Модель взаємодії відкритих систем ISO OSI

 

Для того, щоб забезпечити можливість роботи в єдиній мережі різнорідним ЕОМ, на різних платформах та працюючих під різними ОС, необхідно було розробити ідеологію взаємодії ЕОМ. Вона отримала назву архітектури відкритих систем.

На початку 80-их років ряд міжнародних організацій під егідою Міжнародної організації зі стандартизації ISO розпочав роботи над розробкою еталонної моделі взаємодії відкритих систем OSI. При цьому за зразок ієрархічної відкритої системи був узятий комп'ютер. Модель будувалася з врахуванням тогочасних розробок у галузі комп'ютерних мереж, в т.ч. стеку протоколів TСP/IP. Перед розробниками стояла задача формалізувати процедуру обміну інформацією між абонентами мережі з врахуванням усіх можливих факторів: великого числа різноманітних абонентів, використання різнорідних локальних і глобальних мереж, різних видів фізичного середовища передавання даних, різних типів термінального обладнання, апаратури передачі даних і т.п.

Ідея моделі OSI полягала в тому, що ієрархічна відкрита система розбивається на окремі рівні, кожний з яких складається з декількох модулів і підсистем. Завдяки тому, що кожний рівень виконує свої функції, загальна задача передачі даних розбивається на ряд окремих задач. Функції кожного рівня можуть реалізовуються програмними, апаратними або програмно-апаратними засобами. Як правило, реалізація функцій верхніх рівнів здійснюється програмами, а нижніх - технічними пристроями.

В моделі OSI процедура взаємодії двох систем описується у вигляді набору правил взаємодії кожної пари модулів відповідних рівнів цих систем (вузлів мережі). Слід зауважити, що формалізовані правила, які визначають формат і послідовність повідомлень, якими обмінюються модулі одного рівня різних вузлів, називаються протоколом, а формалізовані правила, які визначають формат і послідовність повідомлень, якими обмінюються модулі різних рівнів одного вузла - інтерфейсом. По суті протокол та інтерфейс виражають одне і те ж поняття, але традиційно в мережах за ними закріпили різні області дії. Протоколи визначають правила взаємодії модулів одного рівня різних вузлів, а інтерфейси - модулі сусідніх рівнів в одному вузлі. Засоби кожного рівня відпрацьовують як свій власний протокол, так і інтерфейси з сусідніми рівнями свого вузла.

Структура розробленої еталонної моделі взаємодії відкритих систем OSI приведена на рис. 3.1. Модель OSI поділяє всі процеси, які мають місце при обміні інформацією між двома відкритими системами мережі на сім рівнів: прикладний, перетворення даних, сеансовий, транспортний, канальний і фізичний.

Найвищий 7-ий рівень моделі OSI надає користувачу доступ до ресурсів мережі шляхом використання стандартних програмних засобів, які реалізовують різні служби мережі: файлову, факсимільну, друку, віддаленого доступу, електронної пошти, емуляції терміналів, гіпертекстової інформації і т.п.

Шостий рівень відповідає за кодування і представлення інформації в мережі. Функції цього рівня обумовлені тим, що комп'ютери мережі можуть працювати в різних кодах, використовувати різні алгоритмічні мови, формати даних, передача даних може здійснюватися в спеціальних кодах. На цьому рівні здійснюється трансляція повідомлень і перетворення форматів, редагування тексту і графічних зображень, шифрація і дешифрація даних для забезпечення їх секретності.

П'ятий сеансовий рівень відповідає за взаємодію різних вузлів мережі. Він забезпечує обмін структурованими повідомленнями між розподіленими прикладними процесами, здійснює синхронізацію мережевого часу, вставляє у довгі повідомлення контрольні точки для збільшення надійності їх передачі.

 

 

 

Четвертий, транспортний рівень призначений для організації незалежної від технічних засобів мережі передачі даних від одного вузла (джерела повідомлення) до іншого (одержувача повідомлення). Він забезпечує можливість адресації кінцевого обладнання мережевим рівнем, відповідає за надійність передавання і цілістність даних, впорядковує пакети за їх номерами, виявляє пакети, які не були розпізнані маршрутизаторами і генерує запити на їх ретрансляцію.

Третій, мережевий рівень служить для утворення єдиної транспортної системи, що об'єднує декілька мереж, які можуть використовувати різні принципи передачі повідомлень. Він відповідає за передачу даних між мережами і визначає маршрут між джерелом і одержувачем повідомлень,

які розміщені у різних мережах, розділених маршрутизаторами. Мережевий рівень вирішує задачі узгодження різнорідних мереж і спрощення адресації у крупних мережах. Повідомлення мережевого рівня називають пакетами. Кожний пакет містить адресу одержувача пакету, яка складається із адреси мережі і адреси вузла цієї мережі. Протоколи мережевого рівня реалізовуються як системними програмами кінцевих вузів мережі, так і маршрутизаторами.

Другий, канальний рівень призначений для керування каналом передавання даних. При передаванні даних у мережу він на основі отриманих від верхніх рівнів повідомлень формує кадри потрібного формату і доповнює їх службовою інформацією, необхідною для успішної передачі даних по мережі. Виконує, при необхідності, кодування даних завадостійким кодом, керує доступом до фізичного середовища і потоком даних на рівні каналу. При прийманні даних другий рівень формує із потоку бітів кадр даних, виявляє і коректує помилки передачі. Функції канального рівня реалізуються мережевим адаптером та його програмою-драйвером.

Перший, фізичний рівень забезпечує передачу даних по фізичних лініях зв'язку, таких як коаксиальний кабель, вита пара, оптоволоконний кабель або цифровий територіальний канал. Цей рівень приймає кадр даних у вигляді послідовності біт від канального рівня, здійснює, при необхідності, їх модуляцію та лінійне кодування і передає в мережу. Фізичний рівень також відповідає за побітове приймання з мережі вхідних потоків і передавання їх канальному рівню. Перший рівень визначає механічні і електричні характеристики та фізичний інтерфейс для підключення технічного обладнання до кабелів лінії зв'язку. Функції першого рівня реалізуються мережевим адаптером та засобами під'єднання до фізичного середовища із заданими технічними характеристиками.

Три верхніх рівні - прикладний, перетворення даних та сеансовий - орієнтовані на задачі користувача і мало залежать від технічних особливостей побудови мережі. На протоколи цих рівнів мало впливають перехід на іншу технологію, зміну топології чи технічних засобів. Їх функції реалізовуються, як правило, системними програмами мережевих операційних систем. Три нижніх рівні - мережевий, канальний і фізичний - є мережезалежними. Протоколи їх роботи тісно пов'язані з технологією та технічною реалізацією мережі і використовуються комунікаційним мережевим обладнанням. Реалізовуються вони як програмними, так і технічними засобами. Транспортний рівень є проміжний між верхніми і нижніми рівнями. Він закриває всі деталі функціонування нижніх рівнів від верхніх. Це дозволяє розробляти незалежні від технічних засобів нижніх рівнів мережеві програмні додатки верхніх рівнів.

Отримавши повідомлення від джерела інформації модулі прикладного рівня згідно із своїми протоколами формують повідомлення стандартного формату, яке складається із поля даних і заголовка. Заголовок містить службову інформацію (СІ) для прикладного рівня вузла-адресата. Прикладний рівень передає сформоване повідомлення згідно з відповідним інтерфейсом рівню перетворення даних, який на основі аналізу заголовка виконує необхідні дії і формує заголовок для шостого рівня адресата. Сформоване таким чином повідомлення передається сеансовому рівню, модулі якого в свою чергу виконують з цим повідомленням необхідні дії, формують службову інформацію для п'ятого рівня адресата і передають четвертому рівню свого вузла і т.д. Модулі фізичного рівня перетворюють отриману від канального рівня послідовність біт у послідовність електричних сигналів і передають її через фізичне середовище фізичному рівню вузла-адресата. Рівні адресата послідовно обробляють отримане із лінії зв'язку повідомлення і передають його вверх до прикладного рівня. При цьому модулі кожного рівня адресата виконують необхідні дії на основі аналізу призначеної їм службової інформації, ліквідовують цю інформацію і передають повідомлення вищому рівню. Прикладний рівень відтворює первинне повідомлення і передає його одержувачу.

Еталонна модель взаємодії відкритих систем описана міжнародним стандартом ISO 7498. Організація обміну даними між абонентами згідно моделі OSI дозволяє використовувати при побудові мереж стандартні програмні та апаратні засоби, без великих затрат змінювати структуру мережі, збільшувати або зменшувати число її абонентів та з'єднувати між собою мережі, побудовані за різними мережевими технологіями.

Правила взаємодії вузлів мережі передавання даних описуються стеком (набором) комунікаційних протоколів. Різні технології мереж передавання даних описують взаємодію своїх абонентів з допомогою свого стеку комунікаційних протоколів, який не завжди відповідає моделі OSI. Це обумовлено тим фактором, що модель OSІ була розроблена на основі узагальнення функцій вже існуючих наборів комунікаційних протоколів. Тому протоколи, які були впроваджені в експлуатацію до появи моделі OSІ охоплюють не всі рівні, описані моделлю OSІ. Якщо нижні рівні цих стеків, які відповідають за передавання даних у фізичне середовище, здебільшого співпадають, то верхні рівні можуть відрізнятися. Так, у більшості стеків комунікаційних протоколів функції трьох верхніх рівнів зведені в одному прикладному рівні.

