Управление взаимодействием процессов в вычислительных сетях. Семиуровневая модель протоколов взаимодействия открытых систем

- 6 -

Введение. Основные понятия и принципы организации компьютерных сетей

Компьютерная сеть представляет собой совокупность компьютеров, а так же различных электронных систем и устройств, подключаемых к компьютерам, обеспечивающую управление и обмен информацией между компьютерами в сети без каких - либо промежуточных носителей информацией. Из этого следует, что главное назначение компьютерных вычислительных сетей в том, чтобы упростить и ускорить процесс взаимодействия между конечными пользователями, т.е. клиентами сети, а так же организация доступа пользователей к общим сетевым ресурсам.

Компьютерные сети бывают различных видов: например, по их масштабу и территории они подразделяются на локальные(LAN) и глобальные(WAN), по уровню организации: одноранговые и на основе сервера, по скорости передачи информации на низко-, средне- и высокоскоростные, по типу соединения: на коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалу и в инфракрасном диапазоне, по топологии сети, т.е. структуре связей между ее основными функциональными элементами: звездная, шинная, кольцевая.

Функции компьютеров, входящих в сеть можно разделить на три вида:

· Организация доступа к сети,

· Управление передачей информации,

· Предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети.

Любая компьютерная сеть характеризуется: топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами, используемыми в этой сети:

· Сетевые технические средства представляют собой различные электронные устройства, обеспечивающие объединение компьютеров в вычислительную сеть (кабеля, коммутаторы, концентраторы(Hab), серверы, маршрутизаторы);

· Протокол это набор определенных правил взаимодействия и обмена информации между компьютерами и другими функциональными элементами данной сети;

· Сетевые программные средства обеспечивают корректную работу сети, осуществляют программное управление работой сети и интерфейс с конечным пользователем (сетевая операционная система, программное обеспечение управления сетью);

· Интерфейс - это средства сопряжения функциональных элементов сети. Интерфейсы разделяются на аппаратные и программные.

При этом многообразии характеристик и устройств различных сетей необходимы правила, по которым все составляющие сети будут взаимодействовать друг с другом и с другими сетями эти правила представляют собой протокол взаимодействия в сети. Управление взаимодействием процессов в вычислительных сетях как раз и осуществляется по средствам сетевых протоколов и программного обеспечения управления сетью. Остановимся подробнее на понятие сетевых протоколов.

1. Семиуровневая модель протоколов взаимодействия открытых систем

Строгое определение протокола выглядит как формализованный набор правил, используемый ПК для коммуникаций.

Из-за сложности коммуникаций между системами и необходимости соблюдения различных коммуникационных требований протоколы разделяются на модульные уровни. Каждый уровень выполняет конкретную функцию для расположенного выше уровня.

В современных компьютерных сетях, как правило, используется много различных видов сетевых протоколов, и даже в рамках одной сети применяют несколько из них. Потребность в расширении, модернизации, а так же необходимость упрощения процессов разработки и усовершенствования вычислительных сетей показала необходимость в стандартизации принципов и процедур взаимодействия между абонентами сетей. С этой целью была разработана так называемая Эталонная модель взаимодействия открытых систем, состоящая из семи уровней. (OSI, Open Systems Interconnection), разработана международной организацией стандартизации (ISO, International Standards Organization). Реализация модели OSI напоминает различные уровни обычного почтового адреса - от страны, региона до города, дома, улицы и фамилии конечного получателя. Для доставки информации соответствующему получателю устройства на маршруте передачи используют разные уровни детализации. Каждый из уровней представляет определенную группу функций, необходимых для работы компьютерной сети.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI, Open Systems Interconnection)

С точки зрения пользователя основным является прикладной уровень, то есть уровень, обеспечивающий выполнение прикладных процессов пользователей. Наряду с прикладными протоколами, он определяет протоколы передачи файлов, виртуального терминала, электронной почты.

Следующим по значимости является представительный (шестой) уровень (уровень представления данных). Он определяет единый для всех систем синтаксис передаваемой информации. Необходимость данного уровня обусловлена различной формой представления информации в сети передачи данных и компьютерах. Этот уровень играет важную роль в обеспечении «открытости» систем, позволяя им общаться между собой независимо от их внутреннего языка.

Следующий уровень (пятый) называется сеансовым, так как основное его назначение - это организация сеансов связи между прикладными процессами различных рабочих станций. На этом уровне создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения -- логические каналы между процессами. Необходимость протоколов этого уровня определяется относительной сложностью сети передачи данных и стремлением обеспечить достаточно высокую надежность передачи информации.

Четвертый, транспортный уровень (уровень сквозной передачи) служит для передачи данных между двумя взаимодействующими открытыми системами и организации процедуры сопряжения абонентов сети с системой передачи данных. На этом уровне определяется взаимодействие рабочих станций -- источника и адресата данных, организуется и поддерживается логический канал (транспортное соединение) между абонентами.

Третий, сетевой уровень, предназначен для маршрутизации информации и управления сетью передачи данных. В отличие от предыдущих, этот уровень в большей степени ориентирован на сеть передачи данных. Здесь решаются вопросы управления сетью передачи данных, в том числе маршрутизация и управление информационными потоками. Этот уровень выполняет в основном технические функции передачи и управления информацией.

Канальный уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и расторжения соединений на уровне каналов передачи данных. Процедуры канального уровня обеспечивают обнаружение и, возможно, исправление ошибок, возникающих на физическом уровне.

Физический уровень обеспечивает механические, электрические, функциональные и процедурные средства организации физических соединений при передаче бит данных между физическими объектами.

Последние четыре уровня образуют транспортную службу компьютерной сети, которая обеспечивает передачу («транспортировку») информации между рабочими станциями, освобождая более высокие уровни от решения этих задач. В свою очередь, три верхних уровня, обеспечивающие логическое взаимодействие прикладных процессов, функционально объединяются в абонентскую службу.

В рамках эталонной модели также определяются услуги, которые должны обеспечивать ее уровни. Услуги, по сути дела, представляют собой функции, выполняемые на соответствующем уровне эталонной модели.

В частности, физический уровень должен обеспечивать такие виды услуг, как установление и идентификация физических соединений, организация последовательностей передачи бит информации, оповещение об окончании связи.

Канальный уровень обеспечивает организацию нужной последовательности блоков данных и их передачу, управление потоками между смежными узлами, идентификацию конечных пунктов канальных соединений, обнаружение и исправления ошибок, оповещение об ошибках, которые не исправлены на канальном уровне.

Сетевой уровень в числе основных услуг осуществляет идентификацию конечных точек сетевых соединений, организацию сетевых соединений, управление потоками блоков данных, обеспечение последовательностей доставки блоков данных, обнаружение ошибок и формирование сообщений о них, разъединение сетевых соединений.

Транспортный уровень обеспечивает установление и разъединение транспортных соединений, формирование блоков данных, обеспечение взаимодействия сеансовых соединении с транспортными соединениями, управление последовательностью передачи блоков данных, обеспечение целостности блоков данных во время передачи, обнаружение и устранение ошибок, сообщение о неисправленных ошибках, предоставление приоритетов в передаче блоков, передачу подтверждений о принятых блоках, ликвидацию тупиковых ситуаций.

На сеансовом уровне предоставляются услуги, связанные с обслуживанием сеансов и обеспечением передачи данных в диалоговом режиме, установлением сеансового соединения, обменом данными; управлением обменом; синхронизацией сеансового соединения, сообщениями об исключительных ситуациях, отображением сеансового соединения на транспортный уровень, завершением сеансового соединения.

Представительный уровень обеспечивает выбор вида представления данных, интерпретацию и преобразование передаваемой информации к виду, удобному для прикладных процессов, преобразование синтаксиса данных, формирование блоков данных.

Прикладной уровень обеспечивает широкий набор услуг, в том числе: управление терминалами, управление файлами, управление диалогом, управление задачами, управление сетью в целом. К дополнительным услугам уровня относятся услуги по организации электронной почты, передачи массивов сообщений и т.п.

Услуги различных уровней определяются с помощью протоколов эталонной модели взаимодействия открытых систем. В соответствии с семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем вводятся семь типов протоколов, которые именуются так же, как уровни.

2. Сетевые протоколы

Сетевыми протоколами называют протоколы первого и второго уровней, определяющих архитектуру локальной сети, в том числе ее топологию, передающую среду, технические средства и протоколы. Основополагающими для локальных сетей являются стандарты серии IEEE. С помощью этих стандартов были определены: основная терминология, архитектура и протоколы двух нижних уровней Эталонной модели взаимодействия открытых систем.

Стандарт IEEE 802.1 является общим документом, который определяет архитектуру и прикладные процессы системного управления сетью, методы объединения сетей на подуровне управления доступом к передающей среде. В соответствии с данным стандартом канальный уровень разбит на два подуровня: УЛК -- управления логическим каналом и УДС -- управления доступом к физической среде.

Стандарт IEEE 802.2 определяет протоколы управления логическим каналом, в том числе специфицирует интерфейсы с сетевым уровнем и подуровнем управления доступом к передающей среде. Каждый из остальных стандартов, начиная с IEEE 802.3, определяет метод доступа и специфику физического уровня для конкретного типа локальной компьютерной сети. Так, стандарт IEEE 802.3 описывает характеристики и процедуры множественного доступа с контролем передачи и обнаружением столкновений. Стандарт IEEE 802.4 определяет протокол маркерного доступа к моноканалу. Процедуры и характеристики маркерного метода доступа к кольцевой сети определяется стандартом IEEE 802.5. Для локальных сетей, охватывающих площадь радиусом до 25 км и использующих технические средства кабельного телевидения, разработан стандарт IEEE 802.6. Этот стандарт предусматривает передачу данных, речи, изображений и позволяет создавать так называемые городские локальные сети. В настоящее время продолжаются работы по стандартизации локальных компьютерных сетей. Так, в подкомитете IEEE 802.11 разрабатывается стандарт на радиосети для мобильных компьютеров, а в комитете IEEE 802.12 рассматривается стандарт на высокоскоростные компьютерные сети “lOOVG-AnyLAN.

Транспортные протоколы

Для обеспечения надежной связи в процессе обмена информацией между абонентами компьютерной сети служат транспортные протоколы. Как известно, качество передачи информации во многом определяется используемой линией связи. Например, коммутируемые телефонные каналы сетей общего пользования характеризуются относительно высоким уровнем помех. При использовании подобных каналов в компьютерных сетях необходимо принимать дополнительные меры по повышению надежности передачи данных. В свою очередь, оптоволоконные линии связи характеризуются низким уровнем помех. В данном случае достаточно использовать минимальный набор транспортных услуг и простейший протокол обмена информацией. Особое значение транспортные протоколы приобретают в компьютерных сетях, передающая среда которых характеризуется относительно высоким уровнем ошибок и низкой надежностью передачи данных.

Межсетевые протоколы

Для согласования различных компьютерных сетей между собой в основном используются сетевой и транспортный уровни. В настоящее время используются два основных подхода к формированию межсетевого взаимодействия: это объединение сетей в рамках сети Internet в соответствии с межсетевым протоколом IP и объединение сетей коммутации пакетов (Х.25) в соответствии с Рекомендацией МККТТХ.75.

Основное различие этих подходов заключается в следующем: протокол IP относится к протоколам без установления логического соединения (дейтаграммным), а Рекомендация Х.75 предполагает организацию виртуального соединения (канала).

Становление корпоративных компьютерных сетей тесно связано с сетью Internet, в рамках которой были реализованы основные принципы и протоколы межсетевых соединений. С сетью Internet связано появление новой группы протоколов -- так называемых межсетевых протоколов, или IP-протоколов (сокращение от Internet Protocol). Территориально располагаясь на сетевом уровне Эталонной модели, межсетевой протокол согласовывает транспортную и сетевую службы различных компьютерных сетей.

По мере развития различных компьютерных сетей стала очевидной потребность в их объединении. В связи с этим, начиная с 1973г., агентство ARPA начало осуществлять программу Internetting Project. Следовало определить, как связать сети между собой с учетом того, что каждая из них использует различные протоколы передачи информации. Для этой цели был предложен протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol). Собственно протокол TCP/IP состоит из двух протоколов: TCP и IP. Протокол TCP является стандартным транспортным протоколом и предоставляет сервис для надежной передачи информации между клиентами сети. Протокол IP обеспечивает сервис доставки пакетов между узлами сети Internet отвечает за адресацию сетевых узлов. В процессе своего функционирования протокол IP постоянно взаимодействует с протоколом межсетевых управляющих сообщений (ICMP -- сокращение от Internet Control Message Protocol), образуя с ним, так называемый, межсетевой модуль (IP-модуль).

Протоколы TCP и IР располагаются в середине Эталонной модели взаимодействия открытых систем и тесно связаны с протоколами других уровней. В связи с этим термин «TCP/IP» обычно охватывает все, что связано с протоколами TCP и IP. Сюда входит целое семейство протоколов, прикладные программы и даже сама сеть.

Протоколы прикладного уровня

Три верхних уровня Эталонной модели взаимодействия открытых систем -- сеансовый, представительный и прикладной уровень определяют протоколы, ориентированные на приложения. Протоколы верхних уровней устанавливают стандартные для компьютерной сети процедуры выполнения прикладных функций.

