Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ВОС).

 

Практика создания и развития ВС привела к необходимости разработки стандартов по всему комплексу вопросов организации сетевых систем. В 1978 году Международная

организация по стандартизации (МОС) предложила семиуровневую эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС), которая получила широкое распространение и признание. Данный стандарт определяет:

- понятия и основные термины, используемые при построении открытых систем;

- описание возможностей и набора конкретных услуг, которые должна предоставлять открытая система;

- логическую структуру открытых систем; протоколы, обеспечивающие услуги открытых систем.

В соответствии со стандартом 7498, открытой системой считается система, отвечающая требованиям эталонной модели взаимодействия открытых систем, реализующая стандартный набор услуг и поддерживаемая стандартными протоколами.

Основной задачей модели ВОС является описание множества функций, определяющих правил взаимодействия открытых систем. При этом широко используется понятие «процесс», определяемый как динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки информации.

Принято подразделять процессы на прикладные и системные. Прикладной процесс отождествляется с реализацией определенных процедур, связанных с переработкой информации при решении пользовательских задач. Системные процессы определяют выполнение вспомогательных функций, связанных с обеспечением прикладных процессов.

Ввод данных, необходимых процессу, и вывод данных производится в форме сообщений через логические (программно-организованные) точки, называемые портами. Различают входные и выходные порты. Через входные порты осуществляется ввод данных для данного процесса, через выходные порты текущий процесс выдает результат обработки данных. Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называются сеансом обмена или сессией.

Основу модели ВОС составляет концепция многоуровневой организации протоколов, которую модно рассматривать в качестве дальнейшего развития многоуровневой организации протоколов систем телеобработки. Существенной особенностью модели взаимодействия открытых систем является разработка и использование единого подхода и организации протоколов и интерфейсов различных уровней. В соответствии с данной концепцией каждому уровню ставится в соответствие набор определенных функций, связанных с решением конкретной задачи по организации взаимодействия открытых систем. Нумерация уровней осуществляется относительно физических средств соединения, то есть первый номер присваивается физическому уровню, а наибольший номер – прикладному (пользовательскому) уровню. Каждый уровень с меньшим номером считается вспомогательным для смежного с ним более высокого уровня и предоставляет ему определенный набор услуг, называемых сервисом. Следует подчеркнуть, что эталонная модель не определяет средства реализации протоколов, а только специфирует их. Таким образом, функции каждого уровня могут быть реализованы различными программными и аппаратными средствами. Основным условием при этом является то, что взаимодействие между любыми смежными уровнями должно быть четко определено, то есть должно осуществляется через точку доступа посредством стандартного межуровневого интерфейса.

Точка доступа является портом, в котором объект N-го уровня предоставляет услуги (N + 1)-му уровню. Это достаточно важное условие определяет возможность изменения системы в целом, что является одним из основных условий построения открытых систем.

Структурной единицей данных, передаваемых между уровнями, является так называемый протокольный блок данных, состоящий из управляющего поля, называемого заголовком, и поля данных. Заголовок N-го блока содержит управляющую информацию, формируемую на N-ом уровне. Содержимое поля данных N-го уровня представляет собой блок данных (N + 1)-го уровня. Таким образом, формируется вложенная структура, при которой протокольные блоки данных, начиная с верхнего уровня, вкладываются друг в друга. При передаче данных в обратном направлении происходит обратная процедура «распаковки» блоков.

При разработке эталонной модели число ее уровней определялось из следующих соображений:

- разбивка на уровне должна максимально отражать логическую структуру компьютерной сети;

- межуровневые границы должны быть определены таким образом, чтобы обеспечивались минимальное число и прирост межуровневых связей;

- большое количество уровней, с одной стороны, упрощает внесение изменений в систему, с другой стороны, увеличивает количество межуровневых протоколов и затрудняет описание модели в целом.

С учетом вышеизложенного МОС была предложена 7-уровневая модель ВОС (рис. 9).

Основным с точки зрения пользователя является (седьмой) прикладной уровень, который обеспечивает поддержку прикладных процессов конечных пользователей и определяет семантику данных, то есть смысловое содержание информации, которой обмениваются открытые системы в процессе их взаимодействия. С этой целью данный уровень, кроме протоколов взаимодействия, прикладных процессов, поддерживает протоколы передачи файлов, виртуального терминала, электронной почты и им подобные.

Следующий (шестой) уровень представительский (уровень представления данных) определяет единый для всех открытых систем синтаксис (то есть представление данных) передаваемой информации. Необходимость данного уровня обусловлена различной формой представления информации в сети передачи данных и компьютерах. Данный уровень играет важную роль в обеспечении «открытости» систем, позволяя им общаться между собой, независимо от их внутреннего языка, и гарантирует представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе.

Сеансовый (пятый) уровень реализует организацию сеансов связи между прикладными процессами, расположенными в различных абонентских системах. На данном уровне создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения – логические каналы между процессами. Необходимость протоколов данного уровня определяется относительной сложностью сети передачи данных и стремлением обеспечить достаточно высокую надежность передачи данных. Сеансовый уровень поддерживает и завершает сеанс связи.

