях семейства Sun в сетевых файловых системах NFS (Network File System) для обеспечения межсетевых коммуникаций. Сейчас практически невозможно найти аппаратуру или операционную систему, где в той или иной форме не применялся бы протокол TCP/IP. Но самое главное для набора протоколов TCP/IP сегодня — обслуживание Сети сетей — Интернет.

В предыдущей, да и во многих других главах этой книги автор пропагандировал комплект протоколов OSI в качестве стандарта

в области построения телекоммуникационных сетей. Происходящая буквально на глазах конвергенция сетей связи и компьютерных сетей позволяет предположить дальнейшую экспансию этой модели в область протоколов компьютерных сетей, но сегодня, тем не менее, стандартом де-факто для последних является набор протоколов TCP/IP.

Как видно из рис. 10.1, протоколы TCP и IP приблизительно соответствуют транспортному и сетевому уровням модели OSI, в связи с чем область применения TCP/IP не ограничена какими-либо конкретными аппаратными платформами. Они могут работать также над рассмотренным в предыдущей главе протоколом передачи данных в сетях с коммутацией пакетов Х.25, который охватывает три нижних уровня модели OSI.

Различие между подходом модели OSI и прагматическим подходом семейства протоколов TCP/IP связано, в частности, с количеством уровней: пятиуровневая модель TCP/IP и семиуровневая модель OSI.

В предыдущей главе обсуждались реализованные в OSI принципы, ориентированные на максимальную общность и функциональность, что вносит, естественно, некоторую избыточность. Так, например, протокол Х.25 дублирует ряд функций на каждом уровне, чтобы обеспечить максимальную независимость уровней друг от друга. Подсчитываются контрольные суммы и устанавливается таймер на ожидание событий и на уровне звена, и на сетевом уровне, что повышает надежность, однако увеличивает стоимость реализации и снижает эффективность протокола в целом.

Подобная избыточность проявляется также во введении двух следующих уровней семиуровневой модели OSI: сеансового уровня и уровня представления данных. Наличие сеансового уровня можно считать целесообразным для телекоммуникационных протоколов, в которых необходимы процедуры установления сеанса (LOGIN) и завершения этого сеанса. Эти процедуры должны выполняться многократно, например, при организации доступа пользователей к общесетевым ресурсам. Но для целого ряда приложений функциональная полезность сеансового уровня вызывает сомнения. Не выглядит абсолютно необходимым и выделение в отдельный уровень телекоммуникационного протокола функций представления данных. Сжатие, конвертирование, кодирование, форматирование и распознавание структур данных выполняются не только на этом уровне, эти же самые операции выполняются на других уровнях — звена данных и прикладном.

Высказанные критические замечания к архитектуре OSI можно уравновесить не менее критическими оценками протоколов TCP/IP, причем не только ради справедливости, но и для технического анализа. Эта критика отчасти связана с различным функциональным наполнением одноименных уровней в протоколах TCP/IP и в модели OSI, что показано на рис. 10.1. Так, рассматриваемая ниже система пересылки файлов FTP представляется гораздо более тривиальной, чем протокол FTAM, а электронная почта TCP/IP, по мнению автора, выглядит несколько ограниченной на фоне почтового сервиса протокола Х.400, соответствующего модели OSI. Действительно, тезис о том, что наши недостатки являются продолжением наших достоинств, справедлив не только для человеческих характеров.

Особенности обеих архитектур обуславливают актуальность проблемы их совместного функционирования при обеспечении электронного обмена данными и реализации сложных функций управления телекоммуникационными сетями. Одним из решений проблемы согласования TCP/IP и OSI является метод шлюзов. Не слишком высокое быстродействие этого метода делает его недостаточно эффективным для сетевых приложений, работающих в реальном времени, но для электронной почты или для пересылки небольших файлов его возможностей вполне достаточно. Доказательством тому служит, в частности, наличие на рынке шлюзов прикладного уровня FTAM — FTP и Х.400 — SMTP. Известны также, весьма простой метод двухпротокольного стека и метод, преду-сматривающий использование моста транспортного сервиса (transport-service bridge). Такой мост, работая как маршрутизатор, позволяет выполнять прикладные программы OSI в TCP/IP-сетях. Он осуществляет маршрутизацию блоков данных протоколов OSI, упаковывая их так, чтобы они эмулировали TCP/IP.

Несколько слов о рассматриваемых в этой главе протоколах Интернет. TCP/IP — это не один протокол, а набор, содержащий более 100 протоколов, каждый из которых нацелен на конкретное приложение в рамках объединенной сети. Данный фактор делает TCP/IP чрезвычайно гибким, поскольку каждый протокол можно использовать независимо от других с разной технологией транспортировки, но ограничивает возможность вразумительно описать характеристики этих протоколов в одной главе.