Тема 1.2 Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ISO)

Сложность сетевых структур и разнообразие телекоммуникационных устройств, выпускаемых различными фирмами, привели к необходимости стандартизации как устройств, так и процедур обмена данными между пользователями. Международная организация стандартов (International Standards Organization – ISO) создала эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model – OSI), которая определяет концепцию и методологию создания сетей передачи данных. Модель описывает стандартные правила функционирования устройств и программных средств при обмене данными между узлами (компьютерами) в открытой системе. Открытая система состоит из программно-аппаратных средств, способных взаимодействовать между собой при использовании стандартных правил и устройств сопряжения (интерфейсов).

Модель ISO/ OSI включает семь уровней. На рис.1 показана модель взаимодействия двух устройств: узла источника (source) и узла назначения (destination). Совокупность правил, по которым происходит обмен данными между программно-аппаратными средствами, находящимися на одном уровне, называется протоколом. Набор протоколов называется стеком протоколов и задается определенным стандартом. Взаимодействие между уровнями определяется стандартными интерфейсами.

Рис. 1. Семиуровневая модель ISO/OSI

Взаимодействие соответствующих уровней является виртуальным, за исключением физического уровня, на котором происходит обмен данными по кабелям, соединяющим компьютеры. Взаимодействие уровней между собой внутри узла происходит через межуровневый интерфейс, и каждый нижележащий уровень предоставляет услуги вышележащему.

Виртуальный обмен между соответствующими уровнями узлов A и B (рис.2) происходит определенными единицами информации. На трех верхних уровнях – это сообщения или данные (Data), на транспортном уровне – сегменты (Segment), на сетевом уровне – пакеты (Packet), на канальном уровне – кадры (Frame) и на физическом – последовательность битов.

Рис. 2. Устройства и единицы информации соответствующих уровней

При передаче данных от источника к узлу назначения подготовленные на прикладном уровне передаваемые данные последовательно проходят от самого верхнего, Прикладного уровня 7 узла источника информации до самого нижнего – Физического уровня 1, затем передаются по физической среде узлу назначения, где последовательно проходят от нижнего уровня 1 до уровня 7.

Самый верхний, Прикладной уровень (Application Layer) 7 оперирует наиболее общей единицей данных – сообщением. На этом уровне реализуется управление общим доступом к сети, потоком данных, сетевыми службами, такими, как FTP, TFTP, HTTP, SMTP, SNMP и др.

Представительский уровень (Presentation Layer) 6 изменяет форму представления данных. Например, передаваемые с уровня 7 данные преобразуются в общепринятый формат ASCII. При приеме данных происходит обратный процесс. На уровне 6 также происходит шифрация и сжатие данных.

Сеансовый уровень (Session Layer) 5 устанавливает сеанс связи двух конечных узлов (компьютеров), определяет, какой компьютер является передатчиком, а какой приемником, задает для передающей стороны время передачи.

Транспортный уровень (Transport Layer) 4 делит большое сообщение узла источника информации на части, при этом добавляет заголовок и формирует сегменты определенного объема, а короткие сообщения может объединять в один сегмент. В узле назначения происходит обратный процесс. В заголовке сегмента задаются номера порта источника и назначения, которые адресуют службы верхнего прикладного уровня для обработки данного сегмента. Кроме того, транспортный уровень обеспечивает надежную доставку пакетов. При обнаружении потерь и ошибок на этом уровне формируется запрос повторной передачи, при этом используется протокол TCP. Когда необходимость проверки правильности доставленного сообщения отсутствует, то используется более простой и быстрый протокол дейтаграмм пользователя (User Datagram Protocol – UDP).

Сетевой уровень (Network Layer) 3 адресует сообщение, задавая единице передаваемых данных (пакету) логические сетевые адреса узла назначения и узла источника (IP-адреса), определяет маршрут, по которому будет отправлен пакет данных, транслирует логические сетевые адреса в физические, а на приемной стороне – физические адреса в логические. Сетевые логические адреса принадлежат пользователям.

Канальный уровень (Data Link) 2 формирует из пакетов кадры данных (frames). На этом уровне задаются физические адреса устройства-отправителя и устройства-получателя данных. Например, физический адрес устройства может быть прописан в ПЗУ сетевой карты компьютера. На этом же уровне к передаваемым данным добавляется контрольная сумма, определяемая с помощью алгоритма циклического кода. На приемной стороне по контрольной сумме определяют и по возможности исправляют ошибки.

Физический уровень (Physical) 1 осуществляет передачу потока битов по соответствующей физической среде (электрический или оптический кабель, радиоканал) через соответствующий интерфейс. На этом уровне производится кодирование данных, синхронизация передаваемых битов информации.

Протоколы трех верхних уровней являются сетенезависимыми, три нижних уровня являются сетезависимыми. Связь между тремя верхними и тремя нижними уровнями происходит на транспортном уровне.

Важным процессом при передаче данных является инкапсуляция (encapsulation) данных. Передаваемое сообщение, сформированное приложением, проходит три верхних сетенезависимых уровня и поступает на транспортный уровень, где делится на части и каждая часть инкапсулируется (помещается) в сегмент данных (рис.3). В заголовке сегмента содержится номер протокола прикладного уровня, с помощью которого подготовлено сообщение, и номер протокола, который будет обрабатывать данный сегмент.

Рис. 3. Инкапсуляция данных

На сетевом уровне сегмент инкапсулируется в пакет данных, заголовок (header) которого содержит, кроме прочего, сетевые (логические) адреса отправителя информации (источника) – Source Address (SA) и получателя (назначения) – Destination Address (DA). В данном курсе – это IP-адреса.

На канальном уровне пакет инкапсулируется в кадр или фрейм данных, заголовок которого содержит физические адреса узла передатчика и приемника, а также другую информацию. Кроме того, на этом уровне добавляется трейлер (концевик) кадра, содержащий информацию, необходимую для проверки правильности принятой информации. Таким образом, происходит обрамление данных заголовками со служебной информацией, т. е. инкапсуляция данных.

Название информационных единиц на каждом уровне, их размер и другие параметры инкапсуляции задаются согласно протоколу единиц данных (Protocol Data Unit – PDU). Итак, на трех верхних уровнях – это сообщение (Data), на Транспортном уровне 4 – сегмент (Segment), на Сетевом уровне 3 – пакет (Packet), на Канальном уровне 2 – кадр (Frame), на Физическом Уровне 1 – последовательность бит.

Тема 1.3 Способы коммутации

Назначение сети – обмен данными (информацией) между компьютерами.

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических канатов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

Коммута́ция — процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы.

Коммутируемой сетью называется сеть, в которой связь между узлами устанавливается только по запросу.

Коммутация может осуществляться в двух режимах: динамически и статически. В первом случае коммутация выполняется на время сеанса связи (обычно от секунд до часов) по инициативе одного из узлов, а по окончании сеанса связь разрывается. Во втором случае коммутация выполняется обслуживающим персоналом сети на значительно более длительный период времени (несколько месяцев или лет) и не может быть изменена по инициативе пользователей. Такие каналы называются выделенными (dedicated) или арендуемыми (leased).

Коммутация каналов

Основана на формировании единого физического соединения (канала) между взаимодействующими абонентами для непосредственной передачи данных из конца в конец. Этот принцип реализуется в телефонных сетях.

Созданное физическое соединение, как правило, существует в течение времени передачи данных, которое называется сеансом или сессией. По завершении сессии это соединение может быть разрушено. Это вид временного (коммутируемого) канала.

Достоинства метода коммутации каналов:

- возможность использования существующих и хорошо развитых телефонных сетей связи;

- отсутствие необходимости хранения передаваемых данных в промежуточных узлах сети;

- высокая эффективность при передаче больших объемов данных.

Недостатки данного метода:

- пропускная способность каналов связи на всем пути передачи данных должна быть одинакова; невыполнение этого условия может привести к потере передаваемых данных из-за невозможности временного хранения данных;

- большие накладные расходы на установление соединения на начальном этапе; так как в этом случае передача небольших объемов данных станет невыгодной из-за неполного использования пропускной способности канала;

- невозможность использования телефонных линий связи в высокоскоростных магистральных сетях ввиду невысокого качества этих линий.

Коммутация сообщений

Коммутация сообщений предполагает хранение передаваемой информации в буферной памяти промежуточных узлов, которые находятся на пути передачи, который прокладывается в каждом узле в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации (маршрутизация определяет эффективность передачи данных и состоит в выборе в каждом узле сети направления передачи данных из множества возможных направлений в соответствии с адресом назначения и с учетом требований, предъявляемых к качеству передачи). Предварительное установление соединения между абонентами не требуется.

Отличие данного метода от метода коммутации каналов в том, что направление передачи сообщении (его маршрут в сети) при коммутации сообщений определяется только после поступления сообщения в тот или иной узел сети, а не устанавливается заранее. Также к отличиям следует отнести то, что коммутация сообщений предполагает хранение передаваемых данных в буферной памяти узлов.

Достоинства коммутации сообщений:

-·предварительное установление соединения не требуется, следовательно, не требуется затрат на эту операцию;

- каналы по всему маршруту передачи могут иметь разную пропускную способность, сгладить это различие позволяет буферирование сообщений в узлах сети;

Недостатки:

- требуется значительная емкость буферной памяти из-за необходимости хранения передаваемых сообщений в промежуточных узлах; при этом коэффициент использования (загрузки) буферной памяти может оказаться незначительным из-за малого размера отдельных хранимых сообщений;

- вероятность значительной задержки сообщений в промежуточных узлах - это может привести к увеличению времени доставки сообщений;

- вероятность больших задержек коротких сообщений в связи с монополизацией среды передачи (канала связи) длинными сообщениями на длительный промежуток времени.

Коммутация пакетов

Данный способ передачи данных отличается от коммутации сообщений тем, что каждое сообщение в сети разбивается на блоки фиксированной длины (кроме последнего блока), называемые пакетами. Каждый из этих пакетов имеет структуру, аналогичную структуре сообщений, - заголовок, текст и, возможно, концевик.

Любой пакет состоит из трех обязательных компонентов:

– заголовка;

– данных;

– информации для проверки ошибок передачи.

Заголовок содержит:

– адрес источника, идентифицирующий компьютер-отправитель;

– адрес местоназначения, идентифицирующий компьютер-получатель;

– инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных;

– информацию компьютеру-получателю о том, как объединить передаваемый пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде.

Данные – это часть пакета, представляющая передаваемые данные. В зависимости от типа сети ее размер составляет от 512 байтов до 4 Кбайтов (Кб). Так как обычно размер исходных данных гораздо больше 4 Кб для помещения в пакет их необходимо разбивать на мелкие блоки. При передаче объемного файла может потребоваться много пакетов.

Достоинства метода коммутации пакетов:

- малое время доставки сообщения в сети - за счет параллельной передачи пакетов по каналам связи;

- эффективное использование буферной памяти в узлах, т.к. загрузка буфера более высока за счет того, что размер буфера строго фиксирован и определяется максимально допустимой длиной передаваемых пакетов (от нескольких десятков байт до нескольких килобайт);

- отсутствие монополизации канала связи одним сообщением на длительное время за счет того, что большие пакеты данных разбиваются на пакеты меньшего размера, что позволяет передавать их быстрее и не загружать среду передачи на долгое время;

- эффективная организация надежной передачи данных - обусловлена тем, что при передаче контролируется каждый передаваемый пакет и, в случае сбоя при его передаче, он, а не все сообщение, предается заново;

- задержка пакетов в узлах минимальна, т.к. задержка в общем случае пропорциональна длине блока данных, который имеет, в отличие от коммутации сообщений, фиксированный небольшой размер.

Недостатки коммутации пакетов:

- снижение эффективной (реальной) пропускной способности канала связи из-за больших накладных расходов на передачу и анализ заголовков всех пакетов, на которые разбивается сообщение, вследствие чего увеличивается время доставки сообщения в сети;

- необходимость сборки сообщения из пакетов в конечном узле увеличивает время доставки сообщения конечному абоненту за счет ожидания прихода всех пакетов сообщения, т.к. для сборки сообщения необходимо наличие всех составляющих пакетов; здесь же возникает проблема определения предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле - это время должно соответствовать многим требованиям и параметрам передачи, чем и обуславливается трудность при его определении;

Коммутация ячеек

Коммутацию ячеек можно рассматривать как частный случай коммутации пакетов со строго заданной длиной передаваемых блоков данных в 53 байта, называемых ячейками.

Достоинства коммутации ячеек:

- отсутствие монополизации канала связи за счет небольших задержек ячеек в узлах;

- быстрая обработка заголовка ячейки, поскольку местоположение заголовка строго фиксировано;

- организация буферной памяти более эффективна, по сравнению с коммутацией пакетов;

- надежная передача данных.

Основной недостаток коммутации ячеек: наличие сравнительно больших накладных расходов на передачу заголовка и, как следствие, потеря пропускной способности, особенно в случае высокоскоростных каналов связи.

Подводя итог вышесказанному, отметим, что коммутация пакетов и коммутация каналов - основные способы передачи данных в КС, т.к. коммутация пакетов обеспечивает более эффективную передачу данных через среду передачи данных по сравнению с коммутацией сообщений, а коммутация каналов может быть достаточно легко реализована на основе существующей телефонной сети.