Поняття мережевого протоколу.

Комунікація включає термінали, комунікаційні застосування і мережу, яка об’єднує їх. Вони взаємодіють для досягнення правильної комунікації (наприклад, встановлюють і припиняють сесію) та для оптимального використання мережевих транспортних послуг. Для здійснення цієї взаємодії необхідні комунікаційні протоколи як між кінцевими користувачами і мережею, так і всередині мережі між різними мережевими вузлами. Вони забезпечують встановлення наскрізних маршрутів відповідно до запитів користувачів, забезпечують надійне і захищене пересилання інформації, моніторування та управління мережею.

Протокол:

1. Формальна система домовленостей, які регулюють формати та управляють взаємодією комунікаційних функціональних модулів. Протоколи можуть управляти частиною мережі, типом послуг або адміністративними процедурами. Наприклад, протокол каналу даних - це специфікація методів, за допомогою яких комунікація через канал здійснюється в поняттях конкретного режиму передавання, процедур управління та відновлення.

2. В архітектурі багаторівневих комунікаційних систем - це формальна система процедур, яка пристосована для сприяння взаємодії між ієрархічними рівнями.

Протокол зв'язку - це система правил, яка стосується комунікації даних через канал зв'зку. Протокол зв'язку визначає параметри каналу, такі як код передавання, режим передавання, процедури управління, процедури відновлення.

Мережеві протоколи - це стандарти, які дозволяють мережевим вузлам комунікуватися між собою. Під поняттям протокол в комп’ютерній мережі звичайно розуміють систему правил, опрацьованих для здійснення комунікації між комп’ютерами. Протоколи керують форматом, синхронізацією, упорядкованістю даних, а також забезпечують контроль помилок. Без таких правил комп’ютер не може сприймати значення потоку бітів, які поступають до нього.

Внаслідок значної складності комп’ютерна комунікація поділяється на ряд кроків. Кожен крок має свої власні правила операцій, свій власний протокол. Ці кроки повинні бути виконані у певній послідовності, звичайно зверху вниз при передаванні і знизу вгору при прийманні. Внаслідок цього ієрархічного впорядкування для опису різних кроків комп’ютерної комунікації вживають термін стек протоколів. Стек протоколів є просто системою правил комунікації, однак він може бути розділений на системи правил для кожного кроку в певній послідовності.

У дійсності протокол - це програмне забезпечення, розташоване у пам’яті комп’ютера або мережевого пристрою, наприклад, у карті мережевого інтерфейсу. На передавальному кінці воно підготовляє дані до передавання та ініціює його. На приймальному кінці це програмне забезпечення отримує дані з кабеля, підготовляє їх для сприймання комп’ютером, відкидає всю інформацію, яка додавалася наприкінці передавання. Отже, протоколи - це саме те програмне забезпечення, яке здійснює передавання даних.

Хоч кожний мережевий протокол відрізняється від інших, всі вони здатні спільно використовувати те саме фізичне (кабельне) середовище. Цей спільний метод доступу до фізичної мережі дозволяє різним протоколам співіснувати в мережевому середовищі і дозволяє при побудові мережі використовувати спільне обладнання для різних протоколів. Ця концепція відома під назвою “незалежність протоколів”, її основна особливість полягає в тому, що пристрої є сумісними на Фізичному рівні та Транспортному рівні, що дозволяє користувачу застосовувати різні протоколи в тому самому середовищі.

Існує велика кількість протоколів для передавання даних, запропонованих різними фірмами-виготівниками. Однак, якщо передавач і приймач не користуються тим самим протоколом, то вони не зрозуміють один одного. Тому запропоновані та впроваджені стандарти протоколів, пристосовані до еталонної моделі OSI. На жаль, в дійсності протоколи не повністю відповідають означенням моделі OSI. Окремі з них об’єднують суміжні рівні, інші розділяють їх або відкидають деякі з них. Звичайно, всі працездатні протоколи дозволяють осягнути однаковий результат - перенесення даних з одного місця до іншого, однак питання полягає у їх взаємній сумісності, уможливості взаємодії мереж з різними протоколами.

Ієрархія протоколів.

Еталонна модель взаємодії відкритих систем (The Open Systems Interconnection Reference Model - OSIRM) описує, як інформація із ужиткових програм в одному комп’ютері переміщається через мережеве середовище до ужиткового програмного забезпечення в іншому комп’ютері. Еталонна модель OSI є концептуальною моделлю, поділеною на сім рівнів, з яких кожен визначає окрему мережеву функцію. Тим самим модель OSI ділить завдання, пов’язані з переміщенням інформації між комп’ютерами в мережі, на сім менших, більш керованих груп. Завдання або група завдань приписані одному із семи рівнів OSI. Кожен рівень є розумно напівсамодостатнім, так що завдання, приписане до деякого рівня, може виконуватися незалежно від інших. Це забезпечує можливість модернізації розв’язань, пропонованим одним рівнем, без помітного впливу на інші рівні. Табл. 2.6 ілюструє семирівневу еталонну модель OSI.

Таблиця 2.6. Семирівнева еталонна модель OSI.

Рівень	Послуги	Мережі
Фізичний	Прозоре пересилання потоку бітів	Аналогові: виділені лінії, комутовані телефонні лінії Цифрові: DLL, SONET/SDH, ISDN LAN: Ethernet, Token Ring, FDDI…
Канальний	Виявлення/корекція помилок, мультиплексування, управління трафіком, доступ до середовищ (MAC)	LAN, FR, ATM, SNA
Мережевий	Наскрізна мережева адресація, маршрутування, комутація, мультплексування, доручення в заданій послідовності, управління потоками, управління трафіком	X.25, IP, SMDS, SNA Комутований FR, ATM, ISDN, PSTN
Транспортний	Сегментація, реасемблювання, мультиплексування, управління потоками, корекція помилок	Термінал, комп’ютер, область (домен)
Сесійний	Управління сполученнями, управління потоками, трансляція адрес
Подання	Форматування даних користувачів
Застосувань	Електронна пошта, послуги каталогів, віддалений термінал, аудіоконференції…
Абревіатури: PSTN – Public Switched Telephone Network - публічна комутована телефонна мережа; DLL – Digital Leased Lines -цифрові виділені лінії; MAC – Media Access Control – управління доступом до середовищ; FR – Frame Relay – мережа ретрансляції рамок: ATM – Asynchronous Transfer Mode – мережа з асинхронним режимом пересилання; SNA- System Network Architecture – системна мережева архітектура (IBM); X.25 – мережа з комутацією пакетів; IP- мережа з протоколом IP; SMDS- Switched Multimegabit Data Service – мережа з комутованими багатомегабітними послугами даних.

 

Даний рівень в моделі OSI в загальному випадку може комунікуватися з трьома іншими рівнями: рівнем, розташованим безпосередньо над ним, рівнем, розміщеним безпосередньо під ним, і з рівнем, відповідним даному в іншій системі. Наприклад, Канальний рівень в станції А комунікується з Мережевим рівнем станції А, Фізичним рівнем станції А і з Канальним рівнем станції Б. Рис. 2.9 ілюструє цю ситуацію.

Рис. 2.9. Комунікація рівнів моделі OSI з іншими рівнями.

Безпосередня наскрізна комунікація протоколів між джерелом та призначенням відбувається тільки на Транспортному та вищих рівнях. Інакше кажучи, програма (об’єкт) у вузлі-джерелі на цих рівнях комунікується з подібною програмою у вузлі-призначенні. Проміжні вузли не мають доступу до інформації, поміщеної на вказаних рівнях. На нижчих рівнях – Мережевому, Канальному та Фізичному протоколи взаємодіють тільки між безпосередніми сусідами на шляху пересилання інформації, а не безпосередньо між кінцевими джерелом та призначенням, які можуть бути розділені багатьма проміжними комунікаційними вузлами (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Архітектура мережі на основі еталонної моделі OSI.

На кожному рівні здійснюються певні завдання з переміщення інформації під передавача до приймача з наданням послуг вищому рівню і маскуванням від нього подробиць пропонованої послуги. Даний рівень n на одному мережевому вузлі взаємодіє з аналогічним рівнем в іншому вузлі. Правила цієї взаємодії відомі під назвою протоколу рівня n. Об’єкти, які існують у різних вузлах мережі на однаковому рівні, називають процесами однакового рангу або процесами-відповідниками (peer processes) Процеси-відповідники комунікуються між собою згідно з даним протоколом. Абстрактне поняття процесу на певному рівні є основним поняттям при побудові комунікаційних мереж, оскільки дозволяє розділити розгляд процесів у цілій мережі на декілька процесів на конкретних рівнях, менших і легших для охоплення та розуміння.

Важливо розуміти відмінності між послугами і протоколами. Послуга – це сукупність операцій, яку здійснює рівень n для рівня n+1. Послуга визначає, які операції на даному рівні підготовані для виконання в інтересах його користувачів, яле нічого не говорить про те, як виконуються ці операції. Послуга відноситься до інтерфейсу між двома рівнями, при чому нижчий рівень є надавачем, а вищий – користувачем послуги. Протокол – це система правил, яка керує форматом і значенням рамок, пакетів або повідомлень, якими здійснюється обмін між об’єктами-відповідниками на даному рівні. Протокол забезпечує виконання послуги. Один об’єкт-відповідник може довільно змінювати свій протокол, при цьому не виникає видимих змін у послугах для користувача. У цьому сенсі протокол і послуга повністю незалежні. Послуга подібна до типу даних у мовах програмування, бо тип даних визначає види операцій, які можна виконати над даними, але не уточнює, як ці операції виконуються. Протокол забезпечує виконання операції і, як такий, невидимий для користувача послуги.

Протоколи даного рівня визначають завдання для мережі, але не описують програмне забезпечення, яке виконує ці завдання. Взаємодія сусідніх рівнів за ієрархією здійснюється через інтерфейси. Інтерфейси пересилають інформацію між суміжними рівнями в одному мережевому вузлі (рис.2.11).

Рис. 2.11. Інтерфейси та протоколи в семирівневій моделі.

Система рівнів і протоколів визначає архітектуру протоколів мережі. Детальний опис архітектури повинен містити всю необхідну інформацію для написання програм, які реалізують відповідний протокол.

Необхідно усвідомити різницю між віртуальною та дійсною комунікацією і різницю між протоколами та інтерфейсами. Процеси на однакових рівнях рис. 2.7 вважають, що вони взаємодіють між собою безпосередньо (горизонтальна комунікація) згідно з протоколом відповідного рівня. Кожен із цих процесів може викликати процедуру ВислатиДоІншоїСторони або ОтриматиВідІншоїСторони, однак в дійсності ці процедури комунікуються з нижчими рівнями через інтерфейси, а не безпосередньо з відповідним процесом того самого рівня на другій стороні, як це показано на рис. 2.12.

Розглянемо приклад здійснення віртуальної комунікації між двома користувачами - Передавачем та Приймачем з використанням понять протоколів, інтерфейсів та рівнів семирівневої моделі (рис. 2.12). Нехай Передавач ініціює процес на Рівні 7, який генерує повідомлення m. Це повідомлення передається від Рівня 7 до Рівня 6 згідно із специфікацією інтерфейсу 6/7. У даному прикладі Рівень 6 здійснює певне перетворення повідомлення, наприклад, компресію тексту, а потім передає перетворене повідомлення M до Рівня 5 через інтерфейс 5/6. Припустимо, що в даному прикладі Рівень 5 не модифікує повідомлення, а лише керує перепливанням даних (наприклад, затримує передавання повідомлень вівд Рівня 5 до Рівня 6 у той час, коли Рівень 6 передає інформацію до Рівня 5). Далі, приймемо, що у нашому прикладі, так як у багатьох реальних мережах, нема обмеженна на довжину повідомлення, яке сприймається Рівнем 4, але є обмеження, вимушене Рівнем 3. Внаслідок цього Рівень 4 повинен ділити повідомлення, отримане від Рівня 5, на менші частини (пакети) M₁ та M₂ і додавати заголовок H₄ (header) на початку кожного пакету. Заголовок містить інформацію для управління, таку як номери послідовності пакетів, які створюють можливість для відновлення повідомлення M з пакетів M₁ та M₂ на Рівні 4 у станції-призначенні, якщо в процесі передавання пакетів на нижчих рівнях ії послідовність зміниться. Рівень 3 вирішує, який з вихідних каналів буде використаний для передавання, додає свої заголовки H₃ і передає дані на Рівень 2. Рівень 2 додає до даних свої заголовки H₂ та кінцівки T₂ (trailer) і так сформовані рамки передає на Рівень 1, де здійснюється їх фізичне пересилання у формі неструктурованого потоку сигналів. У станції-призначенні інформація послідовно переходить від найнижчого до найвищого рівня, перетворюючись з потоку сигналів у рамки, потім у пакети та повідомлення, при чому на відповідних рівнях видаляються певні заголовки. Жоден заголовок, встановлений на станції-джерелі рівнем, нижчим від n, не передається до рівня n на станції-призначенні.

Рис. 2.12. Дійсний перебіг інформації при здійсненні віртуальної комунікації на Рівні 7.

2.1.18. Спільні питання для протоколів на різних рівнях.

Окреслимо основні проблеми, з якими будемо неодноразово зустрічатися при розгляді різних протоколів.

Сімплексний, півдуплексний та дуплексний режими передавання. Важливо встановити принципи передавання даних. Якщо дані повинні пересилатися тільки від джерела до призначення (або багатьох призначень), то йдеться про сімплексний режим передавання (simplex). Якщо дані між двома респондентами пересилаються у двох напрямках, але неодночасно, то це півдуплексний режим передавання (half-duplex); при одночасному перенесенні даних між респондентами в обидвох напрямках йдеться про дуплексний режим (full duplex).

Пріорітети. Протокол повинен визначити, скільки логічних каналів відповідає даному зв'язку, та визначити їх пріорітети. В багатьох мережах існує не менше двох логічних каналів для кожного зв'язку - один для звичайних даних, а другий - для даних з підвищеним пріорітетом.

