Общая характеристика модели OSI

Сущность технологии открытых систем состоит в обеспечении переносимости (portability) прикладных программ между различными компьютерными платформами или устройствами телекоммуникаций при сохранении взаимодействия (interoperability) таких систем друг с другом. Технически это достигается за счет использования стандартизованных программных и аппаратных интерфейсов между компонентами (уровнями) открытых систем.

Стандартизация взаимосвязи систем охватывает три уровня описания средств информационного обмена. На первом уровне специфицируется эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), в рамках которой определяются основные понятия и общая структура взаимосвязи, описываются принципы построения системы базовых стандартов, т.е. определяются язык описания и методологические основы построения и описания стандартов ЭМВОС.

На втором уровне определяются спецификации сервиса (услуг), предоставляемого отдельными компонентами ЭМВОС, т.е. на данном уровне стандартизуются функциональные возможности уровней модели.

Третий уровень описания является наиболее детальным. На этом уровне осуществляется спецификация протоколов информационного обмена между функциональными элементами эталонной модели, определяющими правила и форматы взаимодействия элементов.

Работы по организации и стандартизации взаимодействия открытых систем постоянно ведутся как на уровне крупнейших производителей вычислительных средств и телекоммуникаций (Hewlett-Packard, IBM, Sun Microsystems и др.), так и на уровне правительственных организаций. Ведущее место в области стандартизации открытых систем принадлежит Совместному техническому комитету СТК-1 (Join Technical Committee, JTC-1) «Информационная технология» в составе ISO (International Standardization Organization), а также Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission, IEC) и Международному союзу электросвязи.

Для создания модели взаимодействия открытых систем в 1977 году Международной организацией по стандартизации был создан подкомитет по разработке стандартов в области информационных систем, в задачи которого входило решение вопросов:

· унификации описания работы отдельной системы;

· определения и унификации интерфейса для обмена информацией между системами;

· устранения технических препятствий для связи систем.

В результате проведенной работы был разработан ряд спецификаций, определяющих правила взаимодействия различных технических устройств, на основе которых в ходе совместной деятельности ряда международных организаций по стандартизации – ISO, ITU-T и некоторых других в 1984 была создана модель, известная в настоящее время как эталонная модель взаимодействия открытых систем ЭМВОС (Open System Interconnection, OSI).

Использование модели OSI в условиях наличия достаточно разнообразных аппаратно-программных решений, отдельных методов распределения и обработки информации реализует принципы системного подхода при анализе и синтезе сетей связи, который позволил бы обеспечить в будущем их развитие и адаптацию, как к новым видам обслуживания и технологиям, так и к вновь создаваемой технике. Сама же эталонная модель взаимодействия открытых систем в этой связи представляет собой достаточно общую форму описания структуры открытой информационной системы, входящих в нее компонент, а также правил и процедур взаимодействия последних в процессе выполнения системой поставленных задач.

В модели OSI (рис. 3) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

Рис. 3. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

В рамках введенной модели взаимодействия открытых систем ранее введенные понятия «сервис», «услуга», «интерфейс», «протокол» можно уточнить.

Сервисы и услуги определяют функциональность соответствующего уровня ЭМВОС и могут быть предоставлены для вышестоящих уровней модели со стороны нижестоящих уровней. В этом случае нижестоящий уровень является поставщиком услуг или служб для вышестоящего уровня.

Интерфейс определяет способ взаимодействия сущностей, принадлежащих двум смежным уровням одной открытой системы. Интерфейсы определяют правила передачи информации между уровнями и сигналы управления передачей, которые называются примитивами (primitives). В частности, в говорится о примитивах запроса, примитивах ответа и т.п. В дальнейшем, учитывая, что интерес представляют приложения ЭМВОС, будут использоваться термины «запрос», «ответ», «индикация».

Протокол отражает логику взаимодействия одноранговых (одноуровневых) сущностей при реализации ими определенного сервиса и описывает форматы данных, которыми обмениваются сущности. Каждый протокол имеет свою версию и свой идентификатор, который передается при связи между уровнями. Сущности могут принадлежать различным открытым системам.

