Лекция 1точка. Лекция Введение. Повторение основных понятий сетевых технологий, классификация сетей
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
Уровень представления (Presentation layer) Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально. Сеансовый уровень (Session layer) 5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия. Транспортный уровень (Transport layer) 4-й уровень модели, предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Протоколы этого уровня предназначены для взаимодействия типа точка-точка. Пример: TCP, UDP. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных. Некоторые протоколы сетевого уровня, называемые протоколами без установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень. Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных — это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных. Сетевой уровень (Network layer) 3-й уровень сетевой модели OSI, предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор. Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю и могут быть разделены на два класса: протоколы с установкой соединения и без него. Описать работу протоколов с установкой соединения можно на примере работы обычного телефона. Протоколы этого класса начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь. Протоколы без установки соединения, которые посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете, работают аналогично почтовой системе. Каждое письмо или пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждый промежуточный почтамт или сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена. За установку данных в соответствующем порядке при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы. Канальный уровень (Data Link layer) Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрост поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня — MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты. В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS Физический уровень (Physical layer) Самый нижний уровень модели, предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и соответственно их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством. На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы. Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т.п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и ВМС.
В  заимодействие уровнейУровни взаимодействуют сверху вниз и снизу вверх посредством интерфейсов и могут еще взаимодействовать с таким же уровнем другой системы с помощью протоколов. Подробнее можно посмотреть на рисунке. Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели: горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине. В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.  Модель ВОС и реальные протоколы Семиуровневая модель ВОС является теоретической, и содержит ряд недоработок. Были попытки строить сети в точном соответствии с моделью ВОС, но созданные таким образом сети были дорогими, ненадёжными и неудобными в эксплуатации. Реальные сетевые протоколы, используемые в существующих сетях, вынуждены отклоняться от неё, обеспечивая непредусмотренные возможности, поэтому привязка некоторых из них к уровням ВОС является несколько условной: некоторые протоколы занимают несколько уровней модели ВОС, функции обеспечения надёжности реализованы на нескольких уровнях модели ВОС. Основная недоработка ВОС — непродуманный транспортный уровень. На нём ВОС позволяет обмен данными между приложениями (вводя понятие порта — идентификатора приложения), однако, возможность обмена простыми датаграммами (по типу UDP) в ВОС не предусмотрена — транспортный уровень должен образовывать соединения, обеспечивать доставку, управлять потоком и т.п. (по типу TCP). Реальные же протоколы реализуют такую возможность. Семейство TCP/IP Семейство TCP/IP имеет два транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий ВОС, обеспечивающий проверку получения данных, и UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмен датаграммами между приложениями, не гарантирующий получения данных. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является ICMP; но они служебные (используются для внутренних нужд обеспечения работы сети), а не транспортные.) Семейство IPX/SPX В семействе IPX/SPX порты (называемые «сокеты» или «гнёзда») появляются в протоколе сетевого уровня IPX, обеспечивая обмен датаграммами между приложениями (операционная система резервирует часть сокетов для себя). Протокол SPX, в свою очередь, дополняет IPX всеми остальными возможностями транспортного уровня в полном соответствии с ВОС. В качестве адреса хоста IPX использует идентификатор, образованный из четырёхбайтного номера сети (назначаемого маршрутизаторами) и MAC-адреса сетевого адаптера. Введение в сети с коммутацией пакетов и каналов, управление режимами коммутации. При наличии нескольких источников информации (отправителей) и нескольких получателей можно проложить между каждой парой отдельную линию связи. Однако, такой подход становится неэффективным уже при достаточно малом количестве источников и получателей. Вместо этого обычно организуется структура, в которой число линий связи гораздо меньше и на линиях организуются каналы (с помощью уплотнения), а обмен информацией между узлами обеспечивается с помощью технологий коммутации. Одними из характеристик сети являются надёжность и живучесть. Живучесть — способность выполнять сетью свои функции в условиях неблагоприятных внешних воздействий (структурные изменения и т. п.). Надёжность — то же, что и живучесть, но с сохранением качества обслуживания. Основные методы коммутации Для обобщения материала рассмотрим объяснение физической сущности описанных выше методов переноса информации. Основные режимы переноса информации, используемые в сетях связи, следующие: коммутация каналов, многоскоростная коммутация каналов, быстрая коммутация каналов, быстрая коммутация пакетов, коммутация пакетов или кадров. Передача голоса в телефонии - классический пример канала. Если объединить несколько каналов в один поток, то появится необходимость управлять, или коммутировать отдельные каналы. Делается это для транспортировки данных в аналоговых сетях телефонной связи (и узкополосных цифровых сетях) на основе временного разделения потока (например, Е1). Причем для передачи информации по каждому каналу используется один или несколько фиксированных временных интервалов (тайм-слотов). Данный метод, по сути, лишен гибкости, так как продолжительность временного интервала (количество тайм-слотов) однозначно определяет скорость передачи. Передаются в канале данные, или нет - место в потоке занято постоянно. Поэтому, коммутация каналов не лучший способ использовать магистральные сети. Метод многоскоростной коммутации каналов был разработан для устранения недостатков предыдущего решения. В этом случае использовалось несколько каналов с различными временными интервалами и, следовательно, скоростями передачи. Однако недостатки оставались - при занятости низкоскоростного канала ни одно низкоскоростное соединение не могло быть установлено, даже при наличии не занятых более высокоскоростных каналов. Технология быстрой коммутацией каналов, основана на тех же методах временного разделения, но соединение устанавливается только тогда, когда требуется передача данных. Хорошей иллюстрацией будет пример телефонного разговора. При коммутации и многоскоростной коммутации каналов будет установлено одно соединение на всю длительность разговора, а при быстрой коммутации будет установлено множество последовательных соединений, каждое из которых служит для передачи конкретного фрагмента речи. Эффективность использования канала в последнем случае достаточно высокая, но минусы метода то же велики. Уже нет гарантированной задержки, так важной для передачи голоса. Да и сложность (а значит, и стоимость) программно-аппаратного комплекса увеличивается в разы. Все это приводит к тому, что на практике используется в основном простая коммутация каналов с синхронной иерархией Sonet/SDH. Для передачи данных между компьютерными сетями, а с появлением коммутаторов и внутри локальных сетей, используются методы коммутации пакетов или кадров. И кадр, и пакет в общем случае могут иметь разную длину, и выделяются из общего массива информации только благодаря специальным последовательностям символов (флагам, заголовкам). Классическим примером коммутации кадров является протокол Frame Relay (ретрансляция кадров). При передаче информация разных пользователей или служб передается по одному потоку (каналу), а коммутаторы выполняют функции определения маршрута данных и создания и хранения очередей пакетов/кадров при перегрузке транспортной системы. Популярный в настоящее время "классический" Ethernet построен еще проще. Механизмы работы с очередями не предусмотрены, а вместо определения полного маршрута "заранее" используется более простая маршрутизация каждого пакета данных, причем только на пограничных узлах. Внутри сети пакеты передаются всем пользователям. Но если рассматривать проблему с точки зрения метода переноса информации Frame Relay и Ethernet близки. И обладают общим существенным недостатком - не могут гарантировать постоянной скорости. Тут надо сделать существенное дополнение. Современный Frame Relay имеет развитые механизмы управления скоростью, позволяющие обойти этот недостаток. То же самое можно сказать и про коммутируемый Ethernet - новое оборудование вполне надежно использует механизмы очередей, приоритизации трафика, и другие атрибуты транспортных сетей. Примером метода быстрой коммутации пакетов является АТМ. Для достижения временной прозрачности применен метод, при котором информация всех типов сначала разбивается на пакеты малой фиксированной длины (53 байта, из них - 5 байт заголовок), называемые ячейками. Которые затем мультиплексируются в едином цифровом тракте. При этом ячейки, в зависимости от принадлежности к типу службы, могут иметь разный приоритет. Если подходить строго, то АТМ нельзя назвать методом быстрой коммутации пакетов. Ячейка хоть и мала, но имеет вполне конечную длину, и даже один байт информации вызовет передачу всего пакета. По той же причине, нельзя сказать, что в полной мере обеспечивается гарантированная постоянная скорость. Разумеется, при реальном использовании смело можно не обращать внимания на сделанные допущения. Но для понимания сути процессов желательно про них помнить. Материал по основам сетей передачи данных, на мой взгляд, достаточно сложен для восприятия. Но, не определившись с основами, трудно будет составить целостное понимание места и роли той или иной технологии в современном мире телекоммуникаций. Перед переходом к следующему "тяжелому" блоку попробуем немного расслабиться, и отвлечься от технических деталей. Коммутация пакетов на примере Frame Relay Первой технологией, соединяющей глобальные и локальные сети, была Х.25, которая сегодня постепенно отмирает. Более прогрессивными стали появившиеся в 1984 году сети Frame Relay. При их использовании данные разделяются на кадры (фреймы) разной длины передающим устройством, причем каждый кадр содержит заголовок с адресом получателя. После передачи они собираются на приемном конце. Максимальная скорость передачи данных в ранних версиях составляла 2 Мбита. Позже у некоторых вендоров появились варианты, поддерживающие скорости до 44,725 Мбит/с, но широкого распространения, в связи с появлением ATM, они не успели получить.  Рис. 1.3. Схема сети Frame Relay Для каждого типа трафика может задаваться свой виртуальный канал (PVC), и соответственно может быть организована своя топология соединений. Скорость регулируется параметрами CIR (минимальная информационная скорость) и AR (скорость физического канала). Для соединения узлов Frame Relay обычно используется сеть SDH, а для организации каналов менее чем Е1 - мультиплексоры TDM. На практике скорости более 128 кбит используются редко - более быстрое оборудование для соединения на "последней миле" появилось совсем недавно и успело устареть до своего широкого внедрения. К достоинствам технологии можно отнести высокий уровень защиты данных, что в совокупности с прозрачность FR для протоколов более высокого уровня снискало ему популярность в кругах распределенных банковских и корпоративных сетей. |