Информ технологии Лекции Сети 1 сем Л 06 Сети

Л 06 Сети

лекция

Тема: «Семиуровневая модель взаимодействия открытх систем»

План

Введение

  1. Физический уровень
  2. Канальный уровень
  3. Сетевой уровень
  4. Транспортный уровень
  5. Сеансовый уровень
  6. Уровень представления данных
  7. Прикладной уровень

Введение

Работа всех сетевых компонентов, как аппаратных, так и программных, регламентирует­ся протоколами. Протокол — это набор правил, реализованных в программном обеспе­чении и предназначенных для управления сетевым взаимодействием компьютеров.

Все операционные системы, предназначенные для установки на сетевых компьютерах, как серверах, так и клиентах, поддерживают множество сетевых протоколов, которые обеспечивают их подключение к современным сетям. Поэтому, наверное, не требуется доказательств важности понятия протокола, ведь, по сути, для компьютеров протокол равнозначен языку, на котором люди общаются друг с другом. Если один из собеседни­ков не знает языка другого, То беседы не получится, поэтому согласованный выбор и установка на компьютерах протоколов фактически обеспечивает им возможность пони­мать друг друга.

Какие протоколы используются для обеспечения работы сети, и начнем с описания модели, используемой для классификации и стандартизации сетевых прото­колов. Это очень важный вопрос, поскольку все выбранные вами сетевые компоненты для «понимания» друг друга должны поддерживать работу согласованного набора сетевых протоколов, а это не так-то просто обеспечить, особенно с учетом большого числа типов и марок сетевых устройств, предлагаемых на рынках.

Объединение компьютеров в сеть — очень сложная задача, и весь набор используемых для этого протоколов весьма обширен. Поэтому Международная организация по стандартизации (International Standards Organization — ISO), находящаяся в Женеве, для об­щения работы с сетевыми протоколами, понимания их функций и с целью стандартн­ей    определила    так    называемую    семиуровневую   модель    OSI   (Open    System connection — взаимодействие открытых систем).

Модель OSI — это общая модель, помогающая систематизировать взаимодействие компьютеров. Модель OSI описывает все аспекты сетевого взаимодействия компьютеров, начиная от передачи битов информации между компьютерами и кончая организацией работы сетевых приложений. Для упорядочения всей совокупности сетевых протоколов в модели OSI все они разбиты по уровням OSI, причем каждый уровень соответствует выделенному аспекту работы сети.

Уровни модели OSI показаны на Рис 1.

Первый уровень — физический — наиболее очевиден: он относится к работе компонентов оборудования. Седьмой уровень — прикладной — наиболее абстрактный: он определяет работу программного обеспечения,  с которым имеет дело обычный, рядовой пользователь сети, когда, скажем, открывает документ из общего хранилища информации или проигрывает видео через сеть

Рисунок 1.  – Модель OSI

Все остальные уровни также не стоят без дела и решают важнейшие задачи организация сетевого взаимодействия.

Физический уровень

На физическом уровне регламентируется, как через среду передачи данных, например по кабелю оптоволоконной, или беспроводной, или проводной линии связи посылаются сигналы от одного компьютера к другому. Этот уровень работает непосредственно с электрическими сигналами, представляющими состояние 0 (выключено) или 1 (включено) бита информации, передаваемого по сетевой кабельной системе. Физический уровень по своим функциям наиболее близок специалистам по электронике, занятым наладкой и установкой аппаратного обеспечения. Выбор конкретного типа сетевой карты кабеля UTP с витыми парами проводников (сети 10BaseT, 100BaseT) или коаксиального кабеля (сеть 10Base2) относится к решениям, принимаемым на физическом уровне.

Физический уровень описывает также и физическую среду, реализующую передачу данных называемую также сетевым посредником: медные провода, оптоволокно, космические линии связи и так далее. Если сеть состоит из нескольких типов посредников, определенных на физическом уровне, то каждая часть сети, использующая посредник одного типа, называется сегментом. Для связи между сегментами необходимо установить оборудование, которое позволит взаимодействовать сетевым компьютерам из различных сегментов.

