2- Модель OSI (1086238), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Данные приложения

Данные приложения

Заголовок транспортного уровня

Данные приложения

Заголовок транспортного уровня

Заголовок сетевого уровня

Данные приложения

Заголовок транспортного уровня

Заголовок сетевого уровня

Трейлер канального уровня

Заголовок канального уровня

Рис. 5. Двигаясь по стеку протоколов вниз, данные «обрастают» заголовками и трейлерами

Физический уровень

На самом нижнем уровне модели OSI — физическом (physical) — оп­ределяются характеристики элементов оборудования сети — сетевая среда, способ установки, тип сигналов, используемых для передачи по сети двоичных данных. Кроме того, на физическом уровне опре­деляется, какой тип сетевого адаптера нужно установить на каждом компьютере и какой использовать концентратор (если это нужно). На физическом уровне мы имеем дело с медным или оптоволоконным кабелем или с каким-либо беспроводным соединением. В ЛВС спе­цификации физического уровня напрямую связаны с используемым в сети протоколом канального уровня. Выбрав протокол канального уровня, Вы должны использовать одну из спецификаций физическо­го уровня, поддерживаемую этим протоколом.

Например, протокол канального уровня Ethernet поддерживает несколько различных вариантов физического уровня — один из двух типов коаксиального кабеля, любой кабель типа «витая пара» или оптоволоконный кабель. Параметры каждого из этих вариантов фор­мируются из многочисленных сведений о требованиях физического уровня, например, к типу кабеля и разъемов, допустимой длине кабе­лей, числу концентраторов и др. Соблюдение этих требований необ­ходимо для нормальной работы протоколов. Например, в чересчур длинном кабеле система Ethernet может не заметить коллизию паке­тов, а если система не в состоянии обнаружить ошибки, она не может и исправить их, результат — потеря данных.

Стандартом протокола канального уровня определяются не все аспекты физического уровня. Некоторые из них определяются от­дельно. Одна из наиболее часто используемых спецификаций физи­ческого уровня описана в документе «Commercial Building Telecommunications Cabling Standard», известном как EIA/TIA 568А. Он опуб­ликован совместно Американским национальным институтом стан­дартов (American National Standards Institute, ANSI), Ассоциацией от­раслей электронной промышленности (Electronics Industry Association, EIA) и Ассоциацией промышленности средств связи (Telecommunications Industry Association, TIA). В этот документ включено подробное описание кабелей для сетей передачи данных в промышленных усло­виях, в том числе минимальное расстояние от источников электро­магнитных помех и другие правила прокладки кабеля. Сегодня про­кладку кабеля в больших сетях чаще всего поручают специализиро­ванным фирмам. Нанятый подрядчик должен быть хорошо знаком с EIA/TIA 568A и другими подобными документами, а также с прави­лами эксплуатации зданий в городе.

Другой коммуникационный элемент, определяемый на физичес­ком уровне, — тип сигнала для передачи данных по сетевой среде. Для кабелей с медной основой таким сигналом является электричес­кий заряд, для оптоволоконного кабеля — световой импульс. В сете­вых средах других типов могут использоваться радиоволны, инфра­красные импульсы и другие сигналы. Помимо природы сигналов, на физическом уровне устанавливается схема их передачи, т. е. комби­нация электрических зарядов или световых импульсов, используемая для кодирования двоичной информации, которая сгенерирована вы­шестоящими уровнями. В системах Ethernet применяется схема пе­редачи сигналов, известная как манчестерская кодировка (Manchester encoding), а в системах Token Ring используется дифференциальная манчестерская (Differential Manchester) схема.

Канальный уровень

Протокол канального (data-link) уровня обеспечивает обмен инфор­мацией между аппаратной частью включенного в сеть компьютера и сетевым ПО. Он подготавливает для отправки в сеть данные, пере­данные ему протоколом сетевого уровня, и передает на сетевой уро­вень данные, полученные системой из сети.

При проектировании и создании ЛВС используемый протокол ка­нального уровня — самый важный фактор для выбора оборудования и способа его установки. Для реализации протокола канального уровня необходимо следующее аппаратное и программное обеспечение:

• адаптеры сетевого интерфейса (если адаптер представляет собой отдельное устройство, подключаемое к шине, его называют пла­той сетевого интерфейса или просто сетевой платой);

• драйверы сетевого адаптера;

• сетевые кабели (или другая сетевая среда) и вспомогательное со­единительное оборудование;

• сетевые концентраторы (в некоторых случаях).

Как сетевые адаптеры, так и концентраторы разрабатываются для определенных протоколов канального уровня. Некоторые сетевые кабели также приспособлены для конкретных протоколов, но есть и кабели, подходящие для разных протоколов.

Безусловно, сегодня (как и всегда) самый популярный протокол канального уровня — Ethernet. Далеко отстал от него Token Ring, за которым следуют другие протоколы, например, FDDI (Fiber Dist­ributed Data Interface). В спецификацию протокола канального уров­ня обычно включаются три основных элемента:

• формат кадра (т. е. заголовок и трейлер, добавляемые к данным сетевого уровня перед передачей в сеть);

• механизм контроля доступа к сетевой среде;

• одна или несколько спецификаций физического уровня, приме­няемые с данным протоколом.

Далее три этих компонента обсуждаются подробнее.

Формат кадра

Протокол канального уровня добавляет к данным, полученным от протокола сетевого уровня, заголовок и трейлер, превращая их в кадр (frame) (рис. 6.). Если снова прибегнуть к аналогии с почтой, заго­ловок и трейлер — это конверт для отправки письма. В них содержат­ся адреса системы-отправителя и системы-получателя пакета. Для протоколов ЛВС, подобных Ethernet и Token Ring, эти адреса пред­ставляют собой 6-байтные шестнадцатеричные строки, присвоенные сетевым адаптерам на заводе-изготовителе. Они, в отличие от адре­сов, используемых на других уровнях модели OSI, называются аппа­ратными адресами (hardware address) или МАС-адресами (см. ниже).

Заголовок канального уровня

Данные сетевого уровня

Трейлер канального уровня

Рис. 6. Кадр протокола канального уровня содержит адреса исходной и целевой систем, идентификатор протокола сетевого уровня и информацию для обнаружения ошибок

Примечание Протоколы различных уровней модели OSI по-разному называют структуры, создаваемые ими путем добавления заголовка к данным, пришедшим от вышестоящего протокола. Например, то, что протокол канального уровня называет кадром, для сетевого уровня бу­дет дейтаграммой. Более общим названием для структурной единицы данных на любом уровне является пакет.

Важно понимать, что протоколы канального уровня обеспечива­ют связь только между компьютерами одной и той же ЛВС. Аппарат­ный адрес в заголовке всегда принадлежит компьютеру в той же ЛВС, даже если целевая система находится в другой сети.

Другие важные функции кадра канального уровня — идентифика­ция протокола сетевого уровня, сгенерировавшего данные в пакете, и информация для обнаружения ошибок. На сетевом уровне могут использоваться различные протоколы, и потому в кадр протокола канального уровня обычно включается код, с помощью которого можно установить, какой именно протокол сетевого уровня сгенери­ровал данные в этом пакете. Руководствуясь этим кодом, протокол канального уровня компьютера-получателя пересылает данные соот­ветствующему протоколу своего сетевого уровня. Для выявления ошибок передающая система вычисляет цикличес­кий избыточный код (cyclical redundancy check, CRC) полезной нагруз­ки и записывает его в трейлер кадра. Получив пакет, целевой компью­тер выполняет те же вычисления и сравнивает результат с содержи­мым трейлера. Если результаты совпадают, информация передана без ошибок. В противном случае получатель предполагает, что пакет ис­порчен, и не принимает его.

Управление доступом к среде

Компьютеры в ЛВС обычно используют общую дуплексную се­тевую среду. При этом вполне возможно, что передавать данные нач­нут одновременно два компьютера. В таких случаях происходит свое­го рода столкновение пакетов, коллизия (collision), при котором дан­ные в обоих пакетах теряются. Одна из главных функций протокола канального уровня — управление доступом к сетевой среде (media access control, MAC), т. е. контроль за передачей данных каждым из компьютеров и сведение к минимуму случаев столкновения пакетов. Механизм управления доступом к среде — одна из важнейших ха­рактеристик протокола канального уровня. В Ethernet для управле­ния доступом к среде используется механизм с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. CSMA/CD). В некоторых других протоколах, например, в Token Ring, используется передача маркера (token passing).( Подробнее об управлении доступом к среде — ниже).

Спецификации физического уровня

Протоколы канального уровня, используемые в ЛВС, часто поддер­живают более одной сетевой среды, и в стандарт протокола включе­ны одна или несколько спецификаций физического уровня. Каналь­ный и физический уровни тесно связаны, т. к. свойства сетевой сре­ды существенно влияют на то, как протокол управляет доступом к среде. Поэтому можно сказать, что в локальных сетях протоколы ка­нального уровня осуществляют также функции физического уровня. В глобальных сетях используются протоколы канального уровня, в которые информация физического уровня не включается, например, SLIP (Serial Line Internet Protocol) и РРР (Point-to-Point Protocol).

Сетевой уровень

На первый взгляд может показаться, что сетевой (network) уровень дублирует некоторые функции канального уровня. Но это не так: про­токолы сетевого уровня «отвечают» за сквозные (end-to-end) связи, тогда как протоколы канального уровня функционируют только в пределах ЛВС. Иными словами, протоколы сетевого уровня полнос­тью обеспечивают передачу пакета от исходной до целевой системы. В зависимости от типа сети, отправитель и получатель могут нахо­диться в одной ЛВС, в различных ЛВС в пределах одного здания или в ЛВС, разделенных тысячами километров. Например, когда Вы свя­зываетесь с сервером в Интернете, на пути к нему пакеты, созданные Вашим компьютером, проходят через десятки сетей. Подстраиваясь под эти сети, протокол канального уровня неоднократно изменится, но протокол сетевого уровня на всем пути останется тем же самым.

Краеугольным камнем набора протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) и наиболее часто используемым протоколом сетевого уровня является протокол IP (Internet Protocol). У Novell NetWare есть собственный сетевой протокол IPX (Inter­network Packet Exchange), а в небольших сетях Microsoft Windows обычно используется протокол NetBEUI (NetBIOS Enhanced User Interface). Большинство функций, приписываемых сетевому уровню, определяются возможностями протокола IP.

Подобно протоколу канального уровня, протокол сетевого уровня добавляет заголовок к данным, которые он получил от вышестояще­го уровня (рис. 1.10). Элемент данных, созданный протоколом сете­вого уровня, состоит из данных транспортного уровня и заголовка сетевого уровня и называется дейтаграммой (datagram).

Дейтаграмма

Заголовок сетевого уровня

Рис. 7. Протокол сетевого уровня формирует дейтаграмму из данных транспортного уровня

Далее подробно описаны функции сетевого уровня.

Адресация

Заголовок протокола сетевого уровня, как и заголовок протокола ка­нального уровня, содержит поля с адресами исходной и целевой сис­тем. Однако в данном случае адрес целевой системы принадлежит конечному назначению пакета и может отличаться от адреса получа­теля в заголовке протокола канального уровня. Например, когда Вы вводите в адресной строке браузера адрес Web-узла, в пакете, сгене­рированном Вашим компьютером, в качестве адреса целевой систе­мы сетевого уровня указан адрес Web-сервера, тогда как на канальном уровне на целевую систему указывает адрес маршрутизатора в Вашей ЛВС, обеспечивающего выход в Интернет.

