9. Протоколы (Лекции по дисциплине "Управляющие ЭВМ и комплексы")

9. ПротоколыСеть – это соединение различного оборудования, а значит, проблема совместимости его компонентов является одной из наиболее острых.Международная организация по стандартизации OSI разработала стандартную 7-уровневуюмодель, в соответствии с которой сеть представляется как распределенная информационно-вычислительная среда, реализуемая большим числом разнообразных аппаратных и программных средств.При организация их взаимодействия используется универсальный прием – декомпозиция: разбиение сложной задачи на несколько более простых задач-модулей (рис. 1), четкое определение функцийкаждого модуля и интерфейсов между ними, что позволяет модифицировать отдельные модули безизменения остальной части системы.Модули нижнего уровня решают задачи, связанные с надежной передачей электрического сигнала между двумя соседними узлами, на более высоком уровне – организуют транспортировку данных в пределах всей сети и т.д.

При этом должны быть приняты соглашения для всех уровней.Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которымиобмениваются сетевые компоненты, находящиеся на одном уровне, но в разных узлах, называют протоколом.Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила называют интерфейсом.Средства каждого уровня должны отрабатывать свой собственный протокол, а также интерфейсы с соседними уровнями. На практике, установление соединения означает вход в протокол.Протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно.

На нижних уровнях оничасто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а на верхних – как правило, чисто программными средствами – компонентами сетевой ОС.Принцип взаимодействия двух компьютеров (КОМП) в рамкахвышеприведенной сетевой модели (семиуровневой)Взаимодействие КОМПов в сети начинается с того, что приложение (программа пользователя)одного КОМПа (пусть это будет левый узел) обращается к прикладному уровню другого КОМПа,например, к файловой системе. Приложение первого КОМПа формирует с помощью ОС сообщениестандартного формата, состоящее из заголовка и поля данных.

Заголовок содержит служебную ИНФ,которую необходимо передать через сеть прикладному уровню другого КОМПа, чтобы сообщить ему,какую работу необходимо выполнить (например, о размере файла и где он находится). Кроме этого взаголовке имеется ИНФ для следующего нижнего уровня, чтобы он «знал», что делать с этим сообщением.В поле данных находится ИНФ, которую необходимо поместить в найденный файл. Сформировав сообщение, прикладной уровень направляет его вниз представительному уровню. Прочитав заголовок, представительный уровень выполняет требуемые действия над сообщением и добавляет к сообщению собственную служебную ИНФ – заголовок представительного уровня, в котором содержатсяуказания для протоколов представительного уровня второго КОМПа.

Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который, в свою очередь, добавляет свой заголовок и т.д.При достижении сообщением нижнего, физического уровня, у него имеется множество заголовков, добавленных на каждом предыдущем уровне (сообщение вложено внутрь, как в матрешку). В таком виде оно и передается по сети (рис.

1).Второй КОМП (в правом узле) принимает его на физическом уровне и последовательно перемещает его вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своегоуровня, выполняя соответствующие этому уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передаетсообщение дальше вышележащему уровню.Отметим, что сообщение может оканчиваться также некоторой служебной ИНФ – «концевиком»(например, дополнительными контрольными разрядами).Как видно из рис. 1, ИНФ, передающаяся в линию связи содержит большое количество служебных заголовков, которые по величине могут превосходить даже собственно данные. В результате взаимодействия протоколов всех уровней и их единому стандарту на прикладном уровне второго КОМПаполучаются данные, переданные первым КОМПом.1Процесс ВПроцесс АСообщениеСообщениеУзел 1Узел 2СообщенияПрикладнойуровеньЭти уровни мало зависятот технических особенностейпостроения сети.Реализуютсяпрограммно - компонентамисетевойоперационной системы777676Сеансовыйуровень5765476547654ТранспортныйуровеньСетезависимые уровни – в наибольшейстепени отражают спецификулокальных сетей.Реализуются аппаратно-программноСетевойуровеньКанальныйуровеньДелится на два подуровня:- логической передачи данных (LLC);- управления доступом к среде (МАС)ФизическийуровеньИнтерфейсыПротоколыПредставительныйуровень767656754567445673TCP / UDPПакеты3Кадры23Покадровая синхронизация(пакеты, поступающие от протоколов верхних уровней, оформляются в кадры)7Биты1IP3654322345672Побитовая синхронизация, т.к.

на этом уровне единицей информации является бит765432112345671Сообщение7Полезнаяинформация654321Служебная информация - заголовкиУправление физическим каналом: пересылка битов в соответствии с принятым способомдоступа к СПД; учет механического/электрического соединения с СПД.Реализуется аппаратно - сетевыми устройствами (в частности, сетевым адаптером).Рис. 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI (протоколы и интерфейсы)2Модель OSI является так называемой открытой системой, т.е.

она имеет опубликованные, общедоступные спецификации и стандарты, принятые в результате достижения согласия многих разработчиков и пользователей. Она доступна всем разработчикам и для ее использования не требуется получения специальных лицензий. Если две сети построены с соблюдением правил открытости то у нихесть возможность использования аппаратных и программных средств разных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта, такие сети легко сопрягаются друг с другом, просты в освоении и обслуживании.Ярким примером открытой системы является глобальная компьютерная сеть Интернет. Эта сетьразвивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке стандартов Интернет принимали и принимают участие тысячи специалистов и пользователей этойсети из различных университетов, научных организаций и фирм-производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения из разных стран.Рассмотрим более подробно уровни этой модели1.

Физический уровень (physical layer): управление физическим каналом; передача битов информации по физическим каналам связи; такими каналами могут быть, например, коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель; описывает СПД, физические характеристики и принцип передачи.Осуществляется пересылка битов в соответствии с принятым способом доступа к СПД; на этом уровнестандартизируются характеристики электрических сигналов, уровни напряжения и тока, тип кодировкиИНФ, скорость передачи сигналов, а также типы разъемов и назначение каждого контакта, т.е. учитываются механические и электрические соединения с СПД.Реализуется аппаратно сетевыми устройствами (в частности, сетевым адаптером).2.

Канальный (Data Link layer): управление информационным каналом; обеспечивает надежнуюпередачу данных через физический канал. Канальный уровень оперирует блоками данных, называемыхкадрами. Основной задачей канального уровня является прием кадра из сети и отправка его в сеть. Привыполнении этой задачи канальный уровень осуществляет физическую адресацию передаваемых сообщений, контролирует соблюдение правил использования физического канала, выявляет неисправности,управляет потоками информации. Описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (т.е.

специальные последовательности бит, определяющих начало иконец пакета данных); передача данных по физическому адресу сети и доступ к СПД; добавление информации для проверки ошибок и подготовки данных для их передачи по СПД; “упаковка” пакетов вкадры (frame), приемлемые для данной СПД.Следует отметить, что протоколы канального уровня зависят от структуры связей между КОМПами и способов их адресации.

Кадр может быть доставлен по сети к другому КОМПу только в томслучае, если протокол соответствует той топологии, для которой он был разработан. К таким топологиям относятся указанные выше топологии общая шина, кольцо и звезда.Реализуются сетевыми адаптерами и их драйверами.Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня - LLC и MAC.Для реализации протоколов канального уровня используется специальное оборудование: концентраторы, мосты, коммутаторы.Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются протоколы Ethernet,Token Ring, FDDI, 100 VG – AnyLAN, для глобальных – PPP, SLIP, LAP-B, LAP- D.3. Сетевой (Network layer) – управление сетью: изначально этот уровень разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую.

Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число — уникальный IP-номер протокола. Управление логическим каналом передачи данных всети (адресация и маршрутизация данных, коммутация каналов, сообщений, пакетов и т.д.); образование единой транспортной системы из нескольких сетей; формирование своих IP-пакетов.Сетевой уровень служит для образования единой системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут быть различной топологии, использовать совершенно различные принципысообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой.

Сети соединяются междусобой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.3Маршрутизатор – это устройство, которое собирает данные о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты информации из одной сети в другую. Последовательностьмаршрутизаторов, через которые проходит пакет, называется маршрутом, а выбор маршрута называется маршрутизацией. Маршрутизация является главной задачей сетевого уровня.На сетевом уровне действуют три протокола: сетевой протокол - для определения правил передачи пакетов от конечных узлов к маршрутизаторам и между маршрутизаторами; протокол маршрутизации - для сбора информации о топологии сети; протокол разрешения адресов - для отображения адреса узла, используемого на сетевом уровне в локальный адрес сети.(ARP -адрес).Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/ IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.Реализуется программными модулями ОС, а также программными и аппаратными средствамимаршрутизаторов.4.