На физическом уровне передаваемые данные рассматриваются как последовательность битов, в виде некоего неструктурированного потока двоичной информации. В зависимости от типа  соединения поток может быть последовательным или параллельным, а передача может быть как дуплексной, когда сетевые устройства способны одновременно и посылать и  принимать данные, так и полудуплексной, когда сетевые устройства способны в любой момент или принимать, или отсылать данные. Если сигнал ослабевает, на этом уровне он усиливается с помощью устройства, называемого повторителем.

Канальный уровень

Канальный уровень описывает, как по сети передаются структурированные группы битов называемые фреймами (иногда фреймы называют кадрами). Для фактической передачи сигнала по линии связи средства канального уровня используют средства физического уровня. Это значит, что на канальном уровне отслеживается прием и передача фреймов, выполняется (при необходимости) повторная передача фреймов, но саму работу по передаче фреймов выполняют сетевые карты, управляемые соответствующими драйверами, работающими на физическом уровне. В качестве примеров средств каналь­ного уровня можно привести методы доступа к среде передачи данных сетей Ethernet и Token Ring, каждая из которых использует собственный формат фреймов, и протоколы их приема и передачи данных по сети.

Примечание: По официальной терминологии модели OSI порцию пересыпаемых битов на канальном уровне называют «служебным блоком данных физического уровня». Но на практике этот блок обычно называется фреймом или фреймом данных.

Модель сетевого взаимодействия, предложенная комитетом IEEE 802, разделяет каналь­ный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (Logical Link Control -LLC) и управление доступом к среде передачи (Media Access Control — MAC). Подуровень MAC управляет взаимодействием со средствами нижнего физического уровня, а подуровень LLC управляет взаимодействием с верхним сетевым уровнем. Например, на подуровне MAC описывается взаимодействие компьютеров с сетями Ethernet, с сетя­ми с маркерным доступом и шинной топологией, например, ARCnet, а также с сетями Token Ring.

Протоколы, работающие на канальном уровне, должны обеспечивать по возможности безошибочную передачу по месту назначения блоков данных, пересылаемых по сетевому посреднику. Поскольку посредников, совершенно исключающих возможность искажения данных, не существует, в протоколах канального уровня предусмотрен механизм контроля ошибок и повторной передачи блоков искаженных данных. Например, в сетях Ethernet предусмотрена вероятность одновременной отправки двух блоков данных и механизм разрешения возникшего конфликта.

На канальном уровне поток битовых данных, направляемых в сетевой посредник для передачи по  сети —  перехватывается средствами  канального уровня  и собирается во фреймы. Формирование фрейма означает упаковку данных в небольшие сегменты, каждый из которых содержит адресную информацию и (иногда) запись о количестве данных во фрейме. С помощью этой информации сетевые средства могут узнать об утрате части данных.

Содержимое и структура фреймов зависит от типа сети. Поэтому, если в сети используется два протокола канального уровня (например, если сеть имеет два сегмента Ethernet и Token Ring), то для того, чтобы они могли связаться, следует использовать устройство, называемое мостом.

Поскольку  на канальном уровне биты данных передаются через сеть в порядке их поступления в канал передачи, этот же уровень отвечает за поступление битов данных по месту назначения в надлежащем порядке. Место назначения на канальном уровне определяется МАС-адресом сетевого компьютера, в качестве которого выступает уникальный числовой код, зашиваемый в каждую сетевую карту ее производителем.

МАС-адрес представляет собой 12 шестнадцатеричных цифр, например, «00 04 АС 26 SE. Поскольку такие адреса совершенно не воспринимаются человеком, для адресации компьютеров на более высоких уровнях используют другие, более понятные системы логической адресации, дополняющие средства аппаратной, или машинной адресации, использующей МАС-адреса.

Итак, по существу, протоколы канального уровня обеспечивают надежные каналы связи средствами сетевого уровня.

Сетевой уровень

Сетевой  уровень имеет дело с пакетами, т.е. с наборами битов, пересылаемых по сети, размер которых может быть как больше, так и меньше фреймов. Если размер пакета больше  размера фрейма, средства сетевого уровня разбивают пакет на фреймы и передают их средствам канального уровня для отправки через сеть; при приеме выполняется восстановление пакетов из фреймов. Если размер пакета меньше размера фрейма, на сетевом  уровне при отправке фреймы формируются из пакетов; при получении фреймы обратно разбиваются на пакеты.

В любом случае для передачи фреймов средства сетевого уровня используют средства  сетевого уровня. Таким образом, сетевой уровень занимается пересылкой пакетов компьютерами сети. Кроме того, протоколы сетевого уровня отвечают за определение наилучших маршрутов для передачи по сети данных между компьютерами. Для этого средствам сетевого уровня при инсталляции сети указывают логические сетевые адреса компьютеров, подключенных к сети. Средства сетевого уровня, зная логический адрес места назначения передаваемого пакета, способны маршрутизировать, т.е. направлять по определенному маршруту, пакеты с учетом загруженности различных сетевых сегментов.

В качестве логических сетевых адресов на сетевом уровне используются так называемые IP-адреса, которые определяются протоколами высших уровней. Эти IP-адреса названы так в честь протокола IP (Internet Protocol — Протокол Интернета), входящего в стек протоколов TCP/IP, определяющих работу Интернета. Настройка протокола TCP/IP и назначение IP — адресов для сетевых компьютеров станет вашим основным занятием при создании локальной сети.

Сетевые компьютеры должны находить друг друга в огромной сети Интернета, зная только эти IP-адреса. Поскольку маршрутизация выполняется на сетевом уровне, то наилучший путь доставки информации из одного сегмента сети к другому определяют устройства, называемые маршрутизаторами, которые работают на сетевом уровне. Вы можете оценить важность средств маршрутизации, если осознаете, что и в Интернете также применяются средства сетевого уровня, которые из огромного множества всевозможных сетевых путей от сервера Интернета до его пользователя выбирают один маршрут. Однако средства сетевого уровня не отслеживают доставку пакета по назначению и ошибки, возникающие в процессе передачи, поскольку эту работу выполняют средства транспортного уровня.

Транспортный уровень

Транспортный уровень имеет дело с сообщениями, т.е. наборами битов, передаваемых по сети, размер которых может быть больше или меньше размера пакетов. Этот уровень отвечает за передачу сообщений между компьютерами без потери данных и при необхо­димости повторно пересылает пакеты. К протоколам транспортного уровня относится упомянутый выше протокол TCP.

Протоколы транспортного уровня, в том числе TCP, отвечают за доставку данных по логическим адресам, указанным протоколами сетевого уровня, Для передачи фреймов транспортный уровень использует средства сетевого уровня. Протоколы транспортного уровня работают несколько медленнее протоколов сетевого уровня, поскольку в них содержится больший объем информации по коррекции ошибок. Коррекция ошибок используется в случае, если что-либо пойдет не так, как надо. Транспортный уровень — это последний уровень модели OSI, который поддерживается большинством сетей.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень устанавливает и поддерживает сеанс связи между приложениями, запущенными на разных компьютерах. Сеансом называется некий контекст, т.е. среда, в которой исполняется запросы клиентского компьютера к серверу. Основное назначение сеансового уровня заключается в поддержке вышестоящего уровня представления данных и прикладного уровня. Для этого на сеансовом уровне метод удаленного вызова процедур, позволяющий устанавливать  сеанс связи двух удаленных сетевых компьютеров путем передачи сообщений. Для выполнения этой задачи на сеансовом уровне имеется две функции: управления диалогом и разделения данных.

  • Управления диалогом предоставляет средства для начала сеанса связи, передачи сообщений между удаленными системами, а затем, по завершении сеанса, прерывания соединения.
  • Разделение данных выполняет вставку в сообщения указателей, которые позволяют каждому компьютеру сообщать о начале и конце сообщения.

