Модель OSI и обмен данными между компьютерными системами

Информация, передаваемая по сети из приложения, расположенного на одном компьютере, в приложение на другом компьютере, должна пройти через несколько уровней модели OSI. Например, если приложению на компьютере А необходимо передать информацию приложению на компьютере В, то приложение на компьютере А сначала передает ее на уровень приложений (уровень 7) компьютера А. Затем с уровня приложений информация передается на уровень представления (уровень 6), который перенаправляет ее на уровень сеанса связи (уровень 5), и так далее, вплоть до физического уровня (уровень 1). На физическом уровне информация помещается на физический сетевой носитель и пересылается по нему на компьютер В. Физический уровень компьютера В извлекает информацию с физического носителя и передает ее на канальный уровень (уровень 2), который в свою очередь передает ее на сетевой уровень (уровень 3), и так далее, пока информация не достигнет уровня приложений (уровень 7) компьютера В. На последнем этапе уровень приложений компьютера В передает информацию приложению-получателю, чем и завершается процесс обмена данными.

Взаимодействие уровней эталонной модели OSI

Каждый уровень модели OSI обычно взаимодействует с тремя другими уровнями: теми, что находятся непосредственно над и под ним, а также с таким же уровнем других компьютерных систем, подключенных к сети. Например, канальный уровень системы А взаимодействует с сетевым и физическим уровнями системы А, а также с канальным уровнем системы В (рис. 1.4).

Рис. L4. Каждый уровень модели OSI взаимодействует с тремя другими уровнями

Службы уровней OSI

Каждый уровень модели OSI взаимодействует с другими уровнями для того, чтобы воспользоваться предоставляемыми ими службами. Эти службы дают возможность определенному уровню OSI взаимодействовать с таким же уровнем другой компьютерной системы. Говоря о службах уровней, необходимо дать определение трем базовым элементам: пользователь службы, провайдер службы и точка доступа к службе.

В данном контексте пользователь службы представляет собой уровень OSI, который запрашивает службы смежного уровня OSI, а провайдером службы является уровень OSI, который предоставляет пользователю доступ к службе. Уровни OSI могут предоставлять службы нескольким пользователям. Точка доступа к службе (Service Access Point — SAP) является тем уровнем, на котором один уровень OSI может запрашивать службы другого уровня.

На рис. 1.5 показана схема взаимодействия этих трех элементов на сетевом и канальном уровнях.

Рис. 1.5. Взаимодействие пользователей и провайдеров служб, а также точек доступа к службам (SAP) на сетевом и канальном уровнях

Уровни модели OSI и обмен информацией

На семи уровнях OSI используются различные формы управляющей информации для обмена данными с такими же уровнями других компьютерных систем. Эта управляющая информация состоит из особых запросов и инструкций, которыми обмениваются одноименные уровни OSI.

Управляющая информация делится на два типа: заголовки и трейлеры. Заголовки (header) предшествуют данным, передаваемым с верхних уровней на более низкие. Трейлеры (trailers) присоединяются после таких данных. Присоединение каким-либо уровнем OSI заголовка или трейлера к данным, поступившим с верхних уровней, не является обязательным.

Понятия заголовка, трейлера и данных являются относительными, они зависят от того, па каком уровне анализируется модуль данных. Например, на сетевом уровне модуль данных состоит из заголовка уровня 3 и собственно данных. Однако на канальном уровне вся информация, переданная с сетевого уровня, (т.е. заголовок уровня 3 и данные) рассматривается как данные.

Иными словами, та часть информации, которая на определенном уровне OSI рассматривается как данные, потенциально может содержать заголовки, трейлеры и данные всех высших уровней. Такой способ организации данных называется инкапсуляцией (encapsulation). На рис. 1.6 показано, как заголовок и данные одного уровня инкапсулируются в поле данных уровня, расположенного непосредственно под ним.

Рис. 1.6. Инкапсуляция заголовков и данных при обмене информацией

Процесс обмена информацией

Обмен информацией происходит между одинаковыми уровнями модели OSI. Каждый уровень компьютерной системы-источника добавляет к данным управляющую информацию, а каждый уровень системы-получателя, анализирует ее и отделяет от нее данные.

Если компьютерная система А имеет данные приложения для передачи в систему В, то эти данные сначала передаются на уровень приложений. Затем уровень приложений системы А добавляет к данным всю управляющую информацию, необходимую для уровня приложений системы В, включая ее в заголовок. Полученный модуль данных (заголовок и данные) передается на уровень представления данных, который добавляет собственный заголовок, содержащий управляющую информацию для уровня представления данных системы В. По мере перехода с одного уровня на другой, размер модуля данных растет, так как каждый уровень присоединяет к полученным данным собственный заголовок (а иногда и трейлер), содержащий управляющую информацию для использования тем же уровнем системы В. На физическом уровне весь модуль данных помещается на сетевой носитель.

Физический уровень системы В получает модуль данных и передает его на канальный уровень. Этот уровень системы В просматривает управляющую информацию, содержащуюся в заголовке, помещенном в модуль данных на канальном уровне системы А. После этого заголовок удаляется, а оставшаяся часть модуля данных передается на сетевой уровень. На остальных уровнях происходит то же самое: заголовок, переданный одноименным уровнем системