Семиуровневая справочная модель Взаимодействия Открытых Систем (ВОС)

Протоколы передачи данных

Протоколы представляют собой набор условий (правил), которые регламентируют формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими независимыми устройствами или процессами. Протокол имеет три важнейших элемента: синтаксис, семантику и синхронизацию (timing). Синтаксис протокола определяет поля, например, 16-байтовое поле для адресов, 32-байтовое поле для контрольных сумм и 512 байт на пакет. Семантика протокола придает этим полям значение, например, если адресное поле состоит из всех адресов, это "широковещательный" пакет. Синхронизация - это количество битов в секунду, т.е. скорость передачи данных. Она важна не только на самых низких уровнях протокола, но и на высших.

На рисунке 1 показан типичный формат сообщения. В начале сообщения, передаваемого в сети, присваиваются символы синхронизации, с той целью, чтобы другой узел в сети мог увидеть, что "приходит" сообщение и смог синхронизировать приемник с передатчиком. Заголовок сообщения содержит информацию об адресе (откуда и куда поступает сообщение). Текст сообщения - это сама информация, посылаемая по сети. Он имеет заголовок и иногда концевик, показывающий, где заканчивается сообщение. В конце сообщения также могут быть символы управления и синхронизации.

 

Рис. 1 Формат сообщения

Сложные системы передачи данных не используют один протокол для решения всех задач передачи. Вместо этого, им требуется набор взаимодействующих протоколов. Ярким примером такого взаимодействия служит стек протоколов TCP/IP.

Разделение протоколов на уровни

Для обоснования необходимости разделения протоколов на уровни можно привести ошибки, которые могут возникнуть, когда машины взаимодействуют в сети между собой.

Сбой оборудования характеризуется такими факторами, при которых, сервер или шлюз может прекратить работать либо из-за аварии оборудования, либо из-за краха операционной системы. Канал передачи данных может перестать работать или может быть неожиданно отключен. В связи с этим фактом протокольному ПО, необходимо распознавать такие сбои и восстанавливаться, если это возможно, после их возникновения.

Перегрузка сети возникает в связи с тем, что сеть имеют конечную пропускную способность. Поэтому протокольному ПО необходимо знать способы, которыми перегруженная машина может восстановить остальной трафик.

Иногда возникают случаи задержки или полной потери передаваемых пакетов. Поэтому протокольному ПО необходимо определять такие ошибки и адаптироваться к большим задержкам при передаче данных.

Ошибки, в передаваемых данных, могут возникать из - за электрических либо электромагнитных помех или сбоев в оборудовании. Поэтому протокольному ПО необходимо идентифицировать такие ошибки и восстанавливаться после их возникновения.

Дублирование данных (пакетов) или нарушение их последовательности могут возникать в случаях обмена данными, выполняемыми по нескольким путям. В связи с такими фактами протокольному ПО необходимо переупорядочивать пакеты и удалять их дубли.

Для устранения этих проблем протоколы подразделяют по уровням.

Семиуровневая справочная модель Взаимодействия Открытых Систем (ВОС)

В этой области доминируют две идеи относительно разделения протоколов на уровни. Первая, основывающаяся на работе, выполненной Международной Организацией по Стандартизации (МОС), известной как Справочная Модель ВОС (Взаимодействия Открытых Систем), часто называется моделью ВОС. Модель ВОС, содержит семь концептуальных уровней (рис. 2).

 

Рис. 2 Семиуровневая справочная модель ВОС

Примечание: Модель ВОС, созданная для описания протоколов одной сети, не содержит специального уровня для межсетевой маршрутизации, имеющегося в стеке протоколов TCP/IP.

Протокол X25 и его связь с моделью ВОС

Схема разделения на уровни ВОС, хотя и разрабатывалась как концептуальная модель, а не руководство для реализаций, является основой для нескольких реализаций протоколов. Среди протоколов, связанных с моделью ВОС, существует набор протоколов, известный как Х.25, который является самым популярным и широко используемым. Протокол Х.25 был создан как рекомендация Международного Консультативного Комитета по Телефонии и Телеграфии (МККТТ), международной организации, вырабатывающей стандарты для международных телефонных служб. Протокол Х.25 используется сетями передачи данных общего пользования в Европе и США.

С точки зрения протокола Х.25, сеть представляется во многом аналогично телефонной системе. Сеть предполагается состоящей из сложных коммутаторов - пакетов, имеющих достаточный интеллект для реализации маршрутизации пакетов. Обслуживающие вычислительные машины (серверы) не присоединены напрямую к каналам сети. Вместо этого каждый сервер присоединен к одному из коммутаторов пакетов, который использует последовательную линию взаимодействия с другими коммутаторами. Таким образом, соединение между пакетным коммутатором и сервером представляет миниатюрную сеть, состоящую из одной последовательной линии. Сервер реализует довольно сложную процедуру для передачи пакетов в сеть.