Обе перечисленные функции одинаково важны для организации сеанса связи, поскольку гарантирует получение сообщения обеими сетевыми компьютерами, причем в полном объеме, а также отсутствии в ней посторонней информации. Само содержимое сообщения сеансовый уровень не контролирует.

Средства сеансового уровня поддерживают протоколы NetBIOS  и его расширенная версия – протокол NetBEUI. Протокол NetBIOS был предложен в качестве стандартного сетевого интерфейса  между компьютерами 1ВМ   РС и совместимыми с ними компьютерами.

Протокол NetBIOS идентифицирует сетевыми компьютерами именами NetBIOS и обеспечивает безопасность их работы. Имена NetBIOS представляют собой произвольную символьную строку длиной не более 16 символов, например, «Server-1»,  «Client-22» и так далее, т.е. протокол NetBIOS позволяет задавать осмысленные имена сетевых компьютеров, соответствующие их сетевым и машинным адресам. Несмотря на некоторые недостатки, протокол NetBIOS поддерживается всеми современными компьютерами, работающими под управлением операционных систем Windows.

Уровень представления данных

Уровень представления данных обеспечивает работу таких сетевых функций шифрование/дешифрование данных, сжатие и восстановление данных, перекодировка текстов. Протоколы уровня представления данных отвечают за понятность  компьютерам-получателям структуры данных. Слово «представление» относится к тому, как интерфейс выглядит внешне, а к методу представления данных. Для передачи зашифрованных, сжатых или перекодированных данных средства уровня представления данных используют сеансовый уровень.

Прикладной уровень

Прикладной уровень обрабатывает  запросы приложений, которым требуется сетевая связь, например, для доступа к базе данных или доставки электронной почты. Этот уровень непосредственно доступен приложениям, выполняемым на удаленных компьютерах. Уровень представления данных используется для управления связью и передачей данных.

Протоколы, работающие на прикладном уровне, значительно различаются по размеру и сложности. Некоторые предназначены для передачи огромного количества данных между сервером и клиентом, другие – для выполнения небольшого числа задач. В качестве примера можно назвать протоколы НТТР, который регламентирует чтение Веб – страничек на серверах ВЕб с помощью браузеров, или протокол FTP, с помощью которого выполняется загрузка  файлов, рассоложенных на сайтах Веб.

Как работает модель ОСИ.

Модель ОСИ позволяет облегчить понимание работы протоколов, сетевых служб и устройств, поскольку вносит в их множество определенный порядок.

 В самом деле, зачем специалисту, занятому разработкой сетевых карт, знать, как сервер Интернета обеспечивает загрузку страничек сайта Веб? А с другой стороны, зачем программисту пишущему сценарии для сайта Веб знать все нюансы и тонкости обмена данных между модемом клиентского компьютера и сервером провайдера Интернета? Для этого и существует модель ОСИ, которая подразделяет все сетевые средства на различные уровни, каждый из которых отвечает за свои задачи, и предоставляет специальные межуровневые интерфейсы, позволяющие средствам разных уровней пользоваться услугами друг друга.

С точки зрения физического уровня, все передаваемые по сети данные представляют собой набор импульсов электрических сигналов, передаваемых между электронными устройствами, подключенными к сети. А с точки зрения канального и вышестоящих уровней эти импульсы – уже некие структурированные наборы битов, несущие определенную порцию информации. На канальном уровне передаваемые по сети порции  данных называют фреймами, на сетевом уровне  — пакетами, а на транспортном сообщениями,  и каждая такая порция имеет свою структуру битов.

Все такие структурированные  порции битов состоят из двух компонентов – собственно передаваемых данных и заголовков, содержащих служебную информацию, нужную для передачи данных.

Контрольные вопросы:

  1. Что представляет собой модель OSI?
  2. Как работает модель OSI?
  3. Какие уровни составляют модель OSI?
  4. Что происходит на физическом уровне?
  5. Каким образом передаются данные на канальном уровне?
  6. С какими пакетами работает сетевой уровень?
  7. Что представляют собой сообщения на транспортном уровне?
  8. В чем заключается основное назначение сеансового уровня?