Эталонная модель взаимодействия открытых систем

 Back Оглавление

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к современным компьютерным сетям, является возможность модернизации и расширения сети, ее гибкость и надежность. Эти свойства позволяют подключение к сети новых компьютерных систем без модернизации программного обеспечения существующей сети, и обеспечивают надежную передачу сообщений через сеть. Они реализуются в так называемых открытых системах.

Открытой системой - Open Sistem Interconnect (OSI) - называют систему, которая выполняет все функции взаимодействия по обмену сообщениями в сети, сгруппированные в соответствии с эталонной моделью открытых систем. Модель разработана Международной организацией стандартов (МОС) - International Standart Organization (ISO), а саму модель сокращенно называют ЭМВОС. Модель строится применительно к методу пакетной передачи сообщений и реализуются программным обеспечением сети, размещенным в компьютерах-абонентах и специализированных сетевых устройствах.

Принципы построения открытых систем

МОС предложила все функции взаимодействия, необходимые для передачи сообщений через сеть, сгруппировать в семь уровней, расположенных один над другим. При этом каждый уровень должен выполнять определенные функции по передаче сообщений.

Для придания такой системе свойств открытости, ЭМВОС строится на основе следующих принципов:

  1. Все нижележащие уровни обеспечивают сервис для вышележащих.
  2. Между уровнями должен обеспечиваться межуровневый интерфейс - правила взаимодействия смежных уровней в одной системе.
  3. Одноименные уровни удаленных систем должны взаимодействовать в соответствии с определенным протоколом (логические взаимодействия).
  4. Соединение между системами происходит через одно физическое соединение (канал). Через это соединение взаимодействуют сетевые и прикладные процессы в удаленных системах.
  5. Колличество прикладных процессов, работа которых осуществляется в системе неограничено и обеспечивается мультиплексированием (временным сложением) на физическом уровне.
Реализация изложенных принципов построения делает систему открытой. Это означает, что при условии соблюдения межуровневых интерфейсов и правил взаимодействия одноименных уровней в удаленных системах, к сети может быть подключено неограниченное количество систем к любому межуровневому интерфейсу. Свойство открытости позволяет избежать доработок новых систем из-за иного аппаратного построения, использования иных операционных систем.

Международная организация стандартов приняла семиуровневую иерархию функций взаимодействия, обеспечивающих связь прикладных процессов, расположенных в различных системах, включенных в сеть.

Каждый из семи уровней содержит ряд функций обязательных для выполнения и представляет собой логический модуль, реализуемый программно или аппаратно.

Рис.1

ПП (Например, программа WEB) формирует запрос на удаленный WEB-сервер в виде сообщение стандартного формата. Сообщение состоит из заголовка и поля данных. Поле данных содержит информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, т.е. программе Web-серверу, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. Web-сервер формирует сообщение-ответ и направляет его на транспортный уровень. Представительный и сессионный уровни являются вспомогательными.

Длинные сообщения делятся на одинаковые части, которые снабжаются заголовком и концевиком (пакеты). Транспортный уровень приписывает логический адрес и заголовок (ТИ). Транспортные блоки - Maximum Transfer Unit (МТU) поступают на сетевой уровень, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т. д. Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передаёт его по линиям связи машине-адресату в виде последовательности битов. Когда сообщение по сети поступает на машину-адресат, оно принимается её 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 передаёт сообщение вышележащему уровню.

Предположим мы строим сеть следующего вида:

Рис.2

В соответствии с принятой моделью архитектуры взаимодействия открытых систем по одному физическому соединению может быть одновременно связано n различных систем. При этом по одному соединению может осуществляться независимое управление передачей информации между различными парами систем. Возникает иллюзия наличия в физическом соединении отдельных каналов, которые принято называть логическими.

Логический канал - это путь для передачи данных от одной системы к другой. Логический канал прокладывается по маршруту в одном или нескольких физических каналах. Логический канал можно охарактеризовать, как маршрут, проложенный через физические каналы и узлы коммутации.

Логический канал, соединяющий в информационно-вычислительной сети два информационных процесса, также называют виртуальным.

Виртуальный канал - в сети коммутации пакетов - средства, обеспечивающие передачу пакетов между двумя узлами с сохранением исходной последовательности, даже если пакеты пересылаются по различным физическим маршрутам. Виртуальное соединение устанавливается при вызове и аннулируется по окончании сеанса связи.

К этой сети можно подключить компьютер, имеющий другой тип и другую ОС, если выполнить два условия:

  1. Поддержать межуровневый интерфейс на любом протокольном уровне (поставить драйвер).
  2. Прикладной процесс должен быть одинаковым.

Функции уровней эталонной модели

Уровень 1 - физический - реализует управление каналом связи, что сводится к подключению и отключению канала связи, кодированию или модуляции сигналов, представляющих передаваемые биты данных и их передачу по каналу связи. Из-за наличия помех, воздействующих на канал, в передаваемые данные могут вноситься искажения, что снижает достоверность передачи; вероятность искажения зависит от типа используемого канала и уровня помех. Таким образом, физический уровень образует канал передачи битов.

Уровень 2 - канальный - обеспечивает надежную передачу данных через физический канал, организуемый на уровне 1. Этот уровень модели выполняет следующие функции: защиту от ошибок до величины 10-8 — 10-12 ошибок на бит, сохраняет последовательность передаваемых кадров. Реализация этих функций обеспечивает передачу через недостаточно надежный физический канал данных с достоверностью, необходимой для нормальной работы системы. Таким образом, канальный уровень образует канал передачи данных.

Уровень 3 - сетевой - обеспечивает передачу данных через СПД. Уровень является системообразующим: он объединяет отдельные каналы предачи данных, связывающие физические системы, в сеть передачи данных (СПД). На сетевом уровне выполняются функции: передача пакетов данных, маршрутизация и коммутация пакетов в соответствии с определенным маршрутом, организация логических и виртуальных каналов. Таким образом, сетевой уровень завершает формирование системы передачи данных.

Уровни 1-3 организуют сеть передачи данных как систему, обеспечивающую передачу данных между абонентами сети.

Уровень 4 - транспортный - реализует процедуры сопряжения прикладных процессов с сетью передачи данных. Транспортный уровень получает от прикладного процесса сообщение, предназначенное для передачи по сети. Сообщения делятся на транспортные блоки и передаются через СПД по сети. На приемной стороне транспортный уровень собирает полученные транспортные блоки в цельное сообщение и передает прикладному процессу-получателю. Таким образом, транспортный уровень отвечает за целостную и безошибочную передачу сообщений через сеть и подтверждает передачу квитанцией, посылаемой прикладному процессу-отправителю. Иногда это называют "передачей из конца в конец".

Уровень 5 - сеансовый - организует сеансы связи на период взаимодействия процессов. На этом уровне по запросам процессов создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения — логические каналы.

Уровень 6 - представления - осуществляет трансляцию различных языков, форматов данных и кодов для взаимодействия разнотипных ЭВМ, оснащенных специфичными операционными системами и работающих в различных кодах, между собой и с терминалами разных типов. Взаимодействие процессов, базирующихся на различных языках представления и обработки данных, организуется на основе стандартных форм представления заданий и наборов данных. Процедуры уровня представления интерпретируют стандартные сообщения применительно к конкретным системам — ЭВМ и терминалам. Этим создается возможность взаимодействия, например, одной программы с терминалами разных типов.

Уровень 7 - уровень прикладного процесса.

Три верхних уровня вместе с прикладными процессами определяют информационные процессы, выполняемые в системах. На четвертом уровне систем располагается транспортный процесс, характеризующий процедуры передачи информации от процесса-отправителя к процессу-получателю. На трех нижних уровнях осуществляется передача данных между множеством взаимодействующих систем.

Протоколы

Протокол – это правила взаимодействия одноименных уровней в удаленных системах.

Протоколы реализуются сетевым программным обеспечением и делятся на:

К сетезависимым относятся протоколы сетевого, канального и физического уровня. Их характеристики определяются средой передачи, методами кодирования и модуляции, методами защиты от ошибок.
Транспортные протоколы находятся на транспортном уровне и выполняют промежуточные функции, связанные с передачей информации между взаимодействующими системами через все расположенные между ними физические соединения и коммуникационные системы.
Сетенезависимые протоколы располагаются на прикладном, представительном и сеансовом уровнях. Их характеристики и структура не зависят от созданных и используемых в сети коммуникаций. Они определяются лишь теми задачами обработки информации, которые перед ним поставлены.

Протоколы всех уровней должны быть квазинезависимы: это необходимо для того, чтобы замена протокола на одном из уровней не требовала переделки протоколов на других уровнях.

Кроме того, необходимо, чтобы протокол каждого уровня был прозрачен для протоколов более высоких уровней, т. е. не вносил искажений в их работу. Среди семи уровней протоколов важнейшими являются те, которые расположены на прикладном уровне.

При административном управлении протоколы трех нижних уровней также обеспечивают взаимодействие ЭВМ в сети. Однако точки приложения протоколов высших уровней (4-7) здесь меняются. При основном управлении эти протоколы связывали пары ЭВМ. Однако при административном управлении эти протоколы обеспечивают взаимодействие ЭВМ, специализированной для целей административного управления сетью, со всеми остальными системами.

Основные свойства протоколов.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем требует, чтобы протоколы нижних уровней при передаче информации обеспечивали:

Требование прозрачности связано с тем, что пользователи хотят передавать информацию любого содержания, зашифрованную любыми кодами.
Обеспечение помехоустойчивости позволяет гарантировать доставку информации с уровнем ошибок, не превышающим заданным.
Независимость означает, что транспортный сервис должен быть отделен от информационных процессов, и не зависеть от структуры и характеристик последних.

К протоколам высших уровней предъявляются иные требования. Здесь требуется обеспечение независимости от:

Каждый протокол информационно-вычислительной сети характеризуется: Синтаксис определяет структуру команд и ответов, закодированных в строках либо частях передаваемых текстов.
Семантика характеризует смысловые значения запросов, действий и ответов, осуществляемых обеими сторонами, участвующими в передаче и обработке информации.
Синхронизация взаимосвязывает процессы выполнения процедур.

Протоколы в зависимости от отношений взаимодействующих систем делятся на асимметричные и симметричные. Асимметричным является тот протокол, который описывает взаимодействие неравноправных партнеров; отправителя (инициатора) и получателя, например, взаимодействие пользователя за терминалом с прикладным процессом. Если же протокол определяет взаимодействие одинаковых (в логическом смысле) партнеров, он называется симметричным, например, протоколы взаимодействия двух программ пользователей, либо двух людей-операторов, находящихся за терминалами.

Уже созданные информационно-вычислительные сети, имеют различные наборы протоколов всех уровней. Это затрудняет не только выпуск оборудования и программного обеспечения ЭВМ, предназначенных для включения в сеть, но и усложняет проблему взаимодействия сетей друг с другом. Поэтому различными международными организациями ведется разработка стандартов на протоколы всех уровней. Так, Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии разработана Рекомендация Х.25, определяющая сетевой, канальный и физический протоколы. Международными организациями, а также Европейской ассоциацией производителей вычислительной техники ведутся разработки стандартов на сеансовые и транспортные протоколы.

Значительная работа по стандартизации протоколов проведена фирмами IBM, DEC, Hewlett-Packard, Control Data и Xerox и т. д. Ими созданы стеки протоколов, работающие в доменных сетях.

Прикладные процессы

Прикладным процессом называют основной компонент системы, осуществляющий обработку информации для нужд пользователей, либо административное управление сетью.

Эти процессы являются в информационно-вычислительной сети источниками или потребителями информации. Различают следующие типы прикладных процессов:

Множество этих протоколов в эталонной модели архитектуры взаимодействия открытых систем подразделяется на пять групп: Административное управление системой распространяется на все семь уровней системы и связано в основном с активизацией и деактивизацией объектов системы, управлением диагностикой, выявлением и исправлением ошибок.
Управление выполнением программ пользователей связано с функционированием и взаимодействием этих программ и обеспечивает контроль за ходом операций, реализацию методов взаимодействия с устройствами, восстановление процесса после появления сбоев и ошибок. Функции, называемые системными задачами, осуществляют доступ программ к файлам, удаленный ввод-вывод данных, инициализацию процессов обработки информации.
К промышленным (индустриальным) применениям относятся процессы обработки данных, связанные с управлением технологическими процессами, научным экспериментом, планово-финансовой деятельностью предприятий, управлением транспортом (авиационным, железнодорожным, автомобильным) и т.д.
Специфические применения охватывают особые задачи функционирования экономики, например, получение, оформление и контроль за выполнением заказов на продукцию.

Естественно, что четкого различия между рассмотренными группами прикладных протоколов не существует. Но приведенная классификация является основой для определения протоколов, вводимых в информационно-вычислительной сети, а также стандартов, определяемых в отрасли, стране, либо в международном масштабе.

Принцип взаимодействия уровней в эталонной модели

Многоуровневая организация управления процессами в сети порождает необходимость модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Модификация выполняется по схеме, представленной на рис.1. Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя, получателя, канала, порта и т. д. Заголовок и концевик называются обрамлением сообщения (данных). Сообщение, сформированное на уровне n+1, при обработке на уровне n снабжается дополнительной информацией в виде заголовка Зn и концевика Кn. Это же сообщение, поступая на нижележащий уровень, в очередной раз снабжается дополнительной информацией — заголовком Зn-1 и концевиком Кn-1. При передаче от низших уровней к высшим сообщение освобождается от соответствующего обрамления.

Рис.3

Таким образом, каждый уровень оперирует с собственным заголовком и концевиком, а находящаяся между ними последовательность символов рассматривается как данные более высокого уровня. За счет этого обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений.

Рис.4

Снабжение сообщений обрамлением — процедура, аналогичная вложению в конверт, используемый в почтовой связи. Все данные, необходимые для передачи сообщения, указываются на конверте. При передаче этого сообщения на нижестоящий уровень оно вкладывается в новый конверт, снабженный соответствующими данными. Поступающее в систему сообщение проходит от нижних уровней к верхним. Средства управления нижнего уровня оперируют с данными, указанными в обрамлении, как с данными на конверте. При передаче сообщения на вышестоящий уровень сообщение «освобождается от конверта», в результате чего на следующем уровне обрабатывается очередной «конверт». Таким образом, каждый уровень управления оперирует не с самими сообщениями, а только с «конвертами», в которых «упакованы» сообщения. Поэтому состав сообщений, формируемых на верхних уровнях, никак не влияет на функционирование нижних уровней управления передачей.

Декомпозиция сети ЭВМ на отдельные функциональные элементы

В соответсвии с функциями уровней эталонной модели сеть ЭВМ может быть декомпозирована на функциональные подсистемы.

Рис.5

Соответствие терминов, определенных для ЭМВОС стандартом МОС, и отечественных терминов:


Data Switching Equipment (DSE) - коммутатор пакетов (КП - маршрутизатор)
Data Communication Equipment (DCE) - аппаратура коммутации данных (АКД - модем)
Data Terminal Equipment (DTE) - оборудование обработки данных (ООД)

Рис.6

Prev Предыдущий Next Следующий
Hosted by uCoz