 

Физический уровень

Протокол Х.25 определяет стандарт для физического соединения между сервером и сетевыми коммутаторами пакетов, а также процедуры, используемые для передачи пакетов от одной машины к другой. В справочной модели уровень 1 определяет физическое соединение, включая электрические параметры, такие как напряжение и ток. Соответствующий протокол, Х.21, содержит его детальное описание, и используется сетями передачи данных общего пользования.

Канальный уровень

Уровень 2 в протоколе Х.25 определяет, каким образом данные передаются между сервером и пакетным коммутатором. Протокол Х.25 использует термин кадр для обозначения элементарного блока данных. Так как коммутационное оборудование доставляет только поток бит, протокол уровня 2 должен определить формат кадров и указать, как две ЭВМ будут определять границы кадров. Так как ошибки передачи могут разрушить данные, протокол уровня 2 включает процедуры обнаружения и обработки ошибок, используя контрольную сумму кадра. Для обеспечения надежности передачи кадра протокол уровня 2 реализует обмен подтверждениями, позволяющий двум машинам определять, когда кадр успешно передан. На втором уровне наиболее часто используется протокол HDLC (Высокоуровневое Взаимодействие по Каналу Данных).

Сетевой уровень

Справочная модель ВОС определяет, что третий уровень, называемый сетевым уровнем или уровнем коммуникационной подсети, обеспечивает возможности, описывающие завершение взаимодействия между сервером и сетью. Данный уровень определяет базовый элемент, передающийся по сети, и включает понятия адресации назначения и маршрутизации к назначению. В протоколе Х.25 взаимодействие между сервером и коммутатором пакетов концептуально отделено от трафика. Поэтому, протоколы уровня 3 могут допускать обмен пакетами большего размера, чем пакеты уровня 2. Протокольное ПО уровня 3 собирает пакет в той форме, которую ожидает сеть, и использует уровень 2 для передачи пакета (возможно по частям) к коммутатору пакетов. Уровень 3 также должен решать проблему переполнения сети.

 

Транспортный уровень

Уровень 4, протокола Х.25 обеспечивает сквозную надежность с помощью прямого взаимодействия ЭВМ-источника с ЭВМ-получателем. Основная идея заключается в том, что хотя нижние уровни и обеспечивают надежность передачи каждого элемента, уровень межконцевого взаимодействия дублирует их. Этим достигается проверка работоспособности всех промежуточных машин, участвующих в трафике.

 

Сеансовый уровень

Более высокие уровни модели МОС описывают, каким образом может быть организовано протокольное ПО для предоставления всех возможностей прикладной программе. Комитет МОС считает проблему удаленных терминалов настолько важной, что выделил уровень 5 для ее решения. Фактически, главным средством, предоставляемым сетями передачи данных, является установление соединения между терминалом (ЭВМ - клиент) и удаленным сервером, через специальную программу – сервер или аппаратный сервер, которые называются СБОРЩИК-РАЗБОРЩИК ПАКЕТОВ (PAD). Таким образом, пользователи, имеющие свой собственный терминал и модем, устанавливают соединение посредством локального PAD - а с сервером.

 

Представительный уровень

Уровень 6 МОС разработан, чтобы включать в себя функции, требуемые многим прикладным программам, использующим сеть. Типичным примером являются стандартные процедуры, сжимающие текст или преобразующие графические образы для их передачи по сети. Хотя этот уровень еще не доработан, в последние годы проводились серьезные работы по его расширению, в результате которых появился Стандарт МОС, известный как Нотация Абстрактного Синтаксиса 1 (ASN1), обеспечивает представление данных, используемых прикладными программами.

 

Прикладной уровень

Самый верхний уровень МОС – уровень 7 включает прикладные программы (приложения), использующие сеть. Типичными примерами таких приложений являются утилиты электронной почты или передачи файлов. В частности, МККТТ рекомендовал протокол для электронной почты, называемый Х.400 или X.400(1988). Фактически, МОС и МККТТ совместно разработали систему обработки сообщений, версия МОС которой, называется MOTIS.

 

Модель уровней Интернет TCP/IP

Вторая основная модель разделения протоколов на уровни не была разработана комитетом по стандартам, а появилась в результате исследований, приведших к появлению стека протоколов TCP/IP. После небольшой доработки модель МОС может быть приспособлена для описания схемы деления на уровни в протоколе TCP/IP. Тем не менее базовые предпосылки этих схем сильно различаются, что позволяет говорить об их различии.

На концептуальном уровне ПО протокола TCP/IP организовано в виде 4 уровней, опирающихся на пятый уровень оборудования. На рисунке 3 приведены концептуальные уровни, а также форма протокола, в которой передаются данные между уровнями.

