Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Информационный обмен в распределенных системах имеет два принципиальных аспекта:

· данные должны быть переданы от одного конкретного оконечного устройства (абонента) сети к другому, также определенному, оконечному устройству;

· принятые данные должны быть верными и распознаваемыми оконечным устройством в синтаксическом и семантическом отношениях.

Поскольку в информационном обмене участвуют, по крайней мере, три объекта (два конечных устройства и сеть), то необходимы соглашения, определяющие правила их взаимодействия, и соглашения о представлении информации на всех этапах ее передачи. Свод этих правил фиксируется в описаниях протокола и интерфейса. Процедуры их реализующие являются модулями сетевых операционных систем.

Первые сетевые операционные системы представляли собой монолитные программные конструкции, крайне сложно модифицируемые и, как правило, не способные к взаимодействию с аналогичными системами других производителей. Очевидно, что такая индивидуализация правил преобразования и передачи информации была вредна и сдерживала развитие сетевой индустрии.

Совершенствование технологии разработки и последующей модификации программного кода сетевых операционных систем, а также обеспечение их совместимости, потребовали создания общепринятой модели взаимодействия сетевых приложений. Анализ процессов взаимодействия самых разных сетевых приложений выявил большое число однотипных операций, правила выполнения которых можно было сделать универсальными, а сами эти операции – объединить по функциональному признаку в определенные группы (модули). Выстроив эти модули в соответствии с последовательностью выполняемых ими изменений формы представления информации при ее преобразовании от сообщения до физического сигнала и обратно, получим некоторую иерархически упорядоченную структурную модель. Дополнив ее правилами обмена информацией между модулями одного уровнями, но принадлежащих разным сетевым устройствам, участвующим в передаче данных между конечными терминалами, получим модель взаимодействия сетевых приложений.

Конечно, любая иерархия всегда условна и подвержена критике. Вместе с тем, выделение относительно небольшого числа стадий преобразования информации, необходимых для описания ее передачи между взаимодействующими приложениями, является достаточно естественным принципом построения иерархии сетевых процедур. В целом, из всей совокупности задач информационного обмена вполне естественно выделяются задачи доставки данных, в решении которых участвуют конечные станции и сеть, и задачи распознавания и представления данных, которые решаются только на конечных узлах. Соответственно этому, в любой модели взаимодействия сетевых систем выделяются группа сетевых и группа прикладных уровней.

Внутри указанных групп, руководствуясь тем же принципом (изменение формы представления информации) оказалось возможным провести более тонкую классификацию процедур и их группировку. Выбор конкретного числа таких подгрупп (уровней, этапов преобразования информации) определяется обычными соображениями инженерного компромисса, при следующих ограничениях:

· взаимодействие уровней через их границы должно быть минимизировано;

· каждый уровень не должен быть слишком сложным для реализации;

· число уровней не должно быть слишком большим, чтобы их интеграция не стала чрезмерно сложной.

Ясно, что независимые команды разработчиков строили оригинальные уровневые модели информационного обмена в компьютерных сетях. Например Architecture, в широко используемом стеке протоколов TCP/IP определены четыре уровня, а в сетевой операционной системе корпорации IBM (Systems Network Architecture, SNA) таких уровней семь. Реализация сетевых операционных систем на базе разных моделей приводила к несовместимости соответствующих телекоммуникационных систем и сдерживало развитие отрасли. Относительно удачная попытка нормализовать модель сетевого обмена была предпринята в конце 70-х годов ХХ века.

В 1983 году Международной организацией по стандартизации (МОС, International Standards Organization, ISO) и Международным консультативным комитетом по телекоммуникациям (МККТ, International Telecommunications Union, ITU) была принята эталонная модель взаимодействия открытых систем (модель ВОС, Open Systems Interconnection, OSI). Весь процесс взаимодействия сетевых приложений модель ВОС описывает в формате правил обмена сообщениями между семью парами одноуровневых программных объектов, выполняющихся на взаимодействующих узлах. Эти правила и являются уровневыми протоколами. Основными атрибутами протокола являются;

· синтаксис – описание формата блока данных протокола;

· семантика – описание управляющей информации, необходимой для координации уровнего обмена и обнаружения ошибок.

Хотя протокол уровня N описывает взаимодействие двух равноуровневых сущностей, модель не допускает их непосредственного общения, что является отражением реальности, - взаимодействие между сетевыми устройствами осуществляются только посредством физических сигналов, представляющих элементы битового потока.

Процесс информационного обмена в модели ВОС разбит на семь относительно простых этапов и описывается по принципу «вход-выход». Правила передачи данных от верхнего (N -го) к нижележащему (N-1) уровню составляют описание интерфейса. Модель не содержит ограничений на способы реализации протоколов и интерфейсов (это дело разработчиков).

В модели ВОС собственно передача данных между сетевыми узлами обеспечивается тремя нижними уровнями, поэтому соответствующие им протоколы и интерфейсы должны поддерживаться на каждом сетевом устройстве. Три верхних уровня осуществляют интерпретацию данных, т.е. решают задачи преобразования формы представления информации, связанные с особенностями конечных систем, а не с сетью передачи данных; еще один уровень (транспортный) играет исключительно важную роль обеспечения надежности связи верхних уровней конечных систем. Все эти четыре уровня реализуются только на конечных станциях.

На рис.2.1 схематически представлена модель ВОС, обеспечивающая обмен информацией между приложениями, которые выполняются на разных сетевых компьютерах. Благодаря наличию прикладного слоя модели, представленного тремя верхними на рис. 2.1. уровнями, приложения хостов А и Б в своем взаимодействии «не замечают» наличия между ними коммуникационной среды сколь угодно сложной топологии.

Уровень приложений включает в себя процедуры, предоставляющие определенный сервис конечному пользователю (доступ к информационным ресурсам Интернет, электронная почта, доступ к файлам). Приложение использует услугу этого уровня для формирования «правильного» запроса к требуемому сервису. Блок данных протокола – сообщение, адресуемое другому узлу. Например, при обращении к файловому сервису уровень приложений сформирует сообщение, содержащее адрес и имя требуемого файла, информацию о действии, которое надо выполнить с ним (копировать, записать и т.д.), и информацию, которую надо добавить в файл; кроме этого, соответствующий протокол этого уровня обеспечит проверку прав пользователя в отношении требуемой операции. Типичными примерами протоколов уровня приложений являются http, ftp, smtp.

Уровень представлений определяет преобразование конкретного (машинно-зависимого) синтаксиса сообщения приложения А в абстрактный синтаксис данных и далее в определенный синтаксис передачи, а также согласует выбор последнего с одноуровневым модулем на другом узле. Функции этого уровня хорошо иллюстрируются функциями переводчиков между субъектами, ведущими диалог на разных языках, например на французском и русском, при условии, что единственным общим языком переводчиков является английский. Тогда, французский и русский языки – это локальные машинно-зависимые синтаксисы, английский – синтаксис передачи; при этом должен существовать еще один синтаксис, посредством которого будет согласовано применение обеими переводчиками английского языка для взаимного общения (абстрактный синтаксис). Еще одной, часто реализуемой задачей на этом уровне является шифрование данных (протокол Secure Sockets Layer, SSL, например, выполняет именно эту задачу). Информационной единицей на этом уровне остается сообщение.

Сеансовый уровень объединяет процедуры, повышающие надежность обмена. В частности, он обеспечивает выбор требуемого режима связи (дуплексный или полудуплексный) между приложениями и последующее его поддержание. В этот уровень также включаются средства расстановки в передаваемом сообщении некоторых контрольных точек, по достижении которых выполняется фиксация состояния процесса передачи-приема; эта информация в случае кратковременного разрыва соединения используется для возобновления выполнения задачи из последнего зафиксированного состояния.

Транспортный уровень управляет связью приложений «из конца в конец», экранируя приложение от всех особенностей коммуникационной инфраструктуры. На транспортном уровне выполняется адресация приложений, фрагментация сообщений на блоки, размер которых учитывает возможности сети. Здесь же может решаться задача оптимизации использования сетевых ресурсов посредством мультиплексирования потоков сегментов сообщений разных приложений в единый сетевой канал. Вместе с этим, отвечая требованиям приложения, транспортный уровень может организовать несколько сетевых соединений для его обслуживания.

Транспортный уровень над сетью с коммутацией пакетов может организовать два режима передачи данных – с предварительным установлением соединения и без такового. Первый из них обеспечивает сервис виртуального канала (безошибочная доставка данных и управление скоростью передачи). Второй обеспечивает сервис ненадежной доставки (без восстановления потерянных и испорченных сегментов). Такой сервис используется, главным образом, для передачи отдельных коротких сообщений, а задачи транспортного уровня в этом случае сокращаются до корректной адресации приложений. До недавнего времени транспортные протоколы с установлением соединения являлись доминирующими. Однако, развитие высокоскоростных технологий компьютерных сетей, базирующихся на средах передачи с очень низким уровнем ошибок, развитие сетевых мультимедийных сервисов, приводят к расширению использования транспортных протоколов передачи без предварительного установления соединения.

Уровни «сетевой» группы обеспечивают «прозрачность» общения транспортных уровней взаимодействующих конечных устройств при любом, сколь угодно сложном, маршруте между ними. Функции трех нижних уровней реализуются во всех узлах коммутации сети. Верхним в этом блоке модели является уровень межсетевого взаимодействия, который предоставляет услугу связи вышестоящему транспортному уровню. Протокол этого уровня решает задачи логической адресации компьютеров, логической группировки их в адресуемые сети, выбора маршрута между хостами, расположенных в разных сетях и, при необходимости, сегментации блоков данных транспортного протокола. Информационной единицей межсетевого протокола является пакет. На сетевом уровне также реализуются некоторые функции обнаружения ошибок, а при реализации в сети служб, ориентированных на соединение, и функции создания виртуального канала. На сетевом уровне могут быть также реализованы механизмы предупреждения перегрузок коммутирующих устройствах и механизмы обеспечения заданных параметров качества обслуживания (пропускная способность, задержка передачи, уровень ошибок).

Под сетевым уровнем находится уровень канала передачи данных, который предоставляет услугу безошибочной передачи блоков данных (кадров) между непосредственно связанными сетевыми устройствами. Содержание этой услуги различается для каналов глобальных и локальных сетей. В глобальных сетях главной заботой канальных протоколов является обеспечение безошибочной передачи данных по линиям, связывающим два взаимодействующих узла; стандартом такой процедуры является протокол HDLC – High-level Data Link Control protocol. В локальной сети, как правило, имеется высоконадежная физическая линия связи, совместно используемая конечными станциями. Поэтому главной задачей канального протокола является не обнаружение и исправление ошибок (они маловероятны) а управление доступом станций к этому общему ресурсу.

Физический уровень решает задачу формирования из кадров канального уровня определенной битовой последовательности { }, преобразование ее в физические сигналы S(t), передачу их через среду, соединяющую взаимодействующие сетевые устройства, и обратное преобразование S(t) в последовательность битов { }. Последовательность { }, вообще говоря, может отличаться от исходной последовательности { } в силу свойств физического канала и воздействия помехи на сигнал S(t). Физической средой передачи могут быть медный коаксиальный или многопроводный кабель, волоконно-оптический кабель, радиоканал и т.д. Процедуры преобразования { }® S(t) и S(t) ® { } реализуются модемами или цифровыми контроллерами сопряжения, которые в совокупности с физической средой передачи образуют дискретный канал связи (рис.2.2).

Помехозащищенность дискретного канала определяется только потенциальной помехоустойчивостью используемых методов кодирования и модуляции. Физический уровень в модели OSI освобожден от решения задачи обнаружения и исправления искаженных битов. Им определяются характеристики физических сигналов, типы разъемов и т.п. Он также выполняет диагностику определенного класса неисправностей (обрыв провода, отключение питания, потеря контакта и т.п.). Информация об этих неисправностях передается приложениям мониторинга состояния канала для принятия мер, устраняющих последствия нарушений, и канальному уровню для организации повторной передачи кадра.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: