Эталонная модель взаимодействия открытых систем 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 и между локальной и глобальной 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.

Принимающий узел получает данные на Физическом уровне (на самом нижнем уровне стека), а затем для проверки фреймов передает отдельные порции информации Канальному уровню, который определяет, адресован ли конкретный фрейм сетевому интерфейсу данного узла.

Канальный уровень действует как почтальон, просматривающий всю почту и выбирающий письма, посланные на конкретный адрес.

Письма с этим адресом забираются и передаются конкретному адресату, проживающему по данному адресу. Остальные письма отправляются дальше до тех пор, пока не найдут своего адресата

Каждый уровень стека действует как самостоятельный модуль, выполняющий одну основную функцию, и каждый уровень имеет собственный формат команд передачи данных, определяемый соответствующим протоколом.

Протоколы, используемые для связи функций, относящихся к одному и тому же уровню, называются протоколами взаимодействия равноправных систем (peerprotocol) или одноранговыми протоколами.

Одноранговые протоколы позволяют некоторому уровню OSI, на передающем узле взаимодействовать с таким же уровнем принимающего узла.

Например, когда Канальный уровень передающего узла генерирует контрольные суммы, он использует одноранговый протокол, который будет понятен Канальному уровню принимающего

Между уровнями информация передается при помощи команд, называемых примитивами (primitive).

Передаваемая информация называется протокольной единицей обмена или модулем данных протокола (protocoldataunit, PDU).

Когда данные поступают от одного уровня к другому (более высокому или более низкому), к модулю PDU добавляется новая управляющая информация.

После того как на некотором уровне сформирован модуль PDU, он пересылается аналогичному уровню взаимодействующего узла с помощью одноранговых протоколов.

Вместе с тем, когда модуль PDU готов к передаче следующему уровню, предыдущий уровень добавляет к этому модулю команды пересылки.

 

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.

 

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.

 

Применение модели OSI

 

В качестве примера коммуникаций с использованием многоуровневой модели рассмотрим процесс обращения рабочей станции к общему диску, расположенному на сервере в другой сети. Редиректор рабочей станции на Прикладном уровне находит общий сетевой диск. Представительский уровень обеспечивает форматирование данных в кодах ASCII (этот формат использует как рабочая станция, так и сервер). Сеансовый уровень устанавливает связь между двумя компьютерами и обеспечивает его устойчивость в течение всего времени, пока рабочая станция обращается к содержимому общего диска. Транспортный уровень устраняет все ошибки передачи или приема, гарантируя сохранение последовательности пересылки и интерпретации данных. Сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов по кратчайшему маршруту для уменьшения задержек. Канальный уровень форматирует фреймы и следит за тем, чтобы они передавались нужной рабочей станции (используя физические адреса). И, наконец, Физический уровень осуществляет передачу данных, преобразуя информацию в электрические сигналы, посылаемые в сетевой коммуникационный кабель. Фреймы и пакеты по мере их формирования адаптируются для осуществления связи локальных сетей через глобальную сеть, для чего используется инкапсуляция или эмуляция ЛВС.

 

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.

 

Типы сетей

 

Любая сеть состоит из совокупности кабелей, сетевого оборудования, файловых серверов, рабочих станций и программного обеспечения. Комбинируя эти элементы, можно создать сеть, соответствующую задачам и возможностям конкретной организации. Первоначальная установка некоторых типов сетей не требует больших расходов, однако расходы появляются при эксплуатации или модернизации. Другие сети, наоборот, требуют значительных капиталовложений на этапе развертывания, но они просты в обслуживании их легко расширять.

 

Одним из важнейших различий между разными типами сетей является их топология. Топология – это физическая конфигурация сети в совокупности с ее логическими характеристиками. Физическая конфигурация подобна плану разводки кабелей в офисе, здании или кампусе. Иногда ее называют кабельным участком (cable plant). Логические характеристики сети описывают способ передачи сигнала по кабелю от одной точки к другой.

 

Конфигурация сети может быть или децентрализованной (когда кабель "обегает" каждую станцию в сети), или централизованной (когда каждая станция физически подключается к некоторому центральному устройству, распределяющему фреймы и пакеты между станциями). Примером централизованной конфигурации является звезда с рабочими станциями, располагающимися на концах ее лучей. Децентрализованная конфигурация похожа на цепочку альпинистов, где каждый альпинист имеет свое положение в связке, а все вместе соединены одной веревкой. Логические характеристики топологии сети определяют маршрут, проходимый пакетом при передаче по сети.

 

Существуют три основных топологии: шина, кольцо и звезда. При выборе топологии необходимо, чтобы тип сети соответствовал ее предназначению внутри организации. Например, некоторые организации более интенсивно используют свои сети по сравнению с другими. Количество и тип прикладных программ внутри организации влияют на количество и частоту передачи фреймов и пакетов, что в совокупности образует сетевой трафик. Если пользователи сети в первую очередь работают с текстовыми редакторами, то сетевой трафик будет относительно небольшим и большая часть работы будет выполняться на рабочих станциях, а не в сети.

 

Клиент-серверные приложения в зависимости от своей архитектуры создают сетевой трафик средней и высокой интенсивности. В сетях, в которых происходят частые обращения к базам данных, таким как Microsoft SQL Server или Oracle, трафик средний или высокий. Научные программы и серверы публикаций создают трафик высокой интенсивности, поскольку они работают с очень большими файлами. Также большой трафик вызывает работа программ обработки графики (например, серверы потокового мультимедиа или телеконференций).

 

Влияние на сеть количества хостов и серверов определяется типом используемых прикладных программ. К примеру, сервер базы данных, к которому часто обращаются для получения отчетов и финансовых сведений, будет создавать значительно больший сетевой трафик, чем файловый сервер, с которого изредка получают деловую корреспонденцию или бланки писем.

 

При выборе топологии сети нужно учитывать, будет ли она связана с другими сетями. Сетевая топология для малого предприятия, в котором используются несколько компьютеров, отличается от топологии сети промышленного предприятия, связанного через глобальную сеть с сетями других предприятий. Малое предприятие вряд ли взаимодействует с другими сетями, за исключением разве что подключения к Интернету. Корпоративная сеть может состоять из нескольких взаимно связанных сетей, в число которых, например, могут входить сеть для управления производственным оборудованием, сеть настольных систем, исследовательская сеть и внешняя глобальная сеть для связи с удаленными площадками. Одни топологии имеют лучшие возможности для объединения сетей, чем другие.

 

Сеть с большим трафиком нуждается в высокоскоростных каналах передач данных. От скорости сети зависит производительность работы пользователей. Наличие быстродействующих каналов особенно важно при передач изображений, графики и других объемных файлов на большие расстояний или через глобальные сети.

 

Безопасность, представляющая собой механизм защиты данных от неавторизованного доступа, также влияет на архитектуру сети. В безопасной сет для ограничения доступа к информации и ресурсам используются специальные сетевые устройства, пароли, управляющие программы и другие технологии. Можно также применять шифрование данных и паролей, копи фреймы и пакеты кодируются, и только авторизованные компьютеры могут декодировать их. В сетях с высокой степенью защиты используется оптоволоконный кабель, который минимизирует риск перехвата данных. Другой способ повысить защищенность сети – поместить оборудование и сервер в помещения с ограниченным доступом (например, в серверные комнаты; монтажные шкафы).

 

Топология сети непосредственно влияет на возможность ее расширения. После установки сети наверняка потребуется подключение новых пользователей, в том же офисе или в других помещениях или зданиях. Также весьма вероятно, что для удаленного доступа к данным потребуется подключи локальную сеть к какой-нибудь глобальной сети.