Технические средства локальной вычислительной сети

1.2 Технические средства локальной вычислительной сети

1.2.1 Модели взаимодействия открытых систем OSI

Модель взаимодействия открытых систем – OSI (Open System Interconnect) модель, является дальнейшей детализацией процессов взаимодействия прикладных программ в открытых системах. В OSI модели достаточно сложная задача разработки единого интерфейса между взаимодействующими компьютерами разбита на семь более простых. В каждом компьютере передаваемые данные проходят семь уровней преобразований, образующих стек интерфейсов и протоколов взаимодействия, как показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - OSI модель взаимодействия открытых систем

Многоуровневая обработка передаваемых данных в компьютерах объясняется существенными отличиями понятий, которыми оперируют прикладные программы и сетевые устройства. Так, например, прикладная программа оперирует текстовыми документами, таблицами и схемами, а передающие и принимающие сетевые устройства воспринимают их только в виде логических нулей и единиц, которые к тому же в среде передачи данных могут быть представлены электрическими, оптическими или радио сигналами. Следующей проблемой является адресация передаваемых данных. Если передающее устройство воспринимает только физические адреса доступных ему устройств, то прикладная программа должна указать какие данные, какой программы, какого компьютера такой-то подсети такой-то сети нужно передать.

Семь уровней OSI модели могут быть разделены на две категории: верхние и нижние уровни.

Верхние уровни – прикладной, представлений и сеансовый, уровни приложений, взаимодействуют с прикладной программой и могут быть реализованы только программным способом. Прикладной уровень работает непосредственно с прикладной программой, которая должна иметь в своем составе специальный компонент для взаимодействия с приложениями других систем.

Нижние уровни модели называются уровнями передачи данных. Реализация физического и канального уровней обеспечивается программными средствами и специальной сетевой аппаратурой. При этом физический уровень является ответственным за непосредственную передачу данных между устройствами.

В модели OSI на рисунке 1.3 стрелками показано вертикальное и горизонтальное перемещение данных во взаимодействующих системах. Вертикальные стрелки обозначают передачу данных от одного уровня к другому внутри одной системы. Проходя вниз по уровням модели, данные преобразуются в формат, воспринимаемый физическим уровнем, передаются в другую систему, в которой проходят обратный путь снизу вверх. Каждый уровень модели предоставляет свои услуги смежному верхнему уровню и пользуется услугами смежного нижнего уровня.

Несмотря на то, что в процессе передачи данных каждый уровень обслуживает запросы смежного верхнего уровня, основной его задачей является подготовка информации для одноименного уровня в другой системе. Горизонтальные стрелки в модели OSI означают, что хоть одноименные уровни непосредственно не обмениваются данными, но подготавливаемая каждым уровнем информация предназначена и будет воспринята только аналогичным уровнем другой системы.

Процесс преобразования данных при их передаче между уровнями модели проиллюстрирован на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Процесс обмена данными в модели OSI

Порция передаваемой между уровнями OSI модели данных состоит из заголовка и непосредственно данных. Заголовок содержит служебную информацию соответствующего уровня модели.

Предположим, что прикладной программе компьютера А нужно передать данные или запрос на получение данных некоторой программе компьютера В. Смысловое значение передаваемых прикладной программой данных, данные это, запрос или что-то ещё, понятно только прикладной программе, которой оно адресовано. Для уровней OSI модели это просто порция информации. Прикладная программа запрашивает сервис прикладного уровня компьютера А и передает ему данные. Прикладной уровень компьютера А добавляет к полученным данным свой заголовок со служебной информацией, которая является смысловой только для прикладного уровня модели компьютера В, и передает их на уровень представлений. Уровень представлений, в свою очередь, добавляет к полученным данным свой заголовок и передает его на следующий нижележащий уровень. Таким образом, каждый раз увеличиваясь в объеме на величину добавляемого заголовка, данные доходят до физического уровня и передаются в другой компьютер. При этом передаваемые данные содержат вложенные заголовки всех уровней модели.

В компьютере В происходит обратный процесс. Физический уровень компьютера В передает полученные данные на канальный уровень, который отделяет заголовок, выполняет предписанные в нем действия и передает оставшиеся данные на сетевой уровень. Сетевой уровень отделяет от полученных данных предназначенный ему заголовок, выполняет необходимые действия и передает оставшиеся данные на верхний уровень и так далее. Прикладной уровень компьютера В передает данные прикладной программе, которой они адресованы.

Эталонная модель определяет функции уровней обмена следующим образом.

Физический уровень отвечает за подключение к среде передачи данных и определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные спецификации активизации и поддержания функционирования канала обмена между взаимодействующими системами. Спецификации физического уровня также определяют характеристики среды передачи данных. Такими характеристиками могут быть уровни напряжений и временные параметры сигналов, частотные характеристики, типы кабелей и разъемов, максимальные расстояния между устройствами и другие.

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных через физический канал. В его функции входит формирование, прием и передача кадров данных, получаемых от сетевого и физического уровней. Спецификации канального уровня определяют различные характеристики сети и протокола обмена, включая физическую адресацию устройств, топологию сети, уведомление об ошибках, последовательность передаваемых кадров данных, загрузку каналов обмена.

Сетевой уровень определяет сетевые адреса компьютеров источника и приемника информации, которые отличаются от их физических адресов. Поскольку этот уровень имеет дело с логической организацией информационной сети, маршрутизаторы могут использовать его для определения направления передачи данных.

Транспортный уровень является ответственным за то, чтобы данные не содержали ошибок, а кадры были переданы в соответствующей последовательности. Если в данных обнаруживается ошибка, то они должны быть переданы повторно.

Транспортный уровень также управляет потоком обмена и следит, чтобы передающее устройство не посылало данных больше, чем может обработать приемное. Этот уровень выполняет функции мультиплексирования, то есть обеспечение приема данных от разных приложений и их отправку по одной физической линии связи. Этот же уровень отвечает за организацию и поддержание виртуальных сетей.

Сеансовый уровень управляет началом и окончанием сеансов обмена данными. Он обеспечивает формирование запросов на передачу данных и ответных действий между приложениями, работающими в разных сетях, то есть осуществляет синхронизацию процессов передачи и приема данных в передающем и принимающем компьютерах.

Представительный уровень обеспечивает возможность обмена данными между приложениями, использующими различные методы кодирования, форматы и структуры данных, то есть отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой прикладным уровнем другой системы. Например, приложения могут использовать разные форматы графических изображений – GIF и JPEG. При наличии подобных различий представительный уровень осуществляет перекодирование, трансляцию, переформатирование данных и другие необходимые операции.

Прикладной уровень определяет возможность осуществления обмена данными между приложениями компьютеров и, если такая возможность есть, инициирует действия нижних уровней модели. Получив от соответствующего компонента приложения запрос на обслуживание, прикладной уровень определяет наличие в сети партнера, возможность установления с ним связи и достаточность ресурсов для реализации обмена. Напрямую взаимодействуя с приложениями, прикладные уровни синхронизируют их работу в рамках обмена данными.

Модель OSI описывает концепцию организации информационной связи компьютеров, но не конкретный способ обмена данными. Реальная последовательность действий компьютеров определяется используемыми протоколами обмена. В рассматриваемом контексте протокол определяется как набор правил и соглашений, предписывающих компьютерам последовательность действий для осуществления обмена через среду передачи данных.