Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана Bauman National Library

Понятие открытой системы. Модель OSI. Стеки протоколов

Информационный обмен — процесс многофункциональный. Родственные функции группируются по назначению и эти группы называют «уровнями взаимодействия». Унификация уровней позволяет создавать гетерогенные сети со сложной топологией. В основе унификации — понятие эталонной сетевой модели. Модель как таковая лишь описывает порядок сетевого взаимодействия, который реализуется в виде стека протоколов.

Обмен информацией между компьютерами, объединенными в сеть, очень сложная задача. Это связано с тем, что существует много производителей аппаратных и программных средств вычислительных систем. Единственный выход — унифицировать средства сопряжения систем, а именно использовать открытые системы. Открытая система взаимодействует с другими системами на основе единых общедоступных стандартов и спецификаций.

В 1984г. Международная Организация по Стандартизации (ISO) представила индустриальный стандарт — модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection Reference Model — OSI/RM, в советской литературе — ЭМВОС ), чтобы помочь поставщикам создавать совместимые сетевые аппаратные и программные средства. В соответствии с этой моделью выделяются следующие уровни (рис.1):

Рис. 1. Эталонная модель OSI

• физический (Physical);
• канальный (Data Link);
• сетевой (Network);
• транспортный (Transport);
• сеансовый (Session);
• представительский (Presentation) ;
• прикладной (Application).

В соответствии с эталонной моделью OSI эти уровни взаимодействуют так, как показано на рис. 2. Таким образом, сложная задача обмена информацией между компьютерами в сети разбивается на ряд относительно независимых и менее сложных подзадач взаимодействия между смежными уровнями.

Рис. 2. Взаимодействие между уровнями OSI

Связь между уровнями двух сетевых узлов (горизонтальное взаимодействие) выполняется в соответствии с унифицированными правилами — протоколами взаимодействия

В автономной системе передача данных между уровнями (вертикальное взимодействие) реализуется через интерфейсы API

Границу между сеансовым и транспортным уровнями можно рассматривать как границу между протоколами прикладного уровня и протоколами низших уровней. Если прикладной, представительный и сеансовый уровни обеспечивают прикладные процессы сеанса взаимодействия, то четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.

Два самых низших уровня — физический и канальный — реализуются аппаратными и программными средствами, остальные пять более высоких уровней реализуются, как правило, программными средствами.

При передаче информации от прикладного процесса в сеть на физический уровень происходит ее обработка, которая заключается в разбиении передаваемых данных на отдельные блоки, преобразовании формы представления или кодировки данных в блоке и добавлении к каждому блоку заголовка (header) соответствующего уровня (см. пример). Каждый заголовок характеризует используемый протокол обработки данных, причем каждый уровень воспринимает в качестве данных весь блок, полученный от предыдущего уровня, включая присоединенный заголовок. Такое построение эталонной модели позволяет заложить (инкапсулировать) в каждый передаваемый по физической среде информационный блок сведения, необходимые для выбора последовательности протоколов для осуществления обратных преобразований на принимающей информацию стороне.

Физический уровень

Этот уровень определяет механические, электрические, процедурные и функциональные характеристики установления, поддержания и размыкания физического соединения между конечными системами. Физический уровень определяет такие характеристики соединения, как уровни напряжений, синхронизацию и физическую скорость передачи данных, максимальные расстояния передачи, конструктивные параметры разъемов и другие аналогичные характеристики. Известные стандарты RS-232-C, V.24 и IEEE 802.3 (Ethernet).

Канальный уровень

Канальный уровень (уровень звена данных, информационно-канальный уровень) отвечает за надежную передачу данных через физический канал, а именно:

• обеспечивает физическую адресацию (в отличие от сетевой или логической адресации);
• обеспечивает обнаружение ошибок в передаче и восстановление данных;
• отслеживает топологию сети и обеспечивает дисциплину использования сетевого канала конечной системой;
• обеспечивает уведомление о неисправностях;
• обеспечивает упорядоченную доставку блоков данных и управление потоком информации.

Для ЛВС канальный уровень разбивается на два подуровня:

• LLC (Logical Link Control) — обеспечивает управление логическим звеном, т.е. собственно функции канального уровня;
• MAC (Media Access Control) — обеспечивает специальные методы доступа к среде распространения.

Сетевой уровень

Этот уровень обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным подсетям (сегментам), которые могут быть разделены множеством подсетей и могут находиться в разных географических пунктах. Протоколы маршрутизации позволяют сети из маршрутизаторов выбирать оптимальные маршруты через связанные между собой подсети.

Транспортный уровень

Транспортный уровень обеспечивает высшим уровням услуги по транспортировке данных, а именно:

• обеспечивает надежную транспортировку данных через объединенную сеть;
• обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов;
• обеспечивает обнаружение и устранение неисправностей транспортировки;
• следит за тем, чтобы конечная система не была перегружена слишком большим количеством данных.

Другими словами, транспортный уровень обеспечивает интерфейс между процессами и сетью, устанавливает логические каналы между процессами и обеспечивает передачу по этим каналам информационных блоков. Эти логические каналы называются транспортными.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень реализует установление, поддержку и завершение сеанса взаимодействия между прикладными процессами абонентов. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня , определяет точки синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче файлов. Этот уровень также позволяет производить обмен данными в режиме, заданном прикладной программой, или предоставляет возможность выбора режима обмена.

Кроме основной функции управления диалогом сеансовый уровень предоставляет средства для выбора класса услуг и уведомления об исключительных ситуациях (проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней).

Представительный уровень

Представительный уровень (уровень представления данных) определяет синтаксис, форматы и структуры представления передаваемых данных (но не затрагивает семантику, значение данных). Для того, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой на прикладном уровне другой системы, представительный уровень осуществляет трансляцию между известными форматами представления информации за счет использования унифицированного формата представления информации.

Таким образом, этот уровень обеспечивает служебные операции, выбираемые на прикладном уровне, для интерпретации передаваемых и получаемых данных: управление информационным обменом, отображение данных и управление структурированными данными. Эти служебные данные позволяют связывать воедино терминалы и вычислительные средства различных типов. Примером протокола этого уровня является XDR.

Прикладной уровень

В отличие от других уровней прикладной уровень — самый близкий к пользователю уровень OSI — не предоставляет услуги другим уровням OSI, однако он обеспечивает прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI.

Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя (СУБД, текстовых процессоров, программ банковских терминалов и т.д. ) и управление взаимодействием этих программ с сетью передачи данных:

• идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи;
• синхронизирует совместно работающие прикладные программы;
• устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации;
• определяет достаточность наличных ресурсов для предполагаемой связи.

Модель OSI не является реализацией, она лишь предлагает порядок организации взаимодействия между компонентами системы. Реализациями этих правил являются стеки протоколов.

Пример переноса данных в IP-сети

На примере IP-сети (рис. 2) покажем перенос данных оконечной станции А локальной вычислительной сети (подсети) Ethernet в оконечную станцию В сети (подсети) АТМ. Как видно из рисунка в эту составную сеть еще входит сеть (подсеть) Frame Relay. В основу приведенного упрощенного описания положен пример межсетевого взаимодействия сетей Ethernet и АТМ, приведенный в работе [3] . Дополнительно в эту составную сеть введена сеть (подсеть) Frame Relay. Принцип маршрутизации и краткое описание протоколов маршрутизации в сети Интернет приведены в следующей главе. Для того, чтобы технология TCP/IP могла решать задачу объединения сетей, ей необходима собственная глобальная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях. Таким адресом является IP-адрес, состоящий из адреса подсети (префикса) и адреса оконечного устройства (хоста). Приведем пример адресации подсети и хоста. IP-адрес 200.15.45.126/25 означает, что 25 старших бит из выделенных 4-х байт под адресацию являются адресом подсети, а оставшиеся 7 бит означают адрес хоста в этой сети.

Как видно из предыдущих глав, глобальные сети Frame Relay и АТМ имеют различные системы нумерации, которые отличаются от системы нумерации локальной вычислительной сети (ЛВС) технологии Ethernet. Каждый компьютер Ethernet имеет уникальный физический адрес, состоящий из 48 бит. Этот адрес называется МАС-адресом и относится к канальному уровню — управлению доступом к среде MAC (Media Access Control). Для организации межсетевого взаимодействия подсетей различной технологии и адресации используются маршрутизаторы, включающие IP-пакеты. В состав этих пакетов входят глобальные IP-адреса. Каждый интерфейс маршрутизатора IP-сети и оконечного устройства включает два адреса – локальный адрес оконечного устройства подсети и IP-адрес.

Рассмотрим продвижение IP-пакета в сети (рис. 2).

1. Пользователь компьютера А сети Ethernet, имеющий IP-адрес (IP-адрес 1), обращается по протоколу передачи файла FTP к компьютеру В, подключенному к сети АТМ и имеющий IP-адрес (IP-адрес 6).
2. Компьютер А формирует кадр Ethernet для отправки IP-пакета. По таблице маршрутизации в компьютере А на основании IP-адресов А и В определятся маршрутизатор М1 и входящий интерфейс для передачи этого IP-пакета. При этом становится известен IP-адрес интерфейса маршрутизатора М1(IP-адрес 2).
3. Компьютер А отправляет по сети Ethernet IP-пакет, инкапсулированный в кадр Ethernet и включающий следующие поля (рис. 3).

Форматы протоколов TCP/IP

Формат IP протокола

Существуют два формата для IP адресов IP протокола.

Формат IPv4. Это 32-битовое двоичное число. Удобная форма записи IP-адреса (IPv4) это запись в виде четырёх групп десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Например: 193.178.0.1.

Формат IPv6. Это 128-битовое двоичное число. Как правило, адреса формата IPv6 записываются в виде уже восьми групп. В каждой группе по четыре шестнадцатеричные цифры разделенные двоеточием. Пример адреса IPv6 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7889.

Стек протоколов, снова канальный уровень

О канальном уровне модели TCP/IP мы рассказали меньше всего, давайте вернемся еще раз к началу, чтобы рассмотреть инкапсуляцию протоколов и, что значит «стек».

Большинству пользователей знаком протокол Ethernet. В сети, по стандарту Ethernet, устройства отправителя и адресата имеют определенный MAC-адрес — идентификатор «железа». MAC-адрес инкапсулируется в Ethernet вместе с типом передаваемых данных и самими данными. Фрагмент данных, составленных в соответствии с Ethernet называется фреймом или кадром (frame).

MAC-адрес каждого устройства уникален и двух «железок» с одинаковым адресом не должно существовать, хотя порой такое случается, что приводит к сетевым проблемам. Таким образом, при получении сетевой адаптер занимается извлечением полученной информации из кадра и ее дальнейшей обработкой.

После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.

На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.

Преобразование IP-адресов в символьные адреса

Технология активно используется для назначения буквенно-цифровых названий веб-ресурсов. При вводе домена в адресной строке браузера сначала происходит обращение к специальному серверу DNS. Он всегда прослушивает порт 53 у всех компьютеров, которые подключены к интернету, и по запросу преобразует введенное название в стандартный IP-адрес.

После определения точного местонахождения файлов сайта включается обычная схема работы – от прикладного уровня с кодированием данных до обращения к физическому оборудованию на уровне сетевых интерфейсов. Процесс называется инкапсуляцией информации. На принимающей стороне происходит обратная процедура – декапсуляция.

Уровни протоколов TCP/IP.

Сетевые протоколы обычно разрабатываются по уровням, где каждый уровень отвечает за собственную фазу коммуникаций и состоит из четырех уровней:
1. Канальный уровень: драйвер устройства и интерфейсная плата;
2. Сетевой уровень: IP, ICMP, IGMP;
3. Транспортный уровень: TCP,UDP;
4. Прикладной уровень: Telnet, FTP, e-mail и т.д.

Каждый уровень несет собственную функциональную нагрузку.

1.Канальный уровень.

Канальный уровень (link layer). Еще его называют уровнем сетевого интефейса. Обычно включает в себя драйвер устройства в операционной системе и соответствующую сетевую интерфейсную плату в компьютере. Вместе они обеспечивают аппаратную поддержку физического соединения с сетью (с кабелем или с другой используемой средой передачи).

2.Сетевой уровень.

Сетевой уровень (network layer) , иногда называемый уровнем межсетевого взаимодействия, отвечает за передачу пакетов по сети. Маршрутизация пакетов осуществляется именно на этом уровне. IP (Internet Protocol — протокол Internet), ICMP (Internet Control Message Protocol — протокол управления сообщениями Internet) и IGMP (Internet Group Management Protocol — протокол управления группами Internet) обеспечивают сетевой уровень в семействе протоколов TCP/IP.

IP это основной протокол сетевого уровня. Он используется как TCP, так и UDP. Каждый блок информации TCP и UDP, который передается по объединенным сетям, проходит через IP уровень в каждой конечной системе и в каждом промежуточном маршрутизаторе.
ICMP является дополнением к протоколу IP. Он используется IP уровнем для обмена сообщениями об ошибках и другой жизненно важной информацией уровня IP.Несмотря на то, что ICMP используется в основном IP уровнем, приложения также могут получить доступ к ICMP
Протокол управления группами Internet IGMP — Internet Groupe Management Protocol, используется при групповой адресации: при этом UDP датаграммы рассылаются нескольким получателям.
Протокол определения адреса ARP — Address Resolution Protocol и обратный протокол определения адреса (RARP — Reverse Address Resolution Protocol) это специализированные протоколы, используемые только с определенным типом сетевых интерфейсов (такие как Ethernet и Token ring). Они применяются для преобразования формата адресов, используемого IP уровнем в формат адресов, используемый сетевым интерфейсом.

3.Транспортный уровень.

Транспортный уровень (transport layer) отвечает за передачу потока данных между двумя компьютерами и обеспечивает работу прикладного уровня, который находится выше.
В семействе протоколов TCP/IP существует два транспортных протокола: TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol).
TCP осуществляет надежную передачу данных между двумя компьютерами. Он обеспечивает деление данных, передающихся от одного приложения к другому, на пакеты подходящего для сетевого уровня размера, подтверждение принятых пакетов, установку тайм-аутов, в течение которых должно прийти подтверждение на пакет, и так далее. Так как надежность передачи данных гарантируется на транспортном уровне, на прикладном уровне эти детали игнорируются.
UDP предоставляет более простой сервис для прикладного уровня. Он просто отсылает пакеты, которые называются датаграммами (datagram) от одного компьютера к другому. При этом нет никакой гарантии, что датаграмма дойдет до пункта назначения. За надежность передачи данных, при использовании датаграмм отвечает прикладной уровень. Для каждого транспортного протокола существуют различные приложения, которые их используют.

4.Прикладной уровень.

Прикладной уровень (application layer) определяет детали каждого конкретного приложения. Существует несколько распространенных приложений TCP/IP, которые присутствуют практически в каждой реализации:

Telnet — удаленный терминал;
FTP (File Transfer Protocol) — протокол передачи файлов;
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — простой протокол передачи электронной почты;
SNMP (Simple Network Management Protocol) — простой протокол управления сетью.

Маршрутизатор, по определению, имеет два или несколько интерфейсов сетевого уровня (если он объединяет две или более сетей). Любая система с несколькими интерфейсами называется многоинтерфейсной (multihomed). Компьютер, имеющий несколько интерфейсов, но не перенаправляющий пакеты с одного интерфейса на другой, не может называться маршрутизатором. Большинство реализаций TCP/IP позволяют компьютерам с несколькими интерфейсами функционировать в качестве маршрутизаторов. Однако компьютеры должны быть специально сконфигурированы, чтобы решать задачи маршрутизации. Таким образом, мы можем называть систему хостом, когда на нем работают такие приложения как FTP или Telnet, или маршрутизатором, когда он осуществляет передачу пакетов из одной сети в другую. В зависимости от того какие функции выполняются компьютером, мы будем использовать тот или иной термин.

Одна из основных задач объединения сетей заключается в том, чтобы скрыть все детали физического процесса передачи информации между приложениями, находящимися в разных сетях. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в объединенных сетях, как, например, на рисунке 1.3, прикладные уровни не заботятся (и не должны заботиться) о том, что один компьютер находится в сети Ethernet, а другой в сети Token ring с маршрутизатором между ними. Даже если бы между сетями было 20 маршрутизаторов и различные типы физического соединения, приложения работали бы точно так же. Подобная концепция, при которой детали физического объединения сетей скрыты от приложений, определяет мощность и гибкость такой технологии объединения сетей.

Существует еще один метод объединения сетей — с помощью мостов (bridge). В этом случае сети объединяются на канальном уровне, тогда как маршрутизаторы объединяют сети на сетевом уровне.
Стоит отметить, что объединение TCP/IP сетей осуществляется в основном с помощью маршрутизаторов, а не с помощью мостов.

Перевод книги f»Richard_stevens__tcp_ip_illustrated», краткое изложение.

Протоколы динамической маршрутизации

Протоколы динамической маршрутизации — это еще один тип протоколов маршрутизации, которые имеют решающее значение для современных сетей корпоративного уровня. Протоколы динамической маршрутизации позволяют маршрутизаторам автоматически добавлять информацию в свои таблицы маршрутизации от подключенных маршрутизаторов. С помощью этих протоколов маршрутизаторы отправляют обновления топологии всякий раз, когда меняется топологическая структура сети. Это означает, что пользователю не нужно беспокоиться о том, чтобы постоянно обновлять сетевые пути..

Одним из основных преимуществ динамических протоколов маршрутизации является то, что они уменьшают необходимость управления конфигурациями. Недостатком является то, что это происходит за счет выделения ресурсов, таких как ЦП и пропускная способность, чтобы они работали на постоянной основе. OSPF, EIGRP и RIP считаются протоколами динамической маршрутизации..