Несмотря на то что протоколы, связанные с эталонной моделью OSI, используются сейчас очень редко, сама модель до сих пор весьма актуальна, а свойства ее уровней, которые будут обсуждаться в этом разделе, очень важны. В эталонной модели TCP/IP все наоборот - сама модель сейчас почти не используется, а ее протоколы являются самыми распространенными. Исходя из этого, мы обсудим подробности, касающиеся обеих моделей.

Эталонная модель OSI

Эталонная модель OSI (за исключением физической среды) показана на рис. 1.16. Эта модель основана на разработке Международной организации по стандарти­зации (International Organization for Standardization, ISO) и является первым ша­гом к международной стандартизации протоколов, используемых на различных уровнях (Day и Zimmerman, 1983). Затем она была пересмотрена в 1995 году (Day, 1995). Называется эта структура эталонной моделью взаимодействия от­крытых систем ISO (ISO OSI (Open System Interconnection) Reference Model), поскольку она связывает открытые системы, то есть системы, открытые для свя­зи с другими системами. Для краткости мы будем называть эту модель просто «модель OSI».

Модель OSI имеет семь уровней. Появление именно такой структуры было обусловлено следующими соображениями.

1. Уровень должен создаваться по мере необходимости отдельного уровня абстракции.

2. Каждый уровень должен выполнять строго определенную функцию.

3. Выбор функций для каждого уровня должен осуществляться с учетом создания стандартизированных международных протоколов.

4. Границы между уровнями должны выбираться так, чтобы поток данных между интерфейсами был минимальным.

5. Количество уровней должно быть достаточно большим, чтобы различные функции не объединялись в одном уровне без необходимости, но не слишком высоким, чтобы архитектура не становилась громоздкой.

Далее мы обсудим каждый уровень модели, начиная с самого нижнего. Обра­тите внимание: модель OSI не является сетевой архитектурой, поскольку она не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать каждый уровень. Тем не менее ISO также разработала стандарты для каждого уровня, хотя эти стандарты не входят в саму эталонную модель. Каждый из них был опубликован как отдельный международный стандарт.

Физический уровень

Физический уровень занимается реальной передачей необработанных битов по каналу связи. При разработке сети необходимо убедиться, что когда одна сторона передает единицу, то принимающая сторона получает также единицу, а не ноль. Принципиальными вопросами здесь являются следующие: какое напряжение должно использоваться для отображения единицы, а какое - для нуля; сколько микросекунд длится бит; может ли передача производиться одновременно в двух направлениях; как устанавливается начальная связь и как она прекращается, когда обе стороны закончили свои задачи; из какого количества проводов должен состоять кабель и какова функция каждого провода. Вопросы разработки в основном связаны с механическими, электрическими и процедурными интерфейсами, а также с физическим носителем, лежащим ниже физического уровня.

Уровень передачи данных

Основная задача уровня передачи данных - быть способным передавать «сырые» данные физического уровня по надежной линии связи, свободной от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего сетевого уровня. Уровень выполняет эту задачу при помощи разбиения входных данных на кадры, обычный размер которых колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч байт. Кадры данных передаются последовательно с обработкой кадров подтверждения, отсылаемых обратно получателем.

Еще одна проблема, возникающая на уровне передачи данных (а также и на большей части более высоких уровней), - как не допустить ситуации, когда быстрый передатчик заваливает приемник данными. Должен быть предусмотрен некий механизм регуляции, который информировал бы передатчик о наличии свободного места в буфере приемника на текущий момент. Часто подобное управление объединяется с механизмом обработки ошибок.

В широковещательных сетях существует еще одна проблема уровня передачи данных: как управлять доступом к совместно используемому каналу. Эта проблема разрешается введением специального дополнительного подуровня уровня передачи данных - подуровня доступа к носителю.

Сетевой уровень

Сетевой уровень занимается управлением операциями подсети. Важнейшим моментом здесь является определение маршрутов пересылки пакетов от источника к пункту назначения. Маршруты могут быть жестко заданы в виде таблиц и редко меняться. Кроме того, они могут задаваться в начале каждого соединения, например терминальной сессии. Наконец, они могут быть в высокой степени динамическими, то есть вычисляемыми заново для каждого пакета с учетом текущей загруженности сети.

Если в подсети одновременно присутствует слишком большое количество пакетов, то они могут закрыть дорогу друг другу, образуя заторы в узких местах. Недопущение подобной закупорки также является задачей сетевого уровня. В бо­лее общем смысле сетевой уровень занимается предоставлением определенного уровня сервиса (это касается задержек, времени передачи, вопросов синхронизации).

При путешествии пакета из одной сети в другую также может возникнуть ряд проблем. Так, способ адресации, применяемый в одной сети, может отличаться от принятого в другой. Сеть может вообще отказаться принимать пакеты из-за того, что они слишком большого размера. Также могут различаться протоколы, и т. д. Именно сетевой уровень должен разрешать все эти проблемы, позволяя объединять разнородные сети.

В широковещательных сетях проблема маршрутизации очень проста, поэтому в них сетевой уровень очень примитивный или вообще отсутствует.

Транспортный уровень

Основная функция транспортного уровня - принять данные от сеансового уровня, разбить их при необходимости на небольшие части, передать их сетевому уровню и гарантировать, что эти части в правильном виде прибудут по назначению. Кроме того, все это должно быть сделано эффективно и таким образом, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии.

Транспортный уровень также определяет тип сервиса, предоставляемого сеансовому уровню и, в конечном счете, пользователям сети. Наиболее популярной разновидностью транспортного соединения является защищенный от ошибок канал между двумя узлами, поставляющий сообщения или байты в том порядке, в каком они были отправлены. Однако транспортный уровень может предоставлять и другие типы сервисов, например пересылку отдельных сообщений без гарантии соблюдения порядка их доставки или одновременную отправку сообщения различным адресатам по принципу широковещания. Тип сервиса определяется при установке соединения. (Строго говоря, полностью защищенный от ошибок канал создать невозможно. Говорят лишь о таком канале, уровень ошибок в котором достаточно мал, чтобы ими можно было пренебречь на практике.)

Транспортный уровень является настоящим сквозным уровнем, то есть доставляющим сообщения от источника адресату. Другими словами, программа на машине-источнике поддерживает связь с подобной программой на другой машине при помощи заголовков сообщений и управляющих сообщений. На более низких уровнях для поддержки этого соединения устанавливаются соединения между всеми соседними машинами, через которые проходит маршрут сообщений.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень позволяет пользователям различных компьютеров устанавливать сеансы связи друг с другом. При этом предоставляются различные типы сервисов, среди которых управление диалогом (отслеживание очередности передачи данных), управление маркерами (предотвращение одновременного выполнения критичной операции несколькими системами) и синхронизация (установка служебных меток внутри длинных сообщений, позволяющих после устранения ошибки продолжить передачу с того места, на котором она оборвалась).

Уровень представления

В отличие от более низких уровней, задача которых - достоверная передача битов и байтов, уровень представления занимается по большей части синтаксисом и семантикой передаваемой информации. Чтобы было возможно общение компьютеров с различными представлениями данных, необходимо преобразовывать форматы данных друг в друга, передавая их по сети в неком стандартизированном виде. Уровень представления занимается этими преобразованиями, предоставляя возможность определения и изменения структур данных более высокого уровня (например, записей баз данных).

Прикладной уровень

Прикладной уровень содержит набор популярных протоколов, необходимых пользователям. Одним из наиболее распространенных является протокол передачи гипертекста HTTP (HyperText Transfer Protocol), который составляет основу технологии Всемирной Паутины. Когда браузер запрашивает веб-страницу, он передает ее имя (адрес) и рассчитывает на то, что сервер будет использовать HTTP. Сервер в ответ отсылает страницу. Другие прикладные протоколы используются для передачи файлов, электронной почты, сетевых рассылок.

Критика модели и протоколов OSI

Некоторое время назад, многим экспертам в данной области казалось, что модель OSI и ее протоколы завоюют весь мир и вытеснят все остальное. Этого не случилось. По­чему? Может быть, полезно оглянуться и учесть некоторые из уроков этой истории. Основных причин неудачи модели OSI было четыре:

Несвоевременность;

Неудачная технология;

Неудачная реализация;

Неудачная политика.

Несвоевременность

Прежде всего рассмотрим причину номер один: несвоевременность. Для успеха стандарта чрезвычайно важно, в какое время он устанавливается. У Дэвида Клар­ка (David Clark) из M.I.T. есть теория стандартов, которую он называет апокалипсисом двух слонов.

На этом рисунке изображена активность, сопровождающая любую новую разработку. Открытие новой темы вначале вызывает всплеск исследовательской активности в виде дискуссий, статей и собраний. Через некоторое время наступает спад активности, эту тему открывают для себя корпорации, и в результате в нее инвестируются миллиарды долларов.

Существенным является то, что стандарты пишутся именно в период между двумя «слонами». Если их создавать слишком рано, прежде чем закончатся исследования, предмет может оказаться еще слишком мало изучен и понят, что повлечет принятие плохих стандартов. Если создавать их слишком поздно, компании могут успеть вложить деньги в несколько отличные от стандартов технологии, так что принятые стандарты могут оказаться проигнорированными. Если интервал между двумя пиками активности будет слишком коротким (а все стремятся делать деньги как можно быстрее), разработчики стандартов могут просто не успеть их выработать.

Теперь становится ясно, почему стандартные протоколы OSI потерпели неудачу. К моменту их появления среди исследовательских университетов уже получили широкое распространение конкурирующие с ними протоколы TCP/IP. И хотя волна инвестиций еще не обрушилась на данную область, рынок университетов был достаточно широк для того, чтобы многие разработчики стали осторожно предлагать продукты, поддерживающие протоколы TCP/IP. Когда же появился OSI, разработчики не захотели поддерживать второй стек протоколов; таким образом, начальных предложений не было. Каждая компания выжидала, пока первым начнет кто-нибудь другой, поэтому OSI так никто и не стал поддерживать.

Плохая технология

Второй причиной, по которой модель OSI не была реализована, оказалось несовершенство как самой модели, так и ее протоколов. Выбор семиуровневой структуры стал больше политическим решением, чем техническим. В результате два уровня (сеансовый и уровень представления) почти пусты, тогда как два других (сетевой и передачи данных) перегружены.

Эталонная модель OSI вместе с соответствующими определениями служб и протоколами оказалась невероятно сложной. Если сложить в стопку распечатку официального описания стандартов, получится кипа бумаги высотой в один метр. Модель тяжело реализуема и неэффективна в работе.

Еще одна проблема, помимо невозможности понять стандарты OSI, заключалась в том, что некоторые функции, такие как адресация, управление потоком и обработка ошибок, повторялись снова и снова в каждом уровне. Так, например, в книге Saltzer и др. (1984) указывается, что для того, чтобы контроль за ошибками был эффективным, он должен осуществляться на самом верхнем уровне, поэтому повторение его снова и снова на каждом уровне часто оказывается излишним и неэффективным.

Неудачная реализация

Учитывая огромную сложность модели и протоколов, громоздкость и медлительность первых реализаций не стали неожиданностью. Неудачу потерпели все, кто попытался реализовать эту модель. Поэтому вскоре понятие «OSI» стало ассоциироваться с плохим качеством. И хотя со временем продукты улучшились, ассоциации остались.

Первые реализации TCP/IP, основанные на Berkley UNIX, напротив, были достаточно хороши (не говоря уже о том, что они были открытыми). Они довольно быстро вошли в употребление, что привело к появлению большого сообщества пользователей. Это вызвало исправления и улучшения реализации, в результате чего сообщество пользователей еще выросло. В данном случае обратная связь явно была положительной.

Неудачная политика

Из-за особенностей первоначальной реализации многие, особенно в университетских кругах, считали TCP/IP частью системы UNIX. А к системе UNIX в университетских кругах в 80-е годы испытывали чувства, средние между родительскими (в те времена некорректно по отношению к правам мужского населения называемые материнскими) и чувствами к яблочному пирогу.

С другой стороны, OSI считался детищем европейских телекоммуникационных министерств, Европейского сообщества и (позднее) правительства США. Все это было лишь отчасти верным, однако сама мысль о группе правительственных чиновников, пытающихся протолкнуть неудачный в техническом отношении стандарт в глотки бедных исследователей и программистов, прокладывавших компьютерные сети в траншеях, не способствовала продвижению этой модели. Кое-кто рассматривал это развитие в том же свете, что и заявления корпорации IBM, сделанные в 1960 году, о том, что PL/I будет языком будущего, или Министерства обороны, поправлявшего позднее это утверждение своим заявлением, что в действительности таким языком будет Ada.

Несмотря на все недостатки, модель OSI (кроме сеансового уровня и уровня представления) показала себя исключительно полезной для теоретических дискуссий о компьютерных сетях. Протоколы OSI, напротив, не получили широкого распространения. Для TCP/IP верно обратное: модель практически не существует, тогда как протоколы чрезвычайно популярны.

Обобщенная структура любой программной или информационной системы может быть представлена, как было отмечено выше, двумя взаимодействующими частями:

• функциональной части , включающей в себя прикладные программы, которые реализуют функции прикладной области;
• среды или системной части , обеспечивающей исполнение прикладных программ.

С таким разделением и обеспечением взаимосвязи тесно связаны две группы вопросов стандартизации:

1. стандарты интерфейсов взаимодействия прикладных программ со средой ИС, прикладной программный интерфейс (Application Program Interface - API);
2. стандарты интерфейсов взаимодействия самой ИС с внешней для нее средой (External Environment Interface - EEI).

Эти две группы интерфейсов определяют спецификации внешнего описания среды ИС - архитектуру, с точки зрения конечного пользователя, проектировщика ИС, прикладного программиста, разрабатывающего функциональные части ИС.

Спецификации внешних интерфейсов среды ИС и интерфейсов взаимодействия между компонентами самой среды - это точные описания всех необходимых функций, служб и форматов определенного интерфейса.

Совокупность таких описаний составляет эталонную модель взаимосвязи открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI) . Эта модель используется более 30 лет, она "выросла" из сетевой архитектуры SNA (System Network Architecture), предложенной компанией IBM. Модель взаимосвязи открытых систем используется в качестве основы для разработки многих стандартов ISO в области ИТ. Публикация этого стандарта подвела итог многолетней работы многих известных стандартизующих организаций и производителей телекоммуникационных средств.

В 1984 году модель получила статус международного стандарта ISO 7498, а в 1993 году вышло расширенное и дополненное издание ISO 7498-1-93. Стандарт имеет составной заголовок "Информационно-вычислительные системы - Взаимосвязь (взаимодействие) открытых систем - Эталонная модель". Краткое название - "Эталонная модель взаимосвязи (взаимодействия) открытых систем" (Open Systems Interconnection / Basic Reference Model - OSI/BRM).

Модель основана на разбиении вычислительной среды на семь уровней, взаимодействие между которыми описывается соответствующими стандартами и обеспечивает связь уровней вне зависимости от внутреннего построения уровня в каждой конкретной реализации ( рис. 2.6).

Рис. 2.6.

Основным достоинством этой модели является детальное описание связей в среде с точки зрения технических устройств и коммуникационных взаимодействий. Вместе с тем она не принимает в расчет взаимосвязь с учетом мобильности прикладного программного обеспечения.

Преимущества "слоистой" организации модели взаимодействия заключаются в том, что она обеспечивает независимую разработку уровневых стандартов, модульность разработок аппаратуры и программного обеспечения информационно-вычислительных систем и способствует тем самым техническому прогрессу в этой области.

В стандарте ISO 7498 выделено семь уровней (слоев) информационного взаимодействия, которые отделены друг от друга стандартными интерфейсами:

1. уровень приложения (прикладной уровень)
2. уровень представления
3. сеансовый (уровень сессии)
4. транспортный
5. сетевой
6. канальный
7. физический.

В соответствии с этим, информационное взаимодействие двух или более систем представляет собой совокупность информационных взаимодействий уровневых подсистем, причем каждый слой локальной информационной системы взаимодействует, как правило, с соответствующим слоем удаленной системы. Взаимодействие осуществляется при помощи соответствующих протоколов связи и интерфейсов. Кроме того, применяя методы инкапсуляции, можно использовать одни и те же программные модули на различных уровнях.

Протоколом является набор алгоритмов (правил) взаимодействия объектов одноименных уровней различных систем.

Интерфейс - это совокупность правил, в соответствии с которыми осуществляется взаимодействие с объектом данного или другого уровня. Стандартный интерфейс в некоторых спецификациях может называться услугой.

Инкапсуляция - это процесс помещения фрагментированных блоков данных одного уровня в блоки данных другого уровня.

При разбиении среды на уровни соблюдались следующие общие принципы:

• не создавать слишком много мелких разбиений, так как это усложняет описание системы взаимодействий;
• формировать уровень из легко локализуемых функций это в случае необходимости позволяет быстро перестраивать уровень и существенно изменить его протоколы для использования новых решений в области архитектуры, программно-аппаратных средств, языков программирования, сетевых структур, не изменяя при этом стандартные интерфейсы взаимодействия и доступа;
• располагать на одном уровне аналогичные функции;
• создавать отдельные уровни для выполнения таких функций, которые явно различаются по реализующим их действиям или техническим решениям;
• проводить границу между уровнями в таком месте, где описание услуг является наименьшим, а число операций взаимодействий через границу (пересечение границы) сведено к минимуму;
• проводить границу между уровнями в таком месте, где в определенный момент должен существовать соответствующий стандартный интерфейс.

Каждый уровень имеет протокольную спецификацию, т.е. набор правил, управляющих взаимодействием равноправных процессов одного и того же уровня, и перечень услуг, которые описывают стандартный интерфейс с расположенным выше уровнем. Каждый уровень использует услуги расположенного ниже уровня, каждый расположенный ниже предоставляет услуги расположенному выше. Приведем краткую характеристику каждого уровня, отметив при этом, что в некоторых описаниях модели OSI нумерация уровней может идти в обратном порядке.

Уровень 1 - уровень приложения или прикладной уровень (Application Layer). Этот уровень связан с прикладными процессами. Протоколы уровня предназначены для обеспечения доступа к ресурсам сети и программам-приложениям пользователя. На данном уровне определяется интерфейс с коммуникационной частью приложений. В качестве примера протоколов прикладного уровня можно привести протокол Telnet, который обеспечивает доступ пользователя к "хосту" (главному вычислительному устройству, одному из основных элементов в многомашинной системе или любому устройству, подключенному к сети и использующему протоколы TCP/IP) в режиме удаленного терминала.

Прикладной уровень выполняет задачу обеспечения различных форм взаимодействия прикладных процессов, расположенных в разнообразных системах информационной сети. Для этого он осуществляет следующие функции:

• описание форм и методов взаимодействия прикладных процессов;
• выполнение различных видов работ (управление заданиями, передача файлов, управление системой и т. д.);
• идентификацию пользователей (партнеров взаимодействия) по их паролям, адресам, электронным подписям;
• определение функционирующих абонентов;
• объявление о возможности доступа к новым прикладным процессам;
• определение достаточности имеющихся ресурсов;
• посылку запросов на соединение с другими прикладными процессами;
• подачу заявок представительному уровню на необходимые методы описания информации;
• выбор процедур планируемого диалога процессов;
• управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы;
• синхронизацию взаимодействия прикладных процессов;
• определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок и т. д.);
• соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных;
• согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).