Контроль помилок. Це важливе питання, оскільки фізичні комунікаційні канали неідеальні.Існує багато кодів, які виявляють та коректують помилки, і у протоколі повинен бути визначений вид застосованого коду. Крім того, повинна існувати можливість повідомлення строни-джерела, які повідомлення отримані безпомилково, а які містять помилки.

Управління потоками даних. На кожному рівні може виникнути проблема узгодженння швидкостей передавача і приймача даних. Існують декілька способів вирішення цієї проблеми, однак спільним для них є використання певного зворотнього зв'язку між приймачем та передавачем інформації. Зворотня інформація передається безпосередньо або посередньо в залежності від стану приймача в даний момент часу.

Встановлення та припинення зв'язку. На кожному рівні повинен діяти механізм для встановлення зв'язку між двома процесами, які повинні взаємодіяти між собою. Якщо на однаковому рівні існує багато процесів, то для організації взаємодії між двома визначеними процесами необхідна адресація. Із механізмом встановлення зв'язку тісно пов'язаний механізм припинення зв'язку, ящо він більше непотрібний. Це може виявитися достатньо складною процедурою.

Необхідно відзначити, що будь-який рівень може діяти у двох різних режимах.

У режимі комунікації із сполученням (Connection-oriented Communication -CO)система працює як віртуальне коло і комунікація здійснюється подібно до звичайного телефонного виклику: набирання номера, очікування на встановлення сполучення, обмін повідомленнями, завершення сполучення, очікування на підтвердженя, що сполучення припинене. Режим комунікації із сполученням гарантує, що жоден пакет не буде втрачений і що всі пакети поступлять у тому самому порядку, в якому вони були вислані.

На протилежність цьому, режим комунікації без сполучення (Connectionless Communication - CL) забезпечує тільки послуги передавання данограм (datagram) подібно до поштової системи передавання листів. У цьому режимі відсутні гарантії, що пакети будуть доручені у тій самій послідовності, у якій вони були вислані. Будь-яка проміжна система допускає відкидання пакету, якщо вона має недостатньо ресурсів для його подальшого передавання (наприклад, внаслідок переповнення буферної пам’яті). У системах з режимом комунікації без сполучення вищі рівні займаються відновленням потрібної послідовності пакетів, повторним передаванням втрачених пакетів і т.п., якщо потрібний надійний потік даних. Обидва альтернативні варіанти визначені в стандартах протоколів OSI.

Мережеві послуги в режимі CL (ConnectionLess Network Service - CLNS) забезпечують вищу ефективність, оскільки для алгоритмів комплексного управління потоками потрібна деяка кількість циклів центрального процсора (CPU) в проміжних системах (раутерах). Якщо непотрібні транспортні послуги CO, то час реакції системи CLNS є значно коротший.

Мережеві послуги в режимі CO (Connection-OrientedNetwork Service - CONS) є зачно простішими для підтримки, оскільки облікуються тільки правильно доручені пакети. Заголовки пакетів в протоколах CONS є коротшими і непотріба повна адреса призначення в кожному пакеті, що приводить до коротших рядків повідомлеь. Крім того, існують мережі CO, наприклад, мережа X.25, телефонна мережа і мережа ISDN.

Фрагментація та дефрагментація повідомлень. Не всі процесори можуть приймати повідомлення довільної довжини. Тому необхідні механізми поділу довгих повідомлень на фрагменти, пересилання цих фрагментів за призначенням і відновлення повідомлень із фрагментів. Споріднена проблема виникає у зворотній ситуації, коли процесори генерують настільки короткі повідомлення, що пересилання кожного з них окремо стає неекономним. Розв'язання полягає у поєднанні декількох малих повідомлень до однієї і тієї ж станції-призначення в одне велике повідомлення, пересилання його і розділення на початкові менші повідомлення в станції-призначенні.

Впорядкованість частин повідомленя. Не всі комунікаційні канали зберігають початкову послідовність при пересиланні частин повідомлень. Тому протокол повинен містити засоби для відновлення їх правильної послідовності після отримання. Звичайно частини повідомлень нумерують, але повинен існувати механізм дій з частинами, отриманими у невірній послідовності, а також дій щодо втрачених частин.

Мультиплексування і демультиплексування. Використання окремих каналів для кожної пари процесів, які комунікуються між собою, може бути необгрунтоване або занадто дороге, тоді нижчий рівень може використати той самий канал для комунікації багатьох незалежних процесів, тобто мультиплексування. Якщо процеси мультиплексування і демільтиплексування прозорі, то такі процеси можна застосовувати на кожному рівні. Мультиплексування обов'язково застосовується на Фізичному рівні, оскільки всі дані повинні бути переслані через одну або декілька фізичних ліній.

Маршрутизація (раутінг). Якщо для передавання даних між респондентами існує декілька можливих шляхів, то необхідно здійснити вибір конкретного шляху. Часом вирішення цього завдання здійснюється багатоступенево і на двох або більшій кількості рівнів.