Рис. 3 Четыре конептуальных уровня ПО ТСР/1Р и форма объектов, передаваемых между ними

 

Прикладной уровень

На самом верхнем уровне пользователи вызывают прикладные программы, которые обращаются к сервисам, доступным в среде Интернет. Приложение взаимодействует с протоколами транспортного уровня для передачи или приема данных. Каждая прикладная программа выбирает тип транспортировки, который ей требуется, либо последовательность отдельных сообщений, или непрерывный поток байт. Прикладная программа передает данные транспортному уровню в требуемой форме для доставки.

 

Транспортный уровень

Основной задачей транспортного уровня является обеспечение взаимодействия между прикладными программами. Такое взаимодействие часто называется межконцевое (end-to-end). Транспортный уровень может управлять потоком информации. Он может также обеспечивать надежную передачу, гарантируя, что данные поступили без ошибок и в порядке их передачи. Для этого протокол предусматривает обмен подтверждениями между передающей и принимающей сторонами, что позволяет повторно передавать потерянные пакеты. Транспортное ПО делит передаваемый поток данных на небольшие части, называемые пакетами. Транспортное ПО передает каждый пакет вместе с адресом назначения следующему уровню. Транспортный уровень обеспечивает возможность принимать данные от нескольких прикладных программ и посылать их более нижнему уровню. С этой целью протокол добавляет дополнительную информацию к каждому пакету, включая коды, идентифицирующие прикладную программу, пославшую его, и прикладную программу - получатель, а также контрольную сумму пакета. Принимающая машина использует контрольную сумму для проверки целостности принятого пакета, а код назначения - для идентификации прикладной программы, которой он должен быть передан.

 

Межсетевой уровень

Межсетевой уровень управляет взаимодействием между машинами. Он принимает запрос на посылку пакета от транспортного уровня вместе с указанием машины, на которую этот пакет должен быть послан. Он инкапсулирует пакет в IP-дейтаграмме, заполняет заголовок дейтаграммы, использует алгоритмы маршрутизации для определения того, можно ли послать дейтаграмму напрямую, или следует послать ее шлюзу, и передает дейтаграмму соответствующему интерфейсу с сетью. Межсетевой уровень также обрабатывает приходящие дейтаграммы, проверяет их корректность, и использует алгоритм маршрутизации для того, чтобы решить, нужно ли обработать дейтаграмму локально или ее следует переправить дальше. Для дейтаграмм, адресованных локальной машине, ПО межсетевого уровня удаляет заголовок дейтаграммы и определяет, какой из транспортных протоколов будет обрабатывать пакет. Наконец, межсетевой уровень посылает сообщения об ошибках (IСМР) по мере необходимости и обрабатывает все приходящие сообщения IСМР.

 

Уровень интерфейса с сетью

ПО протокола TCP/IP самого низкого уровня состоит из уровня интерфейса с сетью, ответственного за прием IP-дейтаграмм и передачу их по конкретной сети. Интерфейс с сетью может состоять из драйвера устройства в случае локальной сети или сложной подсистемы, использующей свой протокол канального уровня в случае когда сеть состоит из коммутаторов пакетов, взаимодействующих с сервером, используя HDLC.

 

Различия между схемами Х.25 и TCP/IP

Существует два важных различия между схемой разделения на уровни протоколов TCP/IP и Х.25. Первое различие связано с реализацией надежности, а второе различие связано с местонахождением интеллектуальных функций в системе.

 

Надежность на канальном уровне и межконцевая надежность

Одно из основных различий между протоколами TCP/IP и Х.25 состоит в их подходах к обеспечению сервиса надежной передачи данных. В модели Х.25 протокольное ПО обнаруживает и обрабатывает ошибки на всех уровнях. На канальном уровне сложные протоколы гарантируют, что передача между сервером и пакетным коммутатором, к которому он присоединен, будет корректной. К каждому передаваемому элементу данных присоединяется контрольная сумма, и получатель подтверждает каждый принятый фрагмент данных. Протокол канального уровня включает таймаут и алгоритм повторной передачи данных. Данные методы защищают данные от потерь и обеспечивают автоматическое восстановление данных после сбоев или рестартов оборудования.

В отличие от описанной схемы Х.25 протокол TCP/IP основывает свое разделение на уровни на том, что надежность - это межконцевая проблема. Суть архитектуры заключается в том, чтобы сеть могла управляться с ожидаемой загрузкой, и позволить отдельным каналам или машинам терять данные или искажать их, не пытаясь исправлять ошибки. Фактически, большая часть TCP/IP уровня интерфейса с сетью не обеспечивает надежности. Вместо этого, большинство ошибок обрабатывает транспортный уровень.