Три верхних уровня объединяются под общим названием – процесс или прикладной процесс. Эти уровни определяют функциональные особенности вычислительной сети как прикладной системы.

Транспортный (четвертый) уровень (уровень сквозной передачи) служит для обеспечения передачи данных между двумя взаимодействующими открытыми системами и организации процедуры сопряжения абонентов сети с системой передачи данных. На этом уровне определяется взаимодействие абонентских систем – источника и адресата данных, организуется и поддерживается логический канал (транспортное соединение) между абонентами.

Сетевой (третий) уровень предназначен для обеспечения процессов маршрутизации информации и управления сетью передачи данных. Здесь решаются вопросы управления сетью передачи данных, в том числе маршрутизация и управление информационными потоками. Он также отвечает за информатизацию пакетов в коммутационной сети и за связь между сетями – реализует межсетевое взаимодействие.

Канальный (второй) уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и расторжения соединений на уровне каналов передачи данных. Процедуры канального уровня обнаружение и, по возможности, исправление ошибок, возникающих на физическом уровне.

Физический (первый) уровень обеспечивает технические, электрические, функциональные и процедурные средства организации физических соединений при передаче данных между физическими объектами. Его основная задача – управление аппаратурой передачи данных и подключенным к ней каналом связи.

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

Работы по совершенствованию эталонной модели ВОС для ЛВС привели к декомпозиции уровней 1 и 2 (рис. 10). Канальный уровень разделен на два подуровня: подуровень управления логическим каналом LLC (Local Link Control), то есть выполняет функции соответственно канального уровня (передача кадров между рабочими станциями, включая исправление ошибок, диагностика работоспособности узлов сети) и подуровень управления доступом к передающей среде MAC (Media Access Control), то есть реализация алгоритма доступа к среде и адресация станции сети.

Физический уровень делится на три подуровня: передачи физических сигналов, интерфейса с устройством доступа и подключения к физической среде.

При передаче информации от прикладного процесса в сеть происходит ее обработка уровнями модели ВОС (рис. 10). Смысл этой обработки заключается в том, что каждый уровень добавляет к информации процесса свой заголовок – служебную информацию, которая необходима для адресации сообщений и для некоторых контрольных функций. Канальный уровень кроме заголовка добавляет еще и концевик – контрольную последовательность, которая используется для проверки правильности приема сообщений из коммуникационной сети.

Физический уровень заголовка не добавляет. Сообщение, обрамленное заголовками и концевиком, уходит в коммуникационную сеть и поступает на абонентское ЭВМ вычислительной сети. Каждая абонентская ЭВМ, принявшая сообщение, дешифрует адреса и определяет, предназначено ли ей данное сообщение. При этом в абонентской ЭВМ происходит обратный процесс – чтение и отсечение заголовков уровнями модели ВОС. Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Заголовки верхних уровней нижними уровнями не воспринимаются и не изменяются – они «прозрачны» для нижних уровней. Так, перемещаясь по уровням модели ВОС, информация, наконец, поступает к процессору, которому она была адресована.

В ЛВС процедуры управления на физическом, канальном и транспортном уровнях не отличаются сложностью, в связи с чем эти уровни управления реализуются в основном техническими средствами, называемыми станциями локальной сети (СЛС) и адаптерами ЛВС. По существу, адаптер вместе с физическим каналом образует информационный моноканал, к которому подключаются системы сети, выступающие в качестве абонентов моноканала.

Основное достоинство семиуровневой модели ВОС заключается в том, что в процессе развития и совершенствования любой системы возникает потребность изменять ее отдельные компоненты, а это вызывает изменение в других компонентах системы, что существенно усложняет и затрудняет процесс модернизации системы. В семиуровневой модели ВОС, где между уровнями определены однозначно интерфейсы, изменение одного из уровней не влечет за собой необходимости внесения изменений в другие уровни. Таким образом, существует относительная независимость уровней друг от друга.

Функции, описываемые уровнями модели, должны быть реализованы либо в аппаратуре, либо в виде программ.

Функции физического уровня реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, мультиплексоры передачи данных, сетевые платы и т.д.

Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей – драйверов.

 

Уровневые услуги ВОС в ЛВС.

 

В рамках эталонной модели ВОС определяются следующие уровневые услуги:

- физический уровень – установление и идентификация физических соединений; организация последовательностей передачи отдельных битов информации; оповещение об окончании связи;

- канальный уровень – организация требуемой последовательности блоков данных и их передача; управление потоками между степенными узлами; идентификация конечных пунктов канальных соединений; обнаружение и исправление ошибок; оповещение об ошибках, которые не исправлены на канальном уровне;

- сетевой уровень – идентификация конечных точек сетевых соединений; организация сетевых соединений; управление потоками блоков данных; обеспечение последовательности доставки блоков данных; обнаружение ошибок и формирование сообщений о них; разъединение сетевых соединений;

- транспортный уровень – установление и разъединение транспортных соединений; формирование блоков данных; обеспечение взаимодействия сеансовых соединений с транспортными соединениями; управление последовательностью передачи блоков данных; обеспечение целостности блоков данных во время передачи; обнаружение и исправление ошибок, сообщения о неисправленных ошибках, представление приоритетов в передачи блоков; передача подтверждений о принятых блоках; ликвидация тупиковых ситуаций;

- сеансовый уровень – обслуживание сеансов и обеспечение передачи данных в диалоговом режиме; установление сеансового соединения; обмен данными; управление обменом; синхронизация сеансового соединения; сообщения об исключительных ситуациях; отображение сеансового соединения на транспортный уровень; завершение сеансового соединения;

- представительный уровень – выбор вида представления данных; интерпретация и преобразование передаваемых данных к виду, удобного для прикладных процессов; преобразование синтаксиса данных; формирование данных;

- прикладной уровень – управление терминалами – файлами, диалогом, задачами, сетью в целом; целостность информации; ряд дополнительных услуг. К дополнительным услугам уровня относятся услуги по организации электронной почты, передачи массивов сообщений и т.д.

Услуги различных уровней модели ВОС определяются с помощью протоколов, которые представляют собой правила взаимодействия объектов одноименных уровней открытых систем.

Протокол – это набор правил, определяющих взаимодействие двух одноименных уровней моделей ВОС в различных абонентских ЭВМ.

В соответствии с 7-уровневой моделью ВОС вводится 7 типов протоколов, которые именуются так же, как уровни. При этом функциональному назначению все протоколы целесообразно разделить на три группы.

Первую группу составляют протоколы абонентской службы, соответствующие прикладному, представительному и сеансовому уровням модели ВОС. Протоколы этой группы являются сетенезависимыми, то есть их характеристики и структура не зависят от используемой сети передачи данных. Они определяются лишь структурой абонентских систем и решаемыми задачами обработки данных. Две другие группы протоколов описывают транспортную службу компьютерной сети и различаются между собой процедурой доступа к передающей среде. Одна из этих групп определяет систему передачу данных с маршрутизацией информации, а другая – с селекцией информации.

Маршрутизация представляет собой процедуру определения пути передачи информации в сетях передачи данных и характерна для глобальных и региональных компьютерных сетей, в рамках которой и рассматривается соответствующая группа протоколов.

Селекция определяет процесс выбора очередной абонентской системы для подключения ее к сети передачи данных с целью обмена информацией. Селекция информации в основном используется в системах передачи данных локальных компьютерных сетей, где и рассматривается третья группа протоколов.

Протоколы передачи данных нижнего уровня, получившего распространение в ЛВС, приведены на рис. 11.

Проще всего представить особенности сетевых протоколов на примере протоколов канального уровня, которые делятся на две основные группы:

- байт-ориентированные;

- бит-ориентированные.

Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения по информационному каналу в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов в канал передаются также управляющие и служебные байты. Такой тип протокола удобен для ЭВМ, так как она ориентированна на обработку данных, представленных в виде двоичных байтов. Для коммуникационной среды байт-ориентированный протокол менее удобен, так как разделение информационного потока в канале на байты требует использования дополнительных сигналов, что, в конечном счете, снижает пропускную способность канала связи.

Наиболее известным и распространенным байт-ориентированным протоколом является протокол двоичной синхронной связи BSC (Binary Synchronous Communication), разработанный фирмой IBM.

Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов, не разделяемых на байты. Поэтому для разделения кадров используются специальные последовательности – флаги. В начале кадра ставится флаг открывающий, а конце – флаг закрывающий. Этот протокол удобен относительно коммуникационной среды, так как канал связи как раз и ориентирован на передачу последовательности битов.

Типичным представителем группы бит-ориентированных протоколов являются протоколы HDLC (High-level Data Link Control – высший уровень управления каналом связи) и его множества.

Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся большим количеством организаций. В зависимости от статуса организаций различают следующие виды стандартов:

- стандарты отдельных фирм;

- стандарты специальных комитетов и объединений, создаваемых несколькими фирмами;

- национальные стандарты (например, стандарт безопасности для операционных систем, разработанные Национальным центром компьютерной безопасности (NCSC) Министерства обороны США;

- международные стандарты (например – стандарт на сети с коммутацией пакетов Х.25).

Для протоколов физического уровня стандарты определены рекомендациями МККТТ (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии). Цифровая передача предусматривает использование протоколов Х.21 и Х.21-бис.

Канальный уровень определяет протокол HDLC и его подмножества, а также протокол Х.25/3.

Широкое распространение ЛВС потребовало разработки стандартов для этой области. В настоящее время для ЛВС используются стандарты, разработанные Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике – ИИЭР (IЕЕЕ – Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Комитеты IЕЕЕ 802 разработали ряд стандартов, часть из которых принята МОС (ISO) и другими организациями. Для ЛВС разработаны следующие стандарты:

- 802.1 – верхние уровни и административное управление;

- 802.2 – управление логическим звеном данных (LLC);

- 803.3 – случайный метод доступа к среде (CSMA/CD – Carries Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем передачи и обнаружением столкновений);

- 802.4 – маркерная шина;

- 802.5 – маркерное кольцо;

- 802.6 – городские сети.