Прикладной уровень часто делится на два подуровня. Верхний подуровень включает сетевые службы. Нижний - содержит стандартные сервисные элементы, поддерживающие работу сетевых служб.

Уровень 2 - уровень представления (Presentation Layer). На этом уровне информация преобразуется к такому виду, в каком это требуется для выполнения прикладных процессов. Уровень представления обеспечивает кодирование данных, выдаваемых прикладными процессами, и интерпретацию передаваемых данных. Например, выполняются алгоритмы преобразования формата представления данных для печати - ASCII или КОИ-8. Или, если для визуализации данных используется дисплей, то эти данные по заданному алгоритму формируются в виде страницы, которая выводится на экран.

Представительный уровень выполняет следующие основные функции:

• выбор образа представлений из возможных вариантов;
• изменение образа представления в заданный виртуальный образ;
• преобразование синтаксиса данных (кодов, символов) в стандартный;
• определение формата данных.

Уровень 3 - сеансовый уровень или уровень сессии (Session Layer). На данном уровне устанавливаются, обслуживаются и прекращаются сессии между представительными объектами приложений (прикладными процессами). В качестве примера протокола сеансового уровня можно рассмотреть протокол RPC (Remote Procedure Call). Как следует из названия, данный протокол предназначен для отображения результатов выполнения процедуры на удаленном хосте. В процессе выполнения этой процедуры между приложениями устанавливается сеансовое соединение. Назначением данного соединения является обслуживание запросов, которые возникают, например, при взаимодействии приложения-сервера с приложением-клиентом.

Сеансовый уровень обеспечивает взаимодействие с транспортным уровнем, координирует прием и передачу данных одного сеанса связи, содержит функции управлениями паролями, подсчета платы за использование ресурсов сети и т.д. Этот уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

• установление и завершение на сеансовом уровне соединения между партнерами;
• выполнение нормального и срочного обмена данными между прикладными процессами;
• синхронизация работы сеансовых соединений;
• извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях;
• установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки;
• прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его корректное возобновление;
• прекращение сеанса без потери данных;
• передачу особых сообщений о ходе проведения сеанса.

Уровень 4 - транспортный уровень (Transport Layer). Транспортный уровень предназначен для управления потоками сообщений и сигналов. Управление потоком является важной функцией транспортных протоколов, поскольку этот механизм позволяет надёжно обеспечивать передачу данных по сетям с разнородной структурой, при этом в описание маршрута включаются все компоненты коммуникационной системы, обеспечивающие передачу данных на всем пути от устройств отправителя до приемных устройств получателя. Управление потоком заключается в обязательном ожидании передатчиком подтверждения приема обусловленного числа сегментов приемником. Количество сегментов, которое передатчик может отправить без подтверждения их получения от приемника, называется окном.

Существует два типа протоколов транспортного уровня - сегментирующие протоколы и дейтаграммные протоколы. Сегментирующие протоколы транспортного уровня разбивают исходное сообщение на блоки данных транспортного уровня - сегменты. Основной функцией таких протоколов является обеспечение доставки этих сегментов до объекта назначения и восстановление сообщения. Дейтаграммные протоколы не сегментируют сообщение, они отправляют его одним пакетом вместе с адресной информацией. Пакет данных, который называется "дейтаграмма" (Datagram), маршрутизируется в сетях с переключением адресов или передается по локальной сети прикладной программе или пользователю.

На транспортном уровне может выполняться также согласование сетевых уровней различных несовместимых сетей через специальные шлюзы. Рассматриваемый уровень определяет адресацию абонентских систем и административных систем. Главной задачей транспортного уровня является использование виртуальных каналов, проложенных между взаимодействующими абонентскими системами и административными системами, для передачи в пакетах блоков данных. Основные функции, выполняемые транспортным уровнем:

• управление передачей блоков данных и обеспечение их целостности;
• обнаружение ошибок, их частичная ликвидация, сообщение о неисправленных ошибках;
• восстановление передачи после отказов и неисправностей;
• укрупнение либо разукрупнение блоков данных;
• предоставление приоритетов при передаче блоков;
• передача подтверждений о переданных блоках данных;
• ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.

Кроме этого, транспортный уровень может восстанавливать блоки данных, потерянные на нижних уровнях.

Уровень 5 - сетевой уровень (Network Layer). Основной задачей протоколов сетевого уровня является определение пути, который будет использован для доставки пакетов данных при работе протоколов верхних уровней (маршрутизация). Для того чтобы пакет был доставлен до какого-либо заданного хоста, этому хосту должен быть поставлен в соответствие известный передатчику сетевой адрес. Группы хостов, объединенные по территориальному принципу, образуют сети. Для упрощения задачи маршрутизации сетевой адрес хоста составляется из двух частей: адреса сети и адреса хоста. Таким образом, задача маршрутизации распадается на две - поиск сети и поиск хоста в этой сети. На сетевом уровне могут выполняться следующие функции:

• создание сетевых соединений и идентификация их портов;
• обнаружение и исправлений ошибок, возникающих при передачи через коммуникационную сеть;
• управление потоками пакетов;
• организация (упорядочение) последовательностей пакетов;
• маршрутизация и коммутация;
• сегментация и объединение пакетов;
• возврат в исходное состояние;
• выбор видов сервиса.

Уровень 6 - канальный уровень или уровень звена данных (Data Link Layer). Назначением протоколов канального уровня является обеспечение передачи данных в среде передачи по физическому носителю. В канале формируется стартовый сигнал передачи данных, организуется начало передачи, производится сама передача, проводится проверка правильности процесса, производится отключение канала при сбоях и восстановление после ликвидации неисправности, формирование сигнала на окончание передачи и перевода канала в ждущий режим.

Таким образом, канальный уровень может выполнять следующие функции:

• организацию (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификацию их портов;
• передачу блоков данных;
• обнаружение и исправление ошибок;
• управление потоками данных;
• обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

На канальном уровне данные передаются в виде блоков, которые называются кадрами. Тип используемой среды передачи и её топология во многом определяют вид кадра протокола транспортного уровня, который должен быть использован. При использовании топологии "общая шина" (Common Bus) и "один-ко-многим" (Point-to-Multipoint) средства протокола канального уровня задают физические адреса, с помощью которых будет производиться обмен данными в среде передачи и процедура доступа к этой среде. Примерами таких протоколов являются протоколы Ethernet (в соответствующей части) и HDLC. Протоколы транспортного уровня, которые предназначены для работы в среде типа "один-к-одному" (Point-to-Point), не определяют физических адресов и имеют упрощенную процедуру доступа. Примером протокола такого типа является протокол PPP.

Уровень 7 - физический уровень (Physical Layer). Протоколы физического уровня обеспечивают непосредственный доступ к среде передачи данных для протоколов канального и последующих уровней. Данные передаются с помощью протоколов данного уровня в виде последовательностей битов (для последовательных протоколов) или групп битов (для параллельных протоколов). На этом уровне определяются набор сигналов, которыми обмениваются системы, параметры этих сигналов (временные и электрические) и последовательность формирования сигналов при выполнении процедуры передачи данных.

Физический уровень выполняет следующие функции:

• устанавливает и разъединяет физические соединения;
• передает последовательность сигналов;
• "прослушивает" в нужных случаях каналы;
• выполняет идентификацию каналов;
• оповещает о появлении неисправностей и отказов.

Кроме того, на данном уровне формулируются требования к электрическим, физическим и механическим характеристикам среды передачи, передающих и соединительных устройств.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни. Указанные выше функции всех уровней можно отнести к одной из двух групп: либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями вне зависимости от устройства сети, либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети.

Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый ориентированы на приложения и практически не зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие-либо изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию.

Стандартизация интерфейсов обеспечивает полную прозрачность взаимодействия вне зависимости от того, каким образом устроены уровни в конкретных реализациях (службах) модели.

В 1978 г. ISO (International Standards Organization) выпустила на­бор спецификаций, описывающих модель взаимодействия открытых систем, т.е. систем, доступных для связи с другими системами. Это был первый шаг к международной стандартизации протоколов. Все системы могли теперь использовать одинаковые протоколы и стан­дарты для обмена информацией.

В 1984 г. ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO. Эта вер­сия стала международным стандартом. Ее спецификации использу­ют производители при разработке сетевых продуктов, ее придержи­ваются при построении сетей. Полностью модель носит название ISO OSI (Open System Interconnection Reference Model). Для краткости будем ее называть модель OSI . Модель OSI не является сетевой архи­тектурой, так как не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать каждый уровень. Важно также понимать, что эталонная модель не явля­ется чем-то реальным, таким, что обеспечивает связь. Сама по себе она не заставляет коммуникации функционировать и служит лишь для классификации. Она классифицирует то, что непосредственно работает, а именно - протоколы . Протоколом считается набор спе­цификаций, определяющих реализацию одного или нескольких уров­ней OSI. ISO разработала также стандарты для каждого уровня, хотя эти стандарты не входят в саму эталонную модель. Каждый из них был опубликован как отдельный международный стандарт.

Модель OSI имеет семь уровней . Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Появление именно семи уровней было обусловлено функциональными особен­ностями модели.

Модель OSI без физического носителя показана на рис.

Определенные сетевые функции, выполняемые на каждом уров­не, взаимодействуют только с функциями соседних уровней - вы­шестоящего и нижележащего. Например, Сеансовый уровень должен взаимодействовать только с Представительским и Транспортным уров­нями . Все эти функции подробно описаны.

Каждый уровень выполняет несколько операций при подготов­ке данных для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отделяются друг от друга границами - интерфейсами . Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уро­вень, выполняя свои функции, пользуется услугами нижележащего уровня. Самые нижние уровни - 1-й и 2-й - определяют физичес­кую среду при передаче битов данных через плату СА и кабель. Са­мые верхние уровни определяют, каким способом реализуется дос­туп приложений к услугам связи.

Задача каждого уровня − предоставление услуг вышележащему уровню, маскируя при этом детали реализации этих услуг. Каждый уровень на компьютере-отправителе работает так, как будто он напрямую связан с соответствующим уровнем на компьютере-полу­чателе. Эта виртуальная связь показана на рис. пунктирными ли­ниями. В действительности же связь осуществляется между соседни­ми уровнями одного компьютера. ПО каждого уровня реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором прото­колов.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты , переда­ваемые между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно все уровни ПО от прикладного до физического, при этом на каждом уровне к пакету добавляется форматирующая или адресная информация, необходимая для безошибочной передачи дан­ных по сети.

На принимающей стороне пакет также проходит через все уров­ни, но в обратном порядке. ПО каждого уровня анализирует инфор­мацию пакета, удаляет ту информацию, которая добавлена к пакету на таком же уровне отправителем, и передает пакет следующему уровню. По достижении пакетом Прикладного уровня вся служебная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид.

Таким образом, только Физический уровень модели может не­посредственно послать информацию соответствующему уровню дру­гого компьютера. Информация на компьютере-отправителе и ком­пьютере-получателе должна пройти все уровни, начиная с того, с которого она посылается, и заканчивая соответствующим уровнем того компьютера, которым она принимается. Например, если Сете­вой уровень передает информацию с компьютера А, она спускается через Канальный и Физический уровни в сетевой кабель, затем по­падает в компьютер В, где поднимается через Физический и Каналь­ный уровни и достигает Сетевого уровня. В среде клиент-сервер при­мером такой информации служит адрес и результат контроля ошибок, добавленные к пакету.

Взаимодействие смежных уровней осуществляется через интер­фейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень пре­доставляет верхнему, и способ доступа к ним.

Рассмотрим каждый из семи уровней модели OSI и услуги, ко­торые они предоставляют смежным уровням.

Прикладной (Application) уровень . Уровень 7. Он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Услуги, которые он обеспечивает, напрямую поддерживают приложения пользователя. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением данных после сбоев связи.

Уровень представления (Presentation) . Уровень 6. Представитель­ский уровень определяет формат, используемый для обмена данны­ми между сетевыми компьютерами. Типичный пример работы служб Представительского уровня − кодирование передаваемых данных определенным стандартным образом. Уровень представления отвечает за преобразование протоколов, трансляцию и шифрование данных, смену кодовой таблицы и расширение графических команд. Кроме того, он управляет сжатием данных для уменьшения объема переда­ваемых бит.

Сеансовый уровень (Session) . Уровень 5. Сеансовый уровень позво­ляет двум приложениям разных компьютеров устанавливать, исполь­зовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеанс может предоставлять еще и расширенный набор услуг, полезный для неко­торых приложений. Сеансовый уровень управляет диалогом между взаимодействующими процессами, устанавливая, какая из сторон, когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.

Транспортный уровень (Transport) . Уровень 4. Основная функция Транспортного уровня − принять данные от Сеансового уровня, раз­бить их при необходимости на небольшие части и передать Сетево­му уровню, гарантируя, что эти части в правильном порядке прибу­дут по назначению. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии. Транспортный уровень также следит за созданием и удалением сетевых соединений, управляет потоком со­общений, проверяет ошибки и участвует в решении задач, связан­ных с отправкой и получением пакетов. Примеры протоколов транс­портного уровня - ТСР и SРХ.

Сетевой уровень (Network) . Уровень 3. Сетевой уровень управля­ет операциями подсети. Он отвечает за адресацию сообщений и пе­ревод логических адресов и имен в физические. Сетевой уровень раз­решает также проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в дру­гую, позволяя объединять разнородные сети. Примеры протоколов сетевого уровня - IP и IPX.

Уровень передачи данных или канальный (Data Link) . Уровень 2. Основная задача Канального уровня - преобразовать способность Физического уровня передавать данные в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего Сетевого уровня. Эту задачу Канальный уровень выполняет при по­мощи разбиения входных данных на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр данных передается только после получения и обработки кадра подтвержде­ния, посылаемого обратно получателем. Кадр - это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. На рис. представлен простой кадр данных, где идентификатор отправи­теля − адрес компьютера-отправителя, а идентификатор получателя − адрес компьютера-получателя. Управляющая информация исполь­зуется для маршрутизации, указания типа пакета и сегментации. CRC (циклический код) позволяет выявить ошибки и гарантирует правильный прием информации.

