Уровни управления вычислительной сетью

Рассматривая вычислительную сеть как совокупность систем (рабочих станций), связанных между собой некоторой передающей средой (проводной связью, волоконно-оптической или радиосвязью), обеспечивающей обмен сообщений между рабочими станциями, она должна управляться по определенному международному стандарту.

Все работы по стандартизации связи между рабочими станциями (ЭВМ) базируются на рекомендациях таких организаций, как:

- Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии - МККТТ;

 - Европейская ассоциация производителей ЭВМ - ЕАПЭ (ЕСМА);

 - Институт инженеров электроники и радиоэлектроники США - ИИЭР (IEEE).

Для обеспечения открытости, гибкости и эффективности сети управление процессами организуется по многоуровневой схеме, приведенной на рис. 7.

 

7		7		7	Прикладной
6		6		6	Представления
5		5		5	Сеансовый
4		4		4	Транспортный
3		3		3	Сетевой
2		2		2	Канальный
1		1		1	Физический

 

Передающая среда

 

Рис. 7

В рамках семиуровневой модели управления для каждого уровня определены стандарты протокола (аппаратные и программные средства), реализующие заданные для данного уровня функции обработки и передачи данных. Взаимодействие прикладных процессов между уровнями управления удобно рассматривать, начиная с нижнего.

Уровень 1 - физический - реализует управление каналом связи (передающая среда), что сводится к подключению и отключению канала связи и формированию сигналов, представляющих передаваемые данные, а также определяет электрические и механические характеристики ЛВС (локальной вычислительной сети). Спецификации этого уровня содержат следующие данные:

- особенности схемы приема/передачи сигналов;

- техника модуляции и кодирования/декодирования;

- частоты передачи и напряжения сигналов;

- характеристики механического присоединения;

- характеристики среды (канала) передачи данных.

 Уровень 2 - канальный - организует службу доставки пакетов сообщений от одной рабочей станции до другой. Здесь реализуются следующие служебные функции:

- кадровая синхронизация, т.е. определение начальных и конечных точек пакета сообщения;

- адресация, т.е. определение того, какой узел должен принять сообщение;

- обнаружение ошибок, т.е. определение ошибочных битов в сообщении;

- контроль подключения приемопередатчиков к физическому каналу;

- реализация метода доступа к каналу связи в соответствии с требуемыми спецификациями.

Уровень 3 - сетевой - определяет маршруты следования информации от узла одной сети к узлу другой сети (при обменах ЛВС - глобальная сеть - ЛВС).

Уровень 4 - транспортный - реализует независимую и надежную передачу сообщений переменной длины, дублировать их или передавать в непоследовательном порядке (см. транспортный протокол). Кроме того, здесь должна выполняться служба сегментации (разбиение сообщений на пакеты) и служба сборки пакетов в сообщения.

Уровень 5 - сеансовый - организует сеансы связи на период взаимодействия процессов передачи данных в заданный момент времени и обеспечивается синхронизация диалога между рабочими станциями. Сеансовые соединения устанавливаются по запросу одного из абонентов сети и разъединяются либо по запросу абонента, либо по заранее установленному времени.

 Уровень 6 - представления - осуществляет преобразование информации из одного формата в другой, что включает упаковку и распаковку данных, изменение набора символов, интерпретацию графических команд в шифровку данных.

Уровень 7 - прикладной - управляет подпрограммами сетевых директив, что включает идентификацию абонентов, выбор режима обслуживания и установки связи (администрирование в сети).

Число уровней и распределение функций между ними существенно влияет на сложность сетевой операционной системы и эффективность сети. Семиуровневая система управления является основой разработки вычислительных сетей и определяет ее архитектуру. При разработке специализированных сетей (управление общественным транспортом, водоснабжением, торговлей и т.п.) формальной процедуры выбора числа уровней не существует и определяется уровнем квалификации разработчика.

 

Структура сообщения

Многоуровневая организация управления процессами прием/передачи информации в сети порождает необходимость строить сообщения таким образом, чтобы формат и содержание его соответствовало последовательности уровней, на которых выполняются соответствующие функции. Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя, получателя, канала, порта и т.д. Данная процедура аналогична процессам работы почтовой службы. Информация в виде письменного сообщения, отраженная на бумаге, помещается в конверт, на котором указывается адрес получателя письма (код города, почтового отделения), адрес отправителя, приоритет доставки сообщения (спецпочта, авиа, простое). Отличие состоит в форме представления информации - традиционный текстовый вид либо код в двоичном представлении. Пример структуры сообщения для сети приведен на рис. 8.

 

Код начала сообщения

Адрес получателя

Адрес источника

Команды управления в сети

Данные

Контольная сумма

Код конца сообщения

 

Рис. 8

 

Интерфейсы и протоколы сети

Интерфейсы

  Для реализации функций управления передачей данных используются технические и программные средства. Как правило, уровни 1-й и 2-й реализуются в основном техническими средствами: на уровне 1 используются электронные схемы, а на уровне 2 - программируемые контроллеры или микропроцессоры. На уровнях 3 - 7 используются программные средства, образующие сетевую операционную систему вычислительной сети. Взаимодействие между уровнями одной системы производится на основе соглашения - интерфейса, определяющего структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями. Уровни управления 1 и 2 связываются между собой и с уровнем 3 посредством схемных интерфейсов - интерфейсных шин. Порядок взаимодействия между уровнями управления 3 - 7 определяется программными интерфейсами - совокупностью процедур

 

F1(U1), …., FN (UN),

где F1,…., FN - наименования процедур, реализуемых J-м уровнем управления, и U1,…, UN - множество формальных параметров соответствующих процедур.

 

Протоколы

Гибкость организации и простота реализации сетей достигается за счет того, что обмен сообщениями допускается только между процессами одного уровня (процесс - это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки данных).

Процедура взаимодействия процессов на основе обмена сообщениями называется протоколом. Для процессов каждого уровня используется свой протокол.

Протоколы имеют следующие особенности, отличающие их от интерфейсов:

1) параллелизм взаимодействующих процессов;

2) взаимную неопределенность состояния процессов, связанную с отсутствием у каждого из них полной информации о состоянии другого процесса;

3) отсутствие однозначной зависимости между событиями и действиями, выполняемыми при их наступлении;

4) отсутствие полной гарантии доставки сообщений.

При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики. Логическая характеристика протокола - структура (формат) и содержание (семантика) сообщений. Логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называются процедурной характеристикой протокола. Процедурная характеристика протокола может представляться в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

Таким образом, логика организации вычислительной сети в наибольшей степени определяется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки - реакцию на входящие сообщения и генерацию собственных сообщений.

Число уровней управления и типы используемых протоколов определяют архитектуру вычислительной сети.