Зарождение Интернет

 

У истоков создания сети Интернет стояла группа ученых и инженеров Управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны США – DARPA (Defence Advanced Research Agency), созданная в 1962 году под руководством Дж. Ликлайдера. Этим ученым впервые была сформулирована концепция «галактической сети», объединяющая огромное количество компьютеров, и с помощью которой каждый пользователь сможет быстро получить доступ к данным и программам, расположенным на любом компьютере. Эта концепция очень близка по духу современному состоянию Интернет. Одновременно появились работы Леонарда Клейнрока по теории коммутации пакетов (пакетной коммутации), в которых теоретически обосновывалось возможность создания компьютерных сетей на основе пакетной коммутации. В дальнейшем проведенные эксперименты показали, что компьютеры с разделением времени могут успешно работать вместе, выполняя программы и осуществляя выборку на удаленной машине. Стало ясно и то, что телефонная система того времени с коммутацией соединений абсолютно непригодна для создания компьютерной сети.

В 1967 году появился проект первой компьютерной сети ARPANET, а в 1968 были доработана структура и спецификации этой сети, которая должна была работать по технологии коммутации пакетов. После разработки первого коммутатора пакетов компанией BBN, который назывался тогда интерфейсным процессором, появилась возможность провести соединения с их помощью нескольких компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга. В сентябре 1969 один из коммутаторов был установлен в Калифорнийском университете, к нему был подключен компьютер, а второй коммутатор с подключенным компьютером разместили в Стэнфордском исследовательском институте. Через месяц было послано первое компьютерное сообщение из Колифорнийского университета, которое было успешно принято в Стэнфорде. Двумя следующими узлами ARPANET стали университет города Санта- Барбара и Университет штат Юта.

Таким образом, к концу 1969 года первые четыре компьютера были объединены в первоначальную конфигурацию ARPANET В последующие годы число компьютеров, подключенных к ARPANET, быстро росло.

Одновременно велись работы по созданию функционально полного протокола межкомпьютерного взаимодействия и другого сетевого программного обеспечения. В декабре 1970 года Сетевая рабочая группа (Network Working Group, NWG) завершила работу над первой версией протокола, получившего название Протокол управления сетью (Network Control Prtocol, NCP). После того, как в 1971- 1972 годах этот протокол был реализован на всех узлах ARPANET, пользователи сети смогли приступить к разработке приложений работающих над этим протоколом.

В марте 1972 года появилось первое такое приложение – электронная почта. Создателем программы электронной почты стал сотрудник вышеупомянутой компании BBN Рэй Томлисон (Ray Tomlinson), он же предложил использовать значок @ («собака»). Для своего времени электронная почта стала тем, же чем в наши дни является служба WWW- исключительно мощным катализатором роста всех видов межперсональных потоков данных.

Однако NCP не содержал средств для адресации сетей и отдельных машин. В обеспечении сквозной надежности протокол NCP полагался на хорошие линии связи. Если какие-то пакеты терялись, протокол и поддерживаемые им приложения должны были остановиться. В модели NCP отсутствовало сквозное управление ошибками, поскольку ARPANET должна была являться единственной существующей сетью, причем настолько надежной, что от компьютеров не требовалось умение реагировать на ошибки. Таким образом, протокол NСP не соответствовал требованиям открытой сетевой архитектуры и требовал серьезной доработки.

Cотрудник DARPA Роберт Канн в 1972 году предложил разработать новую версию протокола, удовлетворяющую требованиям окружения с открытой сетевой архитектурой.

Этот протокол позднее будет назван Transmission Control Protocol/ Internet Protocol (TCP/IP — Протокол управления передачей/Межсетевой протокол).

В основе разработки нового протокола лежали четыре принципа:

· Каждая сеть должна сохранять свою индивидуальность. При подключении к Интернет сети не должны подвергаться внутренним переделкам;

· Передача пакетов должна идти по принципу "максимум возможного". Если пакет не прибыл в пункт назначения, источник должен вскоре повторно передать его;

· Для связывания сетей должны использоваться черные ящики; позднее их назовут шлюзами и маршрутизаторами.

· На локальном уровне не должно существовать глобальной системы управления

Еще одной особенностью, вызванной ростом Интернет, стало внесение изменений в программное обеспечение. Протокол TCP/IP стал встраиваться в существующие операционные системы Unix.

В целом стратегия встраивания протоколов Интернет TCP/IPв самую распространенную операционную систему, явилась одним из ключевых элементов успешного и повсеместного распространения Интернет.

Протокол TCP/IP был принят в качестве военного стандарта в 1980 году. Это позволило военным начать использование технологической базы Интернет и, в конце концов, привело к разделению на военное и гражданское Интернет-сообщества. К 1983 году ARPANET использовало значительное число военных исследовательских, разрабатывающих и эксплуатирующих организаций.