Эталонные модели

Прообразом самой популярной сети Интернет послужила разработка, начатая Министерством обороны США (DoD – Department of Defence) еще в 1957 году. Перед управлением перспективного планирования научно-исследовательских работ (ARPA – Advanced Research Project Agency) была поставлена задача разработать архитектуру высоконадежной распределенной сети. В то время военные телекоммуникации базировались на общественной телефонной сети, которая была сочтена слишком уязвимой. Уязвимость заключалась в том, что потеря всего одного коммутатора или междугородной станции (рис. 9.8) разделила бы сеть на разрозненные участки.

Рис. 9.8. Структура телефонной сети и архитектура распределенной сети

Экспериментальную сеть ARPPANET, объединяющую четыре университета, удалось запустить только в 1969 году. После ее запуска было выяснено, что имеющиеся протоколы были непригодны. В результате дополнительных экспериментальных и теоретических исследований были изобретены модели и протоколы TCP/IP для управления обменом пакетами по интерсетям, которые по сути являются основными в Интернет. На базе ARPANET объединение сетей происходило высокими темпами. Достаточно сказать, что высокий прирост абонентов сети в 80-е годы заставил разработать службу именования доменов DNS (Domain Name System), которая также по сей день обслуживает Интернет.

Эталонная модель TCP/IP включает протоколы, которые активно используются сейчас. Верхний уровень занимают протоколы:

· Telnet – Протокол передачи символьных данных;

· FTP - File Transfer Protocol - Протокол передачи файлов;

· SMTP -Simple Mail Transfer Protocol - Простой протокол пересылки почты;

· DNS - Domain Name System – Служба именования доменов;

на следующем уровне расположены:

· TCP – Transmission Control Protocol – Протокол управления передачей;

· UDP – User Datagram Protocol – Пользовательский протокол дейтаграмм;

и, наконец, на нижнем:

· IP – Internet Protocol – Межсетевой протокол.

Эталонная модель OSI.

В настоящее время наибольшее распространение получила эталонная модель обмена информацией открытой системы OSI (Open System Interchange). Под термином «открытая система» в данном случае понимается незамкнутая в себе система, имеющая возможность взаимодействия с какими-то другими системами (в отличие от закрытой системы). Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов.

Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рис. 9.9). Вышестоящие уровни выполняют более сложные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня — предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые функции. Каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше него и ниже него). Самый верхний уровень соответствует прикладной задаче, а самый нижний - непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Функции, входящие в показанные на рис. 9.9 уровни, реализуются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень на одном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента, то есть между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная связь. Реальную же связь абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне.

Рис. 9.9. Уровни модели OSI

В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему.

Прикладной уровень (Application), или уровень приложений, самый верхний уровень модели. Он обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет остальными шестью уровнями.

Уровень представления (Presentation), или представительский уровень, определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, то есть выполняет функцию переводчика. Здесь же выполняется шифрование и дешифрирование данных, а при необходимости - их сжатие.

Сеансовый уровень (Session), или сессионный уровень, управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь). Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.

Транспортный уровень (Transport) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных.

Сетевой уровень (Network) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен в физические сетевые адреса (и обратно), а также за выбор маршрута, по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов).

Канальный уровень (Data link), или уровень управления линией передачи, отвечает за формирование пакетов стандартного вида. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи и производится повторная пересылка ошибочных пакетов.

Физический уровень (Physical) - это самый нижний уровень модели. Он отвечает за кодирование передаваемой информации и ее обратное декодирование при приеме. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д.

Большинство функций двух нижних уровней модели (1 и 2) обычно реализуются аппаратно (часть функций уровня 2 - программным драйвером сетевого адаптера). Именно на этих уровнях определяется скорость передачи и топология сети, метод управления обменом и формат пакета, то есть то, что имеет непосредственное отношение к типу сети. Более высокие уровни не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3, 4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 вообще не имеют к аппаратуре никакого отношения. Замены аппаратуры сети на другую они просто не заметят.

В канальном уровне часто выделяют два подуровня:

· верхний подуровень (LLC - Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи (часть его функций выполняется программой драйвера сетевого адаптера);

· нижний подуровень (MAC - Media Access Control) осуществляет непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети.

Эталонная модель IEEE Project 802.

Помимо рассмотренных, существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии). Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации), делятся на категории, каждой из которых присвоен свой номер. Наиболее популярные в настоящее время перечислены ниже:

· 802.3 - Локальная сеть (Ethernet).

· 802.11 - Беспроводная сеть (WiFi).

· 802.15 - Персональные сети (Bluetooth).

· 802.16 - Широкополосные беспроводные сети (WiMAX)

· 802.20 - Глобальные сети.

В заключение раздела отметим организации имеющие самое непосредственное отношение к становлению и развитию компьютерных сетей различного класса – они представлены в табл. 9.3.

Таблица 9.3

Документы RFC (Request For Comments) - запрос на комментарии - включают в себя огромное число материалов описывающих особенности и стандарты работы сетей. Там, в частности, описаны протоколы стека TCP/IP, сетевые службы, принципы их реализации и другие сопутствующие вопросы. Исходно это были действительно документы, предназначенные для обсуждения, но впоследствии сформировавшиеся стандарты также оформлялись в виде RFC. RFC-документу может быть присвоено одно из состояний стандартизации:

· Утвержденный стандарт (Standard),

· Предложенный к рассмотрению,

· Экспериментальный,

· Устаревший.

Все документы RFC можно получить, например, с Web-узла https://www.ripn.net/nic/archive.html

Контрольные вопросы

1. Опишите преимущества и недостатки трех классических топологий локальных сетей.

2. В чем особенность полудуплексного режима передачи данных?

3. Назовите основные задачи администратора локальной сети.

4. В чем заключается особенность работы подсети с коммутацией пактов?

5. Какой способ кодирования используется в сетях Ethernet и почему?

6. Опишите типовую структуру пакета и назначение полей.

7. Где применяется и как работает протокол CSMA с настойчивостью p?

8. В чем преимущество распределенной архитектуры сети над телефонной сетью?

9. Назовите протоколы эталонной модели TCP/IP и объясните их назначение.

10. Перечислите уровни модели OSI и охарактеризуйте их назначение.

11. Объясните топологию «пассивная» звезда. Где она применяется?

12. Как и для чего используются маршрутизаторы?

13. Объясните принцип работы метода доступа CSMA/CD.

14. В чем состоит основная особенность манчестерского кода?

15. Как сетевые платы могут обнаруживать коллизию?

16. Для чего служит и как формируется контрольная сумма пакета?

17. В чем состоит особенность инкапсуляции пакетов и для чего она используется?

18. Опишите протокол с двоичным обратным отсчетом и его назначение.

19. В чем основное различие протоколов UDP и FTP?

20. Какой протокол, кроме SMTP, необходим для электронной пчты?

21. Какие задачи решаются на транспортном уровне протокола OSI?

22. Сравните две эталонные модели TCP/IP и OSI по числу и назначению уровней.

23. Назовите основные технические характеристики сети WiFi.

24. В чем главное назначение технологии WiMAX?