Так, протокол передачи, доступа и управления файлом (File, Transfer, Access and Management -- FTAM) и соответствующая ему прикладная служба определяется стандартом ISO 8571 Международной организации стандартов. Стандартизация обеспечивает взаимодействие пользователей файловых систем в процессе передачи, доступа или управления хранящейся информацией таким образом, как если бы файлы хранились в самих этих системах. В качестве пользователя файловых систем выступает прикладной процесс, называемый процесс-клиент. Процесс, с помощью которого организуется доступ к удаленному накопителю файлов (файл-серверу), получил название процесс файл-сервер. В качестве поставщика средств, с помощью которых процесс-клиент получает доступ к удаленному накопителю файлов, выступает специальный элемент прикладной службы передачи, доступа и управления файлом.

С целью предоставления возможности подключения различных терминалов к компьютерной сети была разработана концепция виртуального терминала. Виртуальный терминал представляет собой некоторый гипотетический терминал, обобщающий в себе характерные свойства заданного класса устройств (терминалов). Виртуальный терминал реализуется с помощью специального элемента прикладной службы, определенного в документе ISO/DIS 9040.2 Международной организации стандартов. При этом оконечная сторона (пользователь сети) преобразовывает информацию своего терминала в формат виртуального терминала для передачи в компьютерную сеть. Правила преобразования задаются с помощью протокола виртуального терминала (Virtual Terminal Protocol -- VTP), изложенного в документе ISO/DIS 9041.2. Целью этого стандарта является определение алгоритмов взаимодействия протокольных модулей для обеспечения базисного класса службы виртуального терминала. Стандарт определяет следующие основные функции протокола виртуального терминала: установление и завершение ассоциации виртуального терминала, согласование, управление диалогом, передача данных, управление доставкой, обработка ошибок. Кроме того, стандарт специфицирует: наборы процедур для ориентированной на соединение передачи данных и управляющей информации, синхронный и асинхронный режимы работы, средства согласования процедур и параметров службы, а также форматы и правила формирования блоков данных.

Особое место среди служб прикладного уровня занимает система обработки сообщений (Massage Handling Systems -- MHS), предназначенная для обеспечения надежной передачи информации между абонентами компьютерной сети. Работа данной системы осуществляется следующим образом: сообщение, сформированное с помощью специальной прикладной программы процесса, называемой агентом пользователя, пересылается подключенному к нему агенту передачи сообщений, при этом используются стандартные примитивы службы обработки сообщений. Агент передачи сообщений представляет собой виртуальный почтовый сервер. Используя стандартные протоколы обмена, агенты передачи сообщений обеспечивают передачу информации между агентами пользователя. Основная структура передаваемых сообщений состоит из так называемого конверта и содержимого сообщения. Конверт содержит необходимую для передачи адресную и управляющую информацию. Содержимое сообщения фактически является той информацией, которую отправитель хочет передать получателю.

Совокупность всех агентов пользователя и агентов передачи сообщений представляет собой систему обработки сообщений. В свою очередь, система обработки сообщений совместно с пользователями образует среду обработки сообщений. Функционирование системы обработки сообщений поддерживается службой передачи сообщений. Различают пять категорий услуг, предоставляемых службой передачи сообщений. Прежде всего, это базовая служба передачи сообщений, предоставляющая услуги по индикации и управлению передачей сообщений. Следующая категория услуг определяет услуги подачи и доставки, предоставляя пользователю возможность выбора категории доставки и ряд сервисных услуг. Категория услуг преобразования предоставляет возможность преобразования или запрета преобразования для конкретных сообщений. Услуги запросов позволяют агенту пользователя запрашивать информацию, относящуюся к управлению работой системы передачи сообщений. Категория услуг статусов и информирования позволяет переназначать получателя, а также изменять продолжительность отсрочки доставки сообщений. Это позволяет передавать и обрабатывать информацию в наиболее удобное время, как для компьютерной сети, так и ее абонентов, существенно снижая стоимость передачи сообщений.

Заключение

Рассмотренные выше уровни протоколы и уровни являются базовыми и позволяют организовать взаимодействие и управление процессами практически в любой компьютерной сети, с любыми пользовательскими системами. Большинство современных вычислительных сетей используют эти протоколы и семиуровневую модель для своей работы.

Список литературы

Э.А. Якубайтис, «Информатика - электроника - сети». М., «Финансы и статистика», 1989

Ю. Шафрин, «Основы компьютерной технологии». М., АБФ, 1997

Б. Нанс. “Компьютерные сети”. Москва. Бином. 1996.

Компьютерные сайты сети Internet.