Рис. 4. Вложенность сообщений различных уровней

Когда сообщение по сети поступает на узел-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Наряду с термином сообщение (message) существуют и другие термины, применяемые сетевыми специалистами для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определенных уровней часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment). Промежуток времени, в течение которого процесс формирует сообщение, включая необходимую для его передачи сопутствующую информацию, и выполняется взаимодействие систем, называют сеансом связи или сессией. С учетом изложенного ЭМВОС позволяет решить задачу описания множества функций, определяющих правила взаимодействия открытых систем и, как следствие, основных требований к физическим средствам соединения, не рассматривая структуру и характеристики последних.

Организация взаимодействия между абонентами (рис.3.7) начинается с момента активизации процессов, интерфейсов и протоколов прикладным уровнем, т. е. уровнем-инициатором, с поочередным вовлечением в работу всех последующих уровней, вплоть до физического уровня.

Физический уровень

Физический уровень (Physical layer), идентифицируя каналы, управляет средствами организации физического соединения обнаруживает повреждения и передает сообщение об этом средствам канального уровня. Функции этого уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети, несмотря на то, что информация, передаваемая по физической цепи на этом уровне не подвергается преобразованиям. Фактически данный уровень связан с физическим доступом к сети методом приема и передачи информации, осуществляя, например, прием данных от расположенного выше канального уровня, преобразование этих данных в электрические, оптические или радио сигналы и направление последних через среду передачи на приемный узел, обеспечивая:

· подготовку для передачи информационных сигналов как по всем более высоким уровням модели ЭМВОС, так и для межсистемного обмена в соответствии с используемой технологией передачи;

· кодирование информации и синхронизацию битовых последовательностей, гарантируя требуемую достоверность приема/передачи;

· преобразование электрического, оптического, механического и функционального интерфейсов сетевого кабеля для передачи по нему (через физическую среду) неструктурированных и несмонтированных битовых потоков.

На физическом уровне определяются спецификации на механические, электрические и иные свойства среды передачи, сигналы, оборудование, соединения, параметры кабелей и разъемов, включая разводку последних. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются как правило аппаратно во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

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 в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов. К числу других наиболее распространенных стандартов физического уровня относятся интерфейсы EIA-RS-232-C, CCITT V.24, V.28 и V.35 (механические/электрические характеристики последовательного несбалансированного интерфейса), EIA-RS-422/449, EIA-530, CCITT V.10 (механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса), High-Speed Serial Interface (HSSI), IEEE 802.3 (Ethernet) и IEEE 802.5 (Token ring).

Канальный уровень

Канальный уровень (Data Link Layer) определяет правила доступа к физической среде и управляет передачей информации по каналу, осуществляя формирование сигнала о начале передачи и организуя начало и собственно передачу информации с созданием сигнала окончания передачи и последующим переводом канала в пассивное состояние. В процессе передачи выполняется проверка принимаемой информации и исправление возникающих ошибок, отключение канала при возникновении неисправности, а также формирование сообщений о возникновении неустранимых ошибок для вышестоящего уровня с восстановлением передачи по окончании ремонта техники. В ряде случаев данный уровень осуществляет слежение за скоростью обмена и окончанием информационных блоков, а также управляет физической цепью при ее мультиплексорном использовании.

На физическом уровне просто пересылаются биты и при этом не учитывается, что физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другая задача канального уровня – реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, 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. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием информационных блоков, преобразуя последовательность битовых потоков в наборы битов, называемые кадрами данных, обслуживая запросы сетевого уровня и используя для передачи и приема кадров сервис физического уровня. Первоначально этот уровень был создан как функционально единый уровень, решающий задачи:

• при передаче — собственно передачи кадра данных с сетевого уровня на физический уровень и обеспечения безошибочной передачи по физическому уровню кадров с одной системы на другую;

• при приеме — перераспределения несмонтированных битов из физического уровня в кадры для более высоких уровней.

Функции канального уровня, как правило, реализуются программно-аппаратно.

Со временем возникла необходимость разделения канального уровня на два подуровня – уровень управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и уровень управления доступом к физической среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC работает с физическими адресами, которые называются МАС-адресами. В сетях Ethernet и Token Ring МАС-адреса представляют собой шестнадцатиричные числа, записанные в микросхему сетевого адаптера. МАС-адрес сети Ethernet (иногда его называют адресом Ethernet) – это 12 шестнадцатиричных цифр, каждая пара из которых отделена двоеточием. Эти 12 шестнадцатеричных цифр представляют двоичное число длиной 48 бит (или 6 байт). Первые три байта содержат код производителя, присвоенный организацией IEEE. Последние три байта присваиваются производителем. МАС-адрес, или физический адрес, иногда называют адресом устройства. Он отличается от логического адреса,т.е. IP-адреса в сети ТСР/IР тем, что его нельзя изменить. Логический адрес присваивается программным обеспечением, изменить его очень просто. Оба адреса служат для идентификации компьютера в сети.

На подуровне LLC определяется логическая топология сети. Она может не совпадать с физической топологией. Подуровень LLC отвечает за связь (или интерфейс) между подуровнем MAC и расположенным выше сетевым уровнем, преобразуя биты и байты, полученные с уровня MAC, в формат, требуемый сетевым устройствам.

В локальных сетях протоколы канального уровня поддерживаются мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов. В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся "общая шина", "кольцо" и "звезда", а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В территориально-распределенных сетях, т.е. сетях уровня WAN, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка-точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы канального уровня PPP и LAP-B, ответственные за доставку кадра непосредственному узлу-соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня. Именно так организованы сети X.25. Таким образом, когда в сетях уровня WAN функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, то они объединяются с функциями сетевого уровня в одном и том же протоколе. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.

На канальном уровне используются такие протоколы, как широко известный для последовательных соединений протокол ISO High-level DataLink Conrol (HDLC), протоколы ITU-T Link Access Procedures Balanced (LAPB), Link Access Procedures on the D-channel (LAPD) и Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services (LAPF), протоколы IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II), обеспечивающий MAC для сред локальных сетей 802.Х, а также протоколы Ethernet, Token ring, FDDI, X.25 и FR.

В целом канальный уровень представляет весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети, допуская в ряде случаев работу поверх него непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения протоколов сетевого и транспортного уровней. Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня недостаточно. Для этого следует использовать в рамках модели OSI следующие два уровня модели — сетевой и транспортный.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать различные технологии передачи и обладать произвольной топологией. В общем случае функции данного уровня шире, так как он решает еще и задачи создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями, отвечает за деление абонентов на группы и маршрутизацию на транспортной сети. В последнем случае в его функции входит формирование физических и виртуальных каналов, а также дейтаграмм, обеспечивая распределение маршрутов передачи информации и правильную сборку сообщений из сетевых единиц. На этом уровне сетевой единицей является пакет, а для его доставки используется понятие «номер сети». При пакетной передаче сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов между несколькими сетями на основе преобразования МАС-адресов в сетевые адреса и прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень, осуществляя:

• адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические адреса;

• установление маршрута от исходящего устройства до устройства назначения, определяя, какой путь передачи данных следует избрать, основываясь на особенностях сети, приоритетности данной услуги и некоторых других факторах;

• решение проблем графика в сети, включая переключение пакетов, маршрутизацию и контроль перегрузки линии передачи данных.

На сетевом уровне сам термин "сеть" наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии. Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от слова hop — прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

На рис. 5 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегает два маршрута: первый — через маршрутизаторы 1 и 3, а второй — через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Рис. 5. Пример составной сети

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь — не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может с течением времени изменяться. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, таким как надежность передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень также решает задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части — номера сети и младшей — номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину "сеть" на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное, определение: сеть – это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне определяется несколько типов протоколов. Первый тип – сетевые протоколы (routed protocols), которые реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой тип протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Маршрутизаторы поддерживают динамические протоколы маршрутизации. В некоторых операционных системах (например, в Windows 2000) протоколы динамической маршрутизации можно использовать на компьютере, выполняющем функции маршрутизатора. Наибольшее распространение в IP технологии получили протоколы динамической маршрутизации RIP (Routing Information Protocol) версий 1 или 2 и OSPF (Open Shortest Path First). В технологии IPX используется протокол динамической маршрутизации NLSP (NetWare Link Service Protocol). Он работает аналогично протоколу OSPF.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов – Address Resolution Protocol (ARP). Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют сути. Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия – Internet Protocol (IP) стека TCP/IP, процедуры контроля вызова ISDN Х.25 (частично этот протокол реализован на канальном уровне), протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell, сетевой протокол без организации соединений ISO Connectionless Network Protocol (CLNP) и др.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: