Протоколы компьютерных сетей

Понятие протокола и интерфейса

Взаимодействие узлов в сети и обеспечение передачи информации между нами является сложной задачей. Поэтому, как и любую сложную задачу, ее удобней решать по частям, разбив на несколько отдельных задач. Весь процесс сетевого взаимодействия был разбит на несколько уровней. На каждом уровне решается свой круг задач. При этом на каждом из уровней задачу можно решать не зависимо от других уровней, но при этом надо обеспечить согласованную передачу информации между уровнями.

В процессе сетевого взаимодействия участвуют как минимум два узла на каждом из которых должны быть установлены аппаратные и программные сетевые компоненты реализующие все необходимые уровни (т.е. решаться все необходимые для обеспечения связи подзадачи).

Протокол – формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются компоненты одного уровня, но расположенные на разных узлах.

Интерфейс – формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются компоненты разных уровней, расположенные на одном узле.

Рис. 8. Схема взаимодействия двух узлов

 

Сетевые компоненты (аппаратные и программные), реализующие функциональность какого либо уровня, должны обрабатывать протокол своего уровня и интерфейсы с соседними уровнями.

Стек протоколов – набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.

Модель OSI

В целях стандартизации протоколов сетевого взаимодействия в начале 80-х годов ХХ века международные организации ISO, ITU-T и другие разработали модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Эта модель определяет уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и определяет задачи, которые должны решаться на каждом уровне.

Рис. 9. Модель OSI

Ниже будут подробнее рассмотрены все уровни модели OSI.

Физический уровень (Physical layer) решает задачи передачи бит по физическим каналам связи. Он определяет механические и электрические параметры среды передачи, интерфейсных плат, соединителей, а также способы помещения информации в среду передачи и извлечения ее оттуда. Спецификации физического уровня определяют тип разъема и назначение ножек, уровни сигналов, скорость передачи и т.д. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. Примерами протоколов физического уровня могут служить спецификации 10Base-T, 1000Base-FX, RS232 и т.п.

Канальный уровень (Data link layer) обеспечивает формирование последовательности кадров (фреймов) из битов, получаемых от физического уровня. На физическом уровне решаются две важные задачи, поэтому он разбит на два подуровня:

LLC (Logical Link Control) – подуровень контроля связи: решает задачу гарантированной доставки кадров в пределах локальной сети. Для ее решения используются специальные механизмы обнаружения и коррекции ошибок.

MAC (Media Access Control) – подуровень контроля доступа к среде передачи: решает задачу разграничения доступа узлов сети к общей среде передачи данных.

Как и большинство других уровней, канальный добавляет заголовок к передаваемой информации. В заголовке обычно содержится адрес (физический) приемника, адрес источника и, возможно, другая информация. Функции канального уровня реализуются в сетевых адаптерах и их драйверах. Примерами протоколов сетевого уровня являются Ethernet, Tocken Ring, FDDI.

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различной топологией и внутренней организацией. Протоколы канального уровня обеспечивают обмен информацией только в сетях с типовой топологией. Для того, чтобы иметь возможность строить сети с произвольной топологией, допускающей избыточные связи, разработаны протоколы сетевого уровня. Основная задача, решаемая на сетевом уровне – маршрутизация, т.е. обеспечение передачи информации из одной сети в другую транзитом через несколько связанных друг с другом сетей. Единица передаваемой информации на этом уровне – пакет, который имеет специальный заголовок, содержащий служебную информацию. Задачи сетевого уровня решаются маршрутизаторами. Кроме решения этой задачи они еще обеспечивают связь между собой сетей с различными технологиями передачи данных. Примерами протоколов сетевого уровня являются IP, IPX.

Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает надежную передачу информации в больших сетях. Он отвечает за гарантированную доставку данных, компенсируя ошибки, которые могли возникнуть при работе нижележащих уровней. «Гарантированная доставка» не означает, что данные попадут к адресату в любом случае: оборванный кабель, отстыкованный разъем, сгоревшая сетевая плата — все это «гарантирует недоставку». Однако надежные реализации протоколов транспортного уровня обеспечивают подтверждение успеха или неуспеха доставки, информируя вышележащие уровни, которые передают сообщение программному приложению, потребовавшему обслуживания. Гарантированная доставка осуществляется при помощи различных механизмов, в числе которых установление и разрыв соединения, подтверждение, контроль скорости потока.

Транспортный уровень предоставляет вышележащим уровням (прикладному и сеансовому) пять классов сервиса, которые отличаются качеством предоставляемых услуг. Выбор класса сервиса транспортного уровня зависит от необходимой степени надежности и качеством работы протоколов нижележащего уровня: если качество каналов передачи данных высокое, то может использоваться облегченный сервис (с меньшим количеством передаваемой служебной информации), если же надежность передачи данных по каналам связи низка, то это компенсируется средствами транспортного уровня. Протоколы транспортного и вышележащих уровней реализуются программным обеспечением на конечных узлах. Примеры протоколов транспортного уровня: TCP, UDP, SPX.

Сеансовый уровень (Session layer) отвечает за вызовы удаленных процедур (Remote Procedure Calls, RPC). Это специальный интерфейс, поддерживаемый соответствующими протоколами, когда вызов программной процедуры производится на одном компьютере, а выполнение — на другом, затем результат возвращается вызвавшей программе так, словно процедура была выполнена локально. Сеансовый уровень также контролирует установление, течение и завершение сеанса связи между взаимодействующими программами, о чем и говорит его название. В процессе ведения диалога в него вставляются контрольные точки, чтобы в случае отказа можно было вернуться к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. В виде отдельного протокола этот уровень реализуется очень редко. Его функции часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительский уровень (Presentation layer) занимается преобразованиями формата, упаковкой, распаковкой, шифрованием и дешифрованием. Здесь осуществляется преобразование лишь формата, а не логической структуры данных. То есть этот уровень представляет данные в том виде и формате, какой необходим для последнего из вышележащих уровней. Примером протокола этого уровня является протокол SSL (Secure Socket Layer), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень (Application layer) отвечает за интерфейс с пользователем и взаимодействие прикладных программ, выполняемых на взаимодействующих компьютерах. Предоставляемые услуги — электронная почта, идентификация пользователей, передача файлов и т.п. Примерами прикладных протоколов могут служить HTTP, FTP, SMTP и т.п.

Следует заметить, что модель OSI определяет уровни и задачи сетевого взаимодействия, но не дает решений этих задач. Конкретные решения создаются в виде протоколов и реализующих их аппаратных и программных средств. Ни один из существующих стеков протоколов полностью не соответствует этой модели. Однако все равно она остается эталоном для сравнения и согласования различных протоколов, аппаратных и программных средств.