Сетевые стандарты. Архитектура компьютерной сети

Суть сети – это соединение разного оборудования, а значит, возникает проблема совместимости. Без принятия всеми производителями общепринятых правил построения оборудования создание больших сетей было бы невозможно. Поэтому всё развитие компьютерной отрасли отражено в стандартах – любая новая технология только тогда приобретает «законный» статус, когда её содержание закрепляется в соответствующем стандарте. В компьютерных сетях основой стандартизации является многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на его основе была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем.

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Для решения сложных задач используется декомпозиция, т. е. разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей. В результате достигается логическое упрощение задачи, кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы. Всё множество модулей, решающих частные задачи, разбивают на группы и упорядочивают по уровням, образующим иерархию. Группа модулей, составляющих каждый уровень, должна быть сформирована таким образом, чтобы все модули этой группы для выполнения своих задач обращались с запросами только к модулям соседнего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы всех модулей, отнесённых к некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает чёткое определение функции каждого уровня.

Оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений, например, об уровне и форме электрических сигналов, способе определения размера сообщений, договориться о методах контроля достоверности и. т. д. Соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная с самого низкого – уровня передачи битов – до самого высокого, реализующего сервис для пользователей сети. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом. Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с правилами и с помощью стандартизированных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – правила взаимодействия модулей соседних уровней в одном узле. Иерархически организованный набор протоколов, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы, как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней – как правило, чисто программными средствами. Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют «протоколом». Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами – концентраторами, мостами, маршрутизаторами и т. д.

Характеристики сети в целом и характеристики и функции, входящих в неё основных компонентов, определяются её общей моделью. Описание общей модели представляет собой архитектуру компьютерной сети. При реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Такие сети относятся к открытым системам. В широком смысле открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, программный пакет), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями (термин «спецификация» в вычислительной технике означает формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования и взаимодействия, условий эксплуатации и т д.). Под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые всеми заинтересованными сторонами.

Так как все компоненты сети должны работать согласовано, совершенно необходимым оказалось принятие многочисленных стандартов, которые гарантировали бы совместимость оборудования и программ различных фирм-изготовителей. В результате открытый характер стандартов и спецификаций важен не только для коммуникационных протоколов, но и для всех многочисленных функций разнообразных устройств и программ, выпускаемых для построения сети. Нужно отметить, что большинство стандартов, принимаемых сегодня, носят открытый характер. Время закрытых систем, точные спецификации на которые были известны только фирме-изготовителю, ушло. Все осознали, что возможность лёгкого взаимодействия с продуктами конкурентов не снижает, а наоборот повышает ценность изделия, так как его можно применить в большем количестве работающих сетей, построенных на продуктах разных производителей. Поэтому даже фирмы, ранее выпускавшие очень закрытые системы – такие как IBM, Novell или Microsoft, – сегодня активно участвуют в разработке открытых стандартов и применяют их в своих продуктах.

Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся большим количеством организаций. Различают следующие виды стандартов: фирменные, национальные и международные. Базой при разработке совместимого сетевого оборудования служит модель открытых систем. Первая версия этой модели разработана в 1978 году международной организацией по стандартизации ISO (International Standards Organization). В 1984 году ISO выпустила новую версию, названную OSI (Open System Interconnection Reference Model). Эта модель стала международным стандартом. Она определяет функции и уровни взаимодействия протоколов в сети при передаче данных. В соответствии с моделью OSI этой организацией был разработан стандартный стек коммуникационных протоколов OSI.

В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Сетевые функции, выполняемые на каждом уровне, взаимодействуют только с функциями двух соседних уровней — вышележащего и нижележащего. Уровни отделены друг от друга границами — интерфейсами.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты, которые проходят последовательно все уровни от седьмого до первого, при этом на каждом уровне к пакету добавляется форматирующая или адресная информация, необходимая для безошибочной передачи данных по сети.

На принимающей стороне пакет опять проходит через все уровни, но в обратном порядке. На каждом уровне из пакета удаляется информация, добавленная к нему на таком же уровне отправителем, в результате на седьмом уровне данные примут свой первоначальный вид.

Уровни эталонной модели OSI

Функции каждого уровня следующие:

• Уровень 7 (самый верхний) — прикладной. Он содержит все необходимые элементы сервиса, обеспечивает поддержку прикладных программ конечных пользователей, т.е. управляет общим доступом к сети;
• Уровень 6 – представительный уровень определяет синтаксис данных в модели OSI, т.е. представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе. Осуществляет трансформацию различных языков, форматов данных и кодов для взаимодействия разнотипных компьютеров;
• Уровень 5 – сеансовый уровень реализует установление и поддержание сеанса связи между абонентами через коммуникационную сеть. Он управляет диалогом между взаимодействующими процессами. На этом уровне по запросам процессов создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения — логические каналы;
• Уровень 4 – транспортный уровень обеспечивает сопряжение абонентов сети с базовой сетью передачи данных;
• Уровень 3 – сетевой уровень отвечает за выбор маршрута передачи пакетов по линиям, связывающим узлы коммуникационной сети, т.е. реализует межсетевое взаимодействие;
• Уровень 2 – канальный уровень реализует процесс передачи данных по информационному каналу (физическому каналу, созданному на уровне 1). Данные разбиваются на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр передается только после подтверждения о безошибочной передаче предыдущего кадра;
• Уровень 1 – физический уровень выполняет все необходимые процедуры в канале связи, обеспечивая передачу потока бит по физической передающей среде. Его основная задача — управление аппаратурой передачи данных и подключение к ней каналов связи.

Уровни 1-3 организуют базовую сеть передачи данных как систему, обеспечивающую надежную передачу данных между абонентами сети. Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, мультиплексоры, сетевые платы и т. п. Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей — драйверов.

Проще всего стандартизируются протоколы трех нижних уровней, т. к. они определяют действия и процедуры, свойственные вычислительным сетям любого класса. Протоколы верхних уровней трудно стандартизировать из-за их уникальности, особенно по функциональному назначению. Например, протоколы канального уровня делятся на две основные группы: байт-ориентированные и бит-ориентированные.

Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов сообщение несет управляющие и служебные байты. Протокол обеспечивает передачу двух типов кадров: управляющих и информационных. Работа протокола осуществляется в три фазы: установление соединения, поддержание сеанса связи, разрыв соединения. На каждый переданный кадр протокол требует посылки квитанции о результате его приема. Кадры, переданные с ошибкой, передаются повторно, причем определяется максимальное число повторных передач. Наиболее распространенным байт-ориентированным протоколом является протокол двоичной синхронной связи BSC (Binary Synchronous Communication), созданный фирмой IBM

Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов. Для разделения кадров используются специальные последовательности — флаги. Этот протокол удобен для коммуникационной среды и не очень удобен для компьютера, т. к. из сообщения необходимо выделять байты информации. Он является более скоростным, чем байт-ориентированный.

Для нижних двух уровней Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике ИИЭР (Institute of Electrical and Engineers, IEEE) разработаны стандарты, известные как Project 802, названные в соответствии с годом (1980) и месяцем (февраль) своего издания.

Это стандарты для физических компонентов сети — интерфейсных плат и кабельной системы, т. е. для канального и физического уровня модели открытых систем. Стандарты, определенные Project 802, делятся на 16 категорий, каждая из которых имеет свой номер (от 802.1 до 802.16), например, 802.1 — верхние уровни и административное управление, 802.6 — городские сети, 802.11 — беспроводные сети.

Базовые принципы организации компьютерной сети определяют ее основные характеристики:

· операционные возможности — перечень основных действий по обработке данных. Абоненты сети имеют возможность использовать память и процессоры многих компьютеров для хранения и обработки данных. Предоставляемая компьютерной сетью возможность параллельной обработки данных многими компьютерами и дублирования необходимых ресурсов позволяет сократить время решения задач, повысить надежность системы и достоверность результатов;

· производительность — представляет собой суммарную производительность компьютеров, участвующих в решении задачи пользователя;

· время доставки сообщений — определяется как статистическое среднее время от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения адресатом;

· стоимость предоставляемых услуг.