Взаимодействие локальных и глобальных сетей через модель коммуникаций OSI

2

Взаимодействие локальных и глобальных сетей через модель коммуникаций osi

Взаимодействие локальных и глобальных сетей является быстроразвивающейся областью техники, что объясняется жесткой конкуренцией между компаниями, работающими в трех следующих секторах промышленности: телекоммуникации, кабельное телевидение и спутниковые средства связи. Быстрый рост этих отраслей увеличил возможности совместного использования информации, доступной через сети и Интернет. Например, пользователь, живущий в небольшом городе, может подключаться к Интернету по телефонной линии, с помощью спутниковой "тарелки" или входа кабельного телевидения. Много дополнительных возможностей появляется при соединении локальных сетей, находящихся в разных странах или частях света.

Телекоммуникационные компании могут обеспечить связь локальных сетей через глобальную сеть, используя для этого междугородные высокоскоростные телефонные линии. Глобальные сети строятся на основе радио, радиорелейных (СВЧ) и спутниковых каналов. Жесткая конкуренция между поставщиками услуг глобальных сетей приводит к быстрому появлению новых возможностей передачи данных.

Без соответствующих стандартов сетевые коммуникации представляли бы собой неупорядоченный набор частных протоколов и устройств, созданных различными производителями с использованием разных концепций и моделей. Так было на первых этапах развития компьютеров, когда для оборудования не существовало единых стандартов. Например, принтер от одного компьютера нельзя было без изменения электрической схемы подключить к другому компьютеру, поскольку конструкции коммуникационных портов отличались.

К счастью, объединение локальных и глобальных сетей с первых шагов выполнялось в соответствии с некоторой идеологией, называемой эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Модель OSI является детищем двух регламентирующих организаций: Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) и Национального института стандартизации США (American National Standards Institute, ANSI). В сфере разработки экономических, интеллектуальных, научных и технологических стандартов организация ISO представляет свыше 140 стран. Институт ANSI работает совместно с деловыми и правительственными кругами США и международными группами и создает стандарты на коммерческие (серийные) изделия, включая сетевое оборудование и компьютеры.

Модель OSI, разработанная в 1974 году, регламентирует взаимодействие локальных и глобальных сетей и представляет собой попытку стандартизации сетевых программных и аппаратных средств. На протяжении многих лет модель OSI способствовала развитию сетевых коммуникаций, позволяющих решать следующие вопросы:

обеспечение передачи информации между различными типами локальных и глобальных сетей;

стандартизация сетевого оборудования, что позволяет устройствам одного производителя взаимодействовать с устройствами других производителей;

сохранение капиталовложений пользователей, обеспеченное возможностью взаимодействия старого сетевого оборудования с новыми устройствами; при этом устраняется необходимость замены оборудования при установке новых устройств;

разработка программного и аппаратного обеспечения, использующего общие интерфейсы для передачи данных как внутри сети, так и между различными сетями;

возможность появления всемирных сетевых коммуникаций, в первую очередь - Интернета.

Появление модели OSI предшествовало созданию большинства современных сетевых устройств, однако она явилась основой для разработки идей межсетевого обмена и постоянно развивается, впитывая в себя новые сетевые технологии. Концепции эталонной модели OSI соблюдаются не всегда, поскольку исследования и технологии иногда идут в других направлениях, однако она все равно является основой, от которой можно отталкиваться. OSI является чисто теоретической моделью, а не описанием конкретных аппаратных и программных решений. Скорее это набор руководящих документов для изготовителей оборудования, который они должны использовать при проектировании аппаратных и программных средств. При разработке протоколов и сетевых устройств нормативы являются тем же, что и грамматика для разговорного языка. Нормативы OSI описывают следующие моменты:

как сетевые устройства общаются друг с другом и как взаимодействуют устройства, использующие разные протоколы;

каким образом сетевое устройство узнает, когда можно и когда нельзя передавать данные;

способы организации и физического соединения сетевых устройств;

методы обеспечения правильности передачи данных по сети;

способы поддержания непрерывного потока данных в сетевых устройствах;

способы представления данных в виде электрических сигналов при передаче по сетевой среде.

Модель OSI состоит из семи отдельных уровней, расположенных один поверх другого:

Физический;

Канальный;

Сетевой;

Транспортный;

Сеансовый;

Представительский;

Прикладной.

Каждый уровень выполняет определенные коммуникационные задачи и с помощью соответствующих протоколов взаимодействует с соседними уровнями иерархии. Передача информации между двумя сетевыми устройствами осуществляется с использованием этой иерархии уровней (стека) в каждом из устройств. Например, если рабочая станция обменивается данными с сервером, передача информации начинается в рабочей станции на Прикладном уровне. Затем формируется определенная информация на более нижних уровнях до тех пор, пока данные не достигнут Физического уровня и не будут по сети переданы серверу. Сервер принимает данные на Физическом уровне своего стека и передает их для интерпретации более высоким уровням, пока данные не достигнут Прикладного уровня. Каждый уровень называется либо по имени, либо по положению в стеке (1-й уровень, 2-й уровень и т. д.).

Нижние уровни стека выполняют функции, относящиеся к передаче физического сигнала (например, они создают фреймы и передают сигналы, содержащие пакеты данных). Средние уровни координируют сетевые коммуникации между узлами (например, обеспечивают бесперебойное и безошибочное осуществление сеанса связи). Верхние уровни выполняют задачи, непосредственно влияющие на прикладные программы и представление данных, включая форматирование и шифрование информации, а также управление передачей файлов. В совокупности набор уровней называется стеком.

Самый нижний из уровней модели OSI называется Физическим уровнем (physical layer). Этот уровень описывает:

все физические среды передачи данных (кабель, оптоволокно, волны радио и других диапазонов);

сетевые разъемы;

топологию сети;

методы передачи и кодирования сигнала;

устройства передачи данных;

сетевые интерфейсы;

методы распознавания ошибок при передаче сигналов.

Устройства, используемые на Физическом уровне, отвечают за генерирование, передачу и распознавание электрических сигналов, предназначенных для передачи и приема данных. Сетевые сигналы могут быть представлены в аналоговом или цифровом виде. Аналоговый сигнал может изменяться непрерывно и выглядеть как волна с положительными и отрицательными перепадами напряжения. Примером такого сигнала может являться обычный радио- или телефонный сигнал, поскольку он может иметь широкий диапазон для передачи звука. Аналоговый телевизор или компьютерный монитор может одновременно воспроизводить миллионы цветов в любом диапазоне. Аналоговые сигналы используются в глобальных сетях, где для передачи данных применяются аналоговые модемы.

В цифровом сигнале для представления единиц и нулей используются фиксированные уровни напряжения. Такие сигналы чаще всего используются в локальных и скоростных глобальных сетях. Например, наличие напряжения +5 вольт может трактоваться как единица, а нулевое напряжение - как ноль. Другой путь для представления единиц и нулей - использование некоторого положительного напряжения (скажем, +5 вольт) для передачи единиц и отрицательного напряжения (например, -5 вольт) для передачи нулей. В оптоволоконных каналах двоичные единицы и нули обозначаются наличием или отсутствием света. Кодируемый сигнал преобразуется в двоичный формат (система счисления с основанием 2), имеющий определенное значение для компьютера или сетевого устройства. Существуют два основных метода кодирования цифровых сигналов: с использованием текущих состояний (current-state encoding) и с использованием переходов из одного состояния в другое (state transition). В первом случае двоичное значение кодируется с помощью некоторого состояния сигнала: например, двоичная единица обозначается напряжением +5 вольт, а двоичный ноль - нулевым напряжением. Во втором случае просто проверяется изменение состояния сигнала - переход от низкого уровня к высокому и наоборот. В сетях чаще всего используется метод, называемый манчестерским кодированием (Manchester encoding), при котором двоичная единица представлена переходом от низкого уровня сигнала к высокому, а двоичный ноль соответствует переходу сигнала от высокого к низкому.

Физический уровень управляет скоростью передачи данных, анализом потока ошибок и уровнями напряжения, используемыми для передачи сигнала. На его работу влияют физические проблемы в сети, например, разрывы передающего кабеля или электромагнитные наводки. Наводки могут создаваться близко расположенными электромоторами, линиями высокого напряжения, осветительными и другими электрическими приборами.

Электромагнитное излучение и радиопомехи - вот два источника ошибок физического уровня. Электромагнитное излучение вызывают силовые магнитные поля, генерируемые электрическими устройствами, такими как вентиляторы, двигатели лифтов, переносные обогреватели и кондиционеры. Радиопомехи создаются электрическими приборами, генерирующими радиоволны той же частоты, что используются для передачи сетевого сигнала. Такими приборами могут быть компоненты кабельного телевидения, радио- и телевизионные станции, расположенные близко передатчики, балластные устройства ламп дневного света, недорогое компьютерное или телевизионное оборудование и устройства для радиосвязи. Задача Канального уровня (data link layer) в локальной сети - компоновать передаваемые биты данных в виде фреймов, или кадры (frame). Каждый фрейм определенным образом форматирован - так, чтобы для надежной передачи данных от узла к узлу информационные пакеты были упорядочены. Этот уровень кодирует данные в виде фреймов, после чего отформатированные фреймы поступают на Физический уровень, где передающий узел может отправить их в коммуникационную среду (например, в кабель). Принимающий узел получает фрейм от Физического уровня, декодирует электрический сигнал, представляющий разряды данных, преобразует отдельные разряды во фрейм и проверяет наличие ошибок во фрейме.

Канальный уровень представляет информационные разряды в виде «фрейма» канального уровня, который содержит поля с адресной и управляющей информацией. Таким образом, фрейм содержит:

признак начала фрейма (start of frame, SOF);

адрес устройства или передающего узла, отправляющего фрейм (адрес источника);

адрес устройства или принимающего узла, получающего переданный фрейм (адрес назначения);

административную или управляющую информацию (для контроля коммуникационного процесса);

данные;

информацию для обнаружения ошибок (контрольные данные);

трейлер (концевик) или признак конца фрейма (end of frame, EOF).

Для установления связи между двумя узлами сначала передается небольшой набор сигналов, используемых для синхронизации потока данных. После того, как соединение установлено, Физические уровни обоих узлов сказываются связанными через среду передачи данных (например, через кабель), а их Канальные уровни связаны логически благодаря используемым протоколам. Как только логический канал установлен, принимающий Канальный; уровень может декодировать сигнал и преобразовывать его в отдельные фреймы.

На Канальном уровне выполняется проверка входящих сигналов, а также обнаруживаются повторно, неправильно или частично переданные данные во входящем потоке. При обнаружении ошибок уровень запрашивает у передающего узла повторную передачу данных - фрейм за фреймом. Для обнаружения ошибок на Канальном уровне используется контроль циклическим избыточным кодом (cyclic redundancy check, CRC). Этот метод распознавания; ошибок позволяет вычислить некоторое контрольное значение для содержимого всех информационных полей, имеющихся во фрейме (SOF, адреса, управляющие разряды, данные, контрольную сумму и EOF). На Канальном, уровне передающего узла полученное значение вставляется в конец фрейма; и затем проверяется на этом же уровне принимающего узла. По мере того, как фреймы поступают на следующий уровень, Канальный уровень обеспечивает очередность фреймов - т. е. они должны передаваться в том же порядке, в котором и принимаются.

Канальный уровень содержит два важных подуровня: более высокий - управление логическим соединением (logical link control, LLC) и более низкий - протокол управления доступом к передающей среде (media access control, MAC). Подуровень LLC обеспечивает надежность коммуникаций путем установки канала передачи данных между двумя узлами и поддержки устойчивости этого канала. Подуровень MAC распознает физический адрес (или адрес устройства) иногда называемый MAC-адресом, содержащийся в каждом фрейме. Например, на некоторой рабочей станции подуровень MAC проверяет каждый фрейм, получаемый этой станцией, и передает фрейм более высокому уровню лишь в том случае, если адрес совпадает. В противном случае фрейм отбрасывается. Кроме того, подуровень MAC управляет совместной работой множества устройств внутри одной сети.

Физический адрес является полезной информацией при обнаружении и устранении сетевых проблем. Например, по адресу можно найти создающий избыточный трафик неисправный сетевой интерфейс в компьютере или устройстве, после чего этот интерфейс можно заметить и обеспечить нормальное функционирование сети. Анализ адресов позволяет обнаружить в сети деятельность злоумышленников и найти их местоположение раньше, чем они нарушат безопасность сети.

Два типа сервисов используются для взаимодействия подуровня LLC и следующего, более высокого уровня стека - Сетевого уровня. Первый тип операций (Туре 1) представлен службой без установки соединения (connectionless service), которая не требует наличия логического соединения между передающим и принимающим узлами. В этом случае не выполняется проверка очередности фреймов (чтобы они принимались в том же порядке, в котором передаются), отсутствует подтверждение приема фрейма и исправление ошибок.

Операции второго типа (Туре 2) представлены службой с установлением соединения (connection-oriented service), для которой перед началом фактической передачи данных устанавливается логическая связь между передающим и принимающим узлами. Каждый фрейм содержит порядковый номер, который проверяется принимающим узлом, и это гарантирует то, что фреймы обрабатываются в том же порядке, в котором они были посланы. Установленный канал связи обеспечивает скорость передачи информации (чтобы передающий узел не посылал данные чаще, чем их мог обработать принимающий узел). Принимающий узел дает подтверждение передающему узлу в получении посланной информации. При возникновении ошибок данные передаются повторно.

Третьим уровнем стека является Сетевой уровень (network layer). Этот уровень управляет прохождением пакетов по сети. Все сети содержат физические маршруты передачи информации (кабельные тракты) и логические маршруты (программные тракты). Сетевой уровень анализирует адресную информацию протокола передачи пакетов и посылает их по наиболее подходящему маршруту - физическому или логическому, обеспечивая максимальную эффективность сети. Также этот уровень обеспечивает пересылку пакетов между сетями через маршрутизаторы.

Контролируя прохождение пакетов, Сетевой уровень выступает в роли "управляющего трафиком": он маршрутизирует (направляет) пакеты по наиболее эффективному из нескольких возможных трактов передачи данных. Для определения наилучшего маршрута Сетевой уровень постоянно собирает информацию (метрики) о расположении различных сетей и узлов, этот процесс называется обнаружением маршрута (discovery).

Сетевой уровень может направлять данные по разным маршрутам, создавая виртуальные каналы (circuit). Виртуальные каналы (virtual circuit) представляют собой логические коммуникационные линии для передачи и приема данных. Виртуальные каналы, представленные только на сетевом уровне, образуются между сетевыми узлами, обменивающимися информацией. Поскольку Сетевой уровень управляет данными, поступающими по нескольким виртуальным каналам, то эти данные могут поступать в неправильной очередности. Для устранения этих издержек сетевой уровень проверяет и при необходимости корректирует порядок передачи пакетов перед отправкой их следующему уровню стека. Также на Сетевом уровне фреймы получают адреса, и выполняется форматирование фреймов в соответствии с сетевым протоколом принимающей стороны. Кроме того, обеспечивается передача фреймов с такой скоростью, чтобы принимающий уровень успевал обрабатывать их.

Транспортный уровень (transport layer) - подобно Канальному и Сетевому уровням - выполняет функции, обеспечивающие надежную пересылку данных от передающего узла к принимающему. Например, Транспортный уровень гарантирует, что данные передаются и принимаются в одном и том же порядке. Кроме этого, по завершении пересылки принимающий узел может послать подтверждение (иногда называемое квитанцией).

Когда в сети используются виртуальные каналы, Транспортный уровень отслеживает уникальные идентификаторы, назначенные каждому каналу. Эти значения называются портами, идентификаторами соединения или сокетами; они назначаются Сеансовым уровнем. Также Транспортный уровень обеспечивает проверку пакетов. При этом на самом верхнем уровне контроля гарантируется безошибочная передача пакетов от узла к узлу в заданный промежуток времени.

Протоколы, используемые для взаимодействия на Транспортном уровне, реализуют несколько механизмов обеспечения надежности. Простейшим является протокол Класса 0. Он не выполняет никаких проверок на наличие ошибок и не управляет потоком данных, передавая эти функции Сетевому уровню. Протокол Класса 1 отслеживает ошибки передачи пакетов и при наличии ошибки запрашивает у Транспортного уровня передающего узла повторную передачу пакета. Протокол Класса 2 проверяет наличие ошибок, передачи и обеспечивает управление потоком данных между Транспортным и Сеансовым уровнями. Функция управления потоком (flow control) гарантирует скорость передачи данных, чтобы одно устройство не посылало информацию быстрее, чем ее сможет принять сеть или обработать принимающее устройство. Протокол Класса 3 обеспечивает функции Классов 1 и 2, а также возможность восстановления потерянных в некоторых случаях пакетов. И, наконец, протокол Класса 4 выполняет те же функции, которые обеспечивает Класс 3, осуществляя кроме этого более сложные операции по исправлению ошибок и восстановлению пакетов.