Физический уровень (Physical) . Уровень 1. Физический уровень осу­ществляет передачу неструктурированного, сырого, потока бит по физической среде (например, по сетевому кабелю). На этом уровне реализуются электрический, оптический, механический и функцио­нальный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также форми­рует сигналы, которые переносят данные, поступившие ото всех вы­шележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой СА и способ передачи сигналов по сетевому кабелю. Физический уровень отвечает за кодирование данных и син­хронизацию бит, гарантируя, что переданная единица будет воспри­нята именно как единица, а не как ноль. Уровень устанавливает дли­тельность каждого бита и способ перевода в электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Эталонная модель OSI

Это описательная схема сети; ее стандарты гарантируют высокую совместимость и способность к взаимодействию различных типов сетевых технологий. Кроме того, она иллюстрирует процесс перемещения информации по сетям. Модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь через сетевую среду (например, провода) от одной прикладной программы (например, программы обработки таблиц) к другой прикладной программе, находящейся в другом подключенном к сети компьютере.

Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации между компьютерами через сетевую среду на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых подзадач. Каждая из этих семи подзадач выбрана потому, что она относительно автономна и, следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию. Такое разделение на уровни называется иерархическим представлением. Каждый уровень соответствует одной из семи подзадач...

Поскольку нижние уровни (с 1 по 3) модели OSI управляют физической доставкой сообщений по сети, их часто называют уровнями среды передачи данных (media layers). Верхние уровни (с 4 по 7) модели OSI обеспечивают точную доставку данных между компьютерами в сети, поэтому их часто называют уровнями хост-машины (host layers).

Прикладной уровень (уровень 7) - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI. Он обеспечивает услугами прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить процессы передачи речевых сигналов, базы данных, текстовые процессоры и т.д.

Этот уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные процессы, а также устанавливает и согласовывает процедуры устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Проще говоря этот уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

К числу наиболее распространенных протоколов верхних уровней относятся:

FTP - протокол переноса файлов

TFTP - упрощенный протокол переноса файлов

X.400 - электронная почта

SMTP - простой протокол почтового обмена

CMIP - общий протокол управления информацией

SNMP - простой протокол управления сетью

NFS - сетевая файловая система

FTAM - метод доступа для переноса файлов

Представительный уровень (уровень 6) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Этот уровень занят не только форматом и представлением фактических данных пользователя, но также структурами данных, которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня.

Сеансовый уровень (уровень 5) устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними.

Кроме того, предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень (уровень 4) Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть представлена как граница между протоколами высших (прикладных) уровней и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.

Транспортный уровень обеспечивает услуги по транспортировке данных, что избавляет высшие слои от необходимости вникать в ее детали. Функцией транспортного уровня является надежная транспортировка данных через сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Проще говоря транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают:

TCP - протокол управления передачей

NCP - Netware Core Protocol

SPX - упорядоченный обмен пакетами

TP4 - протокол передачи класса 4

Сетевой уровень (уровень 3) - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами.

Поскольку две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

Другими словами сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

IP - протокол Internet

IPX - протокол межсетевого обмена

X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2)

CLNP - сетевой протокол без организации соединений

Канальный уровень (уровень 2) (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде. (Он же IEEE 802.1 - задает стандарты управления сетью на MAC-уровне, включая алгоритм Spanning Tree. Этот алгоритм используется для обеспечения единственности пути (отсутствия петель) в многосвязных сетях на основе мостов и коммутаторов с возможностью его замены альтернативным путем в случае выхода из строя.)

Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают:

HDLC для последовательных соединений

IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x

Физический уровень (уровень 1) определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики установления, поддержания и разъединения физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как величины напряжений, параметры синхронизации, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

Этот уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включаютя:

Тип кабелей и разъемов

Разводку контактов в разъемах

Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня относятся:

EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические характеристики несбалансированного последовательного интерфейса.

EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и оптические характеристики сбалансированного последовательного интерфейса.

IEEE 802.3 -- Ethernet

IEEE 802.5 -- Token ring

Физической средой в различных телекоммуникационных системах могут быть самые разнообразные средства от простейшей пары проводов до сложной системы передачи синхронной цифровой иерархии.

Чтобы понять структуру и принципы функционирования сети, необходимо уяснить, что любой обмен данными в сети осуществляется от источника к получателю. Информацию, посланную в сеть, называют данными, или пакетами данных. Если один компьютер (источник) хочет послать данные другому компьютеру (получателю), то данные

сначала должны быть собраны в пакеты в процессе инкапсуляции; который перед отправкой в сеть погружает их в заголовок конкретного протокола. Этот процесс можно сравнить с подготовкой бандероли к отправке - обернуть содержимое бумагой, вложить в транспортный конверт, указать адрес отправителя и получателя, наклеить марки и бросить в почтовый ящик.

При выполнении сетями услуг пользователям, поток и вид упаковки информации изменяются.

Например..пять этапов преобразования:

1. Формирование данных. Когда пользователь посылает сообщение электронной почтой, алфавитно-цифровые символы сообщения преобразовываются в данные, которые могут перемещаться в сетевом комплексе.

2. Упаковка данных для сквозной транспортировки. Для передачи через сетевой комплекс данные соответствующим образом упаковываются. Благодаря использованию сегментов, транспортная функция гарантирует надежное соединение участвующих в обмене