В IP используется собственная система адресации, которая совер­шенно не зависит от адресов канального уровня. Каждому компьюте­ру в сети с протоколом IP вручную или автоматически назначается 32-битовый IP-адрес, идентифицирующий как сам компьютер, так и сеть, в которой он находится. В IPX же для идентификации самого компьютера используется аппаратный адрес, кроме того, специаль­ный адрес используется для идентификации сети, в которой находит­ся компьютер. В NetBEUI компьютеры различаются по NetBIOS-именам, присваиваемым каждой системе во время ее установки.

Фрагментация

Дейтаграммам сетевого уровня на пути к месту назначения приходит­ся проходить через множество сетей, сталкиваясь при этом со специ­фическими свойствами и ограничениями различных протоколов ка­нального уровня. Одно из таких ограничений — максимальный раз­мер пакета, разрешенный протоколом. Например, размер кадра Token Ring может достигать 4500 байт, тогда как размер кадров Ethernet не может превышать 1500 байтов. Когда большая дейтаграмма, сформи­рованная в сети Token Ring, передается в сеть Ethernet, протокол се­тевого уровня должен разбить ее на несколько фрагментов размером не более 1500 байт. Этот процесс называется фрагментацией (frag­mentation).

В процессе фрагментации протокол сетевого уровня разбивает дейтаграмму на фрагменты, размер которых соответствует возможно­стям используемого протокола канального уровня. Каждый фрагмент становится самостоятельным пакетом и продолжает путь к целевой системе сетевого уровня. Исходная дейтаграмма формируется лишь после того, как места назначения достигнут все фрагменты. Иногда на пути к целевой системе фрагменты, на которые разбита дейта­грамма, приходится фрагментировать повторно.

Маршрутизация

Маршрутизацией (routing) называется процесс выбора в интерсети самого эффективного маршрута для передачи дейтаграмм от систе­мы-отправителя к системе-получателю. В сложных интерсетях, на­пример, в Интернете или больших корпоративных сетях, часто от од­ного компьютера к другому можно добраться несколькими путями. Проектировщики сетей специально создают избыточные связи, что­бы трафик нашел дорогу к месту назначения даже в случае сбоя одно­го из маршрутизаторов.

С помощью маршрутизаторов соединяют отдельные ЛВС, входя­щие в интерсеть. Назначение маршрутизатора — принимать входя­щий трафик от одной сети и передавать его конкретной системе в другой. В интерсетях различают системы двух видов: оконечные (end systems) и промежуточные (intermediate systems). Оконечные системы являются отправителями и получателями пакетов. Маршрутизатор — промежуточная система. В оконечных системах используются все семь уровней модели OSI, тогда как пакеты, поступающие в проме­жуточные системы, не поднимаются выше сетевого уровня. Там мар­шрутизатор обрабатывает пакет и отправляет его вниз по стеку для передачи следующей целевой системе (рис. 8.). Чтобы верно направить пакет к цели, маршрутизаторы хранят в памяти таблицы с информацией о сети. Эта информация может быть внесена администратором вручную или собрана автоматически с дру­гих маршрутизаторов с помощью специализированных протоколов. В состав типичного элемента таблицы маршрутизации входят адрес другой сети и адрес маршрутизатора, через который пакеты должны добираться до этой сети. Кроме того, в элементе таблицы маршрути­зации содержится метрика маршрута — условная оценка его эффективности. Если к некой системе имеется несколько маршрутов, мар­шрутизатор выбирает из них самый эффективный и отправляет дей­таграмму на канальный уровень для передачи маршрутизатору, ука­занному в элементе таблицы с наилучшей метрикой. В больших сетях маршрутизация может быть необычайно сложным процессом, но чаще всего она осуществляется автоматически и незаметно для пользователя

Характеристики

Список файлов лекций