Еще одной функцией Транспортного уровня является деление посылаемых сообщений на более мелкие фрагменты в тех случаях, когда в сетях используются разные протоколы с отличающимися размерами пакетов. Данные, разбитые на мелкие блоки Транспортным уровнем передающей сети, собираются в правильном порядке Транспортным уровнем принимающей стороны и интерпретируются Сетевым уровнем.

Сеансовый уровень (session layer) отвечает за установление и поддержку коммуникационного канала между двумя узлами, он обеспечивает очередность работы узлов: например, определяет, какой из узлов первым начинает передачу данных. Помимо этого, Сеансовый уровень определяет продолжительность работы узла на передачу, а также способ восстановления информации после ошибок передачи. Если сеанс связи был ошибочно прерван на более низком уровне, Сеансовый уровень пытается восстановить передачу данных.

Сеансовый уровень позволяет так выполнять передачу данных по сети, что ее производительность можно увеличить в два раза. Например, устройства, работающие на Сеансовом уровне, могут передавать и принимать данные, однако не одновременно. Для Сеансового уровня этот способ передачи называется двусторонним альтернативным (two-way alternative, TWA) режимом для управления диалогом. Но кроме этого, Сеансовый уровень позволяет соединить эти устройства для одновременного приема-передачи, что вдвое увеличивает скорость передачи данных при сеансовом диалоге между двумя узлами. Этот режим называется двусторонним одновременным (two-way simultaneous, TWS).

Представительский уровень (presentation layer) управляет форматированием данных, поскольку прикладные программы нередко используют различные способы представления информации. В некотором смысле Представительский уровень выполняет функции программы проверки синтаксиса. Он гарантирует, что числа и символьные строки передаются именно в том формате, который понятен Представительскому уровню принимающего узла. Например, данные, посылаемые от мэйнфрейма компании IBM, могут кодироваться в символьном формате EBCDIC, который необходимо преобразовать в символы ASCII, если данные должны читаться рабочими станциями под управлением систем Windows XP или Red Hat Linux.

Также Представительский уровень отвечает за шифрование данных. Шифрование (encryption) - это такой процесс засекречивания информации, который не позволяет неавторизованным пользователям прочесть данные в случае их перехвата. Например, в локальной сети может шифроваться пароль учетной записи компьютера, или же номер кредитной карточки может шифроваться с помощью технологии Secure Sockets Layer (SSL) (Протокол защищенных сокетов) при передаче по глобальной сети.

Самым высоким в модели OSI является Прикладной уровень (application layer). Этот уровень непосредственно управляет доступом к приложениям я сетевым службам. Примером таких служб являются передача файлов, управление файлами, удаленный доступ к файлам и принтерам, управление coобщениями электронной почты и эмуляция терминалов. Именно этот уровень программисты используют для связи рабочих станций с сетевыми службами (например, для предоставления некоторой программе услуг электронной почты или доступа к базе данных через сеть).

На Прикладном уровне работает редиректор (redirector) систем Microsoft Windows. Редиректор - это служба, позволяющая видеть компьютер в сети и обращаться к нему. Если в сети Microsoft разрешается общий доступ к некоторой папке, то при помощи редиректора другие компьютеры могут видеть эту папку и использовать ее.

В табл. 1 представлены функции каждого из семи уровней модели OSI.

Таблица 1. Функции уровней эталонной модели OSI

Для того чтобы два компьютера могли взаимодействовать между собой в локальной или глобальной сети, они оба должны использовать одну и ту же модель коммуникаций (например, модель OSI). Эта модель определяет стандарты взаимодействия как внутри локальной сети, так и при передаче данных между локальными сетями, между локальной и глобальной сетями, а также между глобальными сетями.

Сформированная информация начинает свой путь на верхушке стека передающего узла на Прикладном уровне. Затем данные передаются Представительскому уровню и продолжают движение по стеку до Физического уровня, где они посылаются в сеть в виде законченного информационно сигнала.

Модель OSI также применяется к сетевым взаимодействиям между аппаратными и программными средствами. Чтобы отвечать принятым стандартам, эти средства должны работать на определенных уровнях модели OSI. В табл. 2 кратко описано соответствие сетевых аппаратных и программных средств Уровням модели OSI.

Таблица 2. Сетевые аппаратные и программные средства, связанные с различными уровнями модели OSI