Информационные уровни. Стеки протоколов.

Согласно вышесказанному, информация в процессе передачи по сети подвергается нескольким видам преобразований: из файлов формируются прикладные пакеты, которые превращаются в сначала в датаграммы, а затем в кадры и в электрические сигналы. При приеме цепочка превращений происходит в обратном порядке. Причем за соответствие друг другу передаваемых и принимаемых кадров отвечают одни протоколы, за соответствие передаваемых и принимаемых датаграмм - другие, за соответствие прикладных пакетов - третьи. Таким образом, и при передаче информации, и при ее приеме должна действовать иерархически организованная структура связанных между собой протоколов. Такая структура называется стеком коммуникационных протоколов.

Стек протоколов можно представить в виде многоэтажного офиса, в котором каждый этаж соответствует определенному уровню административной иерархии. Рассмотрим простейший случай - офис, состоящий из 3-х этажей: верхний этаж-кабинет руководителя, второй этаж - секретариат, первый этаж - курьерская служба.

Предположим, что есть два таких офиса, руководители которых должны обмениваться между собой документами при помощи своих секретарей и курьеров. С точки зрения руководителей именно они обмениваются информацией, причем информацией является содержание документов, идеи, которые в них изложены. Оба руководителя должны понимать друг друга, т.е. одинаково интерпретировать содержание документов, - в этом и состоит протокол самого верхнего (прикладного) уровня.

С точки зрения секретарей происходит обмен не идеями, а документами, причем документ - это объект, имеющий определенный входящий и исходящий номера и прошедший определенную процедуру регистрации. Эта процедура должна быть согласована между секретарями обоих офисов - в этом и заключается протокол промежуточного (системного) уровня.

Наконец, с точки зрения курьеров происходит механическое перемещение запечатанных пакетов из одного места в другое. Пакеты должны правильно укладываться и перемещаться, не должны по дороге намокнуть или порваться. Эти условия - суть протоколов самого нижнего (аппаратного) уровня.

 

Стандартная модель стека протоколов (модель OSI).

Вернемся к передаче данных по компьютерной сети от одного узла другому. Международной Организацией по Стандартизации (ISO - International Standards Organization) была разработана стандартная модель стека протоколов, и соответствующая стандартная модель взаимодействия двух узлов (рис. 1.3), получившая известность как OSI-модель (OSI - Open Systems Interconnect).

 

 

Стек протоколов OSI-модели состоит из семи информационных уровней (семи этажей). Соседние уровни поддерживают связь между собой при помощи соответствующих интерфейсов. Охарактеризуем кратко информационные уровни модели OSI.

Физический уровень.

Протоколами данного уровня устанавливаются физические характеристики передачи данных, такие, как полоса пропускания, помехозащищенность и т.п., определяются характеристики электрических сигналов, например, требования к уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, скорости передачи сигналов; стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных на кабеле, и другие характеристики среды и электрических сигналов. С точки зрения физического уровня, данные - это любая последовательность электрических сигналов, каждый из которых представляет 1 бит.

Канальный уровень.

Его задачами являются: проверка доступности среды передачи; реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок (для чего на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами - frame); обеспечение корректности передачи каждого кадра (путем помещения специальной последовательности бит в начало и конец каждого кадра); вычисление контрольной суммы всех байтов кадра и добавление контрольной суммы к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами и другими устройствами (мостами, коммутаторами и маршрутизаторами). В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

Сетевой уровень.

Служит для доставки данных между сетями с разными топологиями и различными протоколами канального уровня. Сообщения сетевого уровня называются "пакетами" (packet). В заголовке пакета записывается номер сети и номер компьютера в этой сети. Сети соединяются между собой специальными устройствами - маршрутизаторами. Маршрутизатор решает задачу выбора наилучшего пути передачи пакета с точки зрения времени и надежности. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

Примером протокола сетевого уровня является базовый протокол сети Internet - протокол IP (Internet Protocol).

Транспортный уровень.

Отвечает за разбиение данных на пакеты и их доставку адресатам. Обеспечивает передачу данных с той степенью надежности, которая требуется приложениям (верхним уровням стека протоколов). Протоколы транспортного уровня, реализуются программными средствами сетевой операционной системы. Примером транспортного протокола является второй базовый протокол сети Internet - протокол TCP (Transmission Control Protocol), а также другой транспортный протокол сети Internet - протокол UDP (User Datagram Protocol).

Сеансовый уровень.

Начинает и заканчивает диалог между двумя компьютерами. Обеспечивает синхронизацию, - вставку контрольных точек в длинные передачи для возврата в случае отказа к последней контрольной точке. Используется сравнительно редко.

Уровень представления.

Обеспечивает возможность понимания приложением одного компьютера информации, посланной приложением другого компьютера. Этот уровень выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование, устраняя синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифровка данных. Примером является протокол SSL (Secure Socket Layer).

Прикладной уровень.

На этом уровне работают приложения, с которыми имеет дело пользователь. Это набор протоколов, обеспечивающих доступ к ресурсам (файлам, принтерам, Web-страницам и т.д.). Он оперирует сообщениями (message) или прикладными пакетами (например, MIME-пакетами). Приметами прикладных протоколов являются протоколы HTTP, FTP, ESMTP и т.д.