Освобождение уровня интерфейса от верификации делает TCP/IP более легким для реализации. Промежуточные шлюзы могут отбрасывать дейтаграммы, ставшие испорченными из-за ошибок передачи. Они могут отбрасывать любые дейтаграммы, которые не могут быть доставлены. Они могут отбрасывать дейтаграммы, когда скорость их поступления превышает пропускную способность машины. Они могут посылать дейтаграммы по другим путям с меньшей или большей задержкой, не информируя об этом источник или назначение.

Наличие ненадежных каналов означает, что некоторые дейтаграммы не дойдут до назначения. Обнаружение и восстановление после потери дейтаграмм выполняется между источником и назначением, и поэтому называется межконцевой верификацией. Протоколы, находящиеся на транспортном уровне, использует контрольные суммы, подтверждения и таймауты для управления передачей.

Поэтому, в отличие от разделения на уровни в Х.25, ориентированного на соединения, TCP/IP помещает большую часть управления надежностью на один уровень.

Местонахождение средств управления

Другое различие между моделью Х.25 и TCP/IP появляется при определении местонахождения средств управления работой. Как правило, в сетях, использующих Х.25, подразумевается, что сеть - это утилита, обеспечивающая транспортное средство. Производитель, предоставляющий средство, управляет доступом к сети и следит за трафиком для учета работы пользователей. Поставщик сетевого сервиса решает такие проблемы, как маршрутизация и управление потоком внутренним образом, делая процесс передачи данных надежным. При таком подходе на долю сервера мало что остается. Сеть - это сложная, независимая система, к которой могут присоединяться относительно простые ЭМВ, которые мало участвуют в работе сети.

В отличие от Х.25, протокол TCP/IP требует от ЭВМ участия почти во всех сетевых протоколах. ЭВМ принимают участие в обнаружении ошибок и восстановлении после них маршрутизации, так как они должны выбрать шлюз при посылке дейтаграммы, они участвуют в управлении сетью, так как они должны обрабатывать управляющие сообщения ICMP. Поэтому, при сравнении с сетью Х.25, Интернет TCP/IP может рассматриваться как относительно простая система доставки пакетов, к которой присоединены интеллектуальные ЭВМ, а не просто терминалы.

 

Примечание. Протоколы Internet, история их создания и стек TCP/IP подробно рассматриваются в дисциплине Интернет технологии и ресурсы.

Контрольные вопросы

№ п.п.	Вопрос	Ответ
	Протоколы представляют собой	Набор условий (правил), которые регламентируют формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими независимыми устройствами или процессами
	Синтаксис протокола определяет	Поля данных, адресов и их контрольных сумм
	Семантика протокола определяет	Значения полей
	Синхронизация протокола обеспечивает	Скорость передачи данных
	Первый уровень модели ВОС – это:	Физический уровень
	Второй уровень модели ВОС – это:	Канальный уровень
	Третий уровень модели ВОС – это:	Сетевой уровень
	Четвертый уровень модели ВОС – это:	Транспортный уровень
	Пятый уровень модели ВОС – это:	Сеансовый уровень
	Шестой уровень модели ВОС – это:	Представительский уровень
	Седьмой уровень модели ВОС – это:	Прикладной уровень
	Физический уровень протокола X.25 определяет	Стандарт для физического соединения между сервером и сетевыми коммутаторами пакетов, а также процедуры, используемые для передачи пакетов от одной машины к другой
	Канальный уровень протокола X.25 определяет	Каким образом данные передаются между сервером и пакетным коммутатором
	Сетевой уровень протокола X.25 определяет	Базовый элемент, передающийся по сети, который включает адресацию назначения и маршрутизацию к назначению. Обеспечивает возможности, описывающие завершение взаимодействия между сервером и сетью.
	Транспортный уровень протокола X.25 обеспечивает	Сквозную надежность с помощью прямого взаимодействия ЭВМ-источника с ЭВМ-получателем
	Сеансовый уровень протокола X.25 определяет	Организацию протокольного программного обеспечения для предоставления всех возможностей прикладной программе
	Представительский уровень протокола X.25 обеспечивает	Сжатие и распаковку передаваемой информации
	Прикладной уровнь протокола X.25 обеспечивает	Функционирование приложений, использующих сеть, таких как утилиты электронной почты и утилиты передаваемых файлов
	Первый уровень протокола TCP/IP реализует	Интерфейс с сетью обеспечивающий передачу кадров между уровнями сети
	Второй уровень протокола TCP/IP обеспечивает	Формирование и обмен дейтаграммами между уровнями сети
	Третий уровень протокола TCP/IP обеспечивает	Формирование и обмен пакетами между уровнями сети
	Четвертый уровень протокола TCP/IP обеспечивает	Объмен данными или сообщениями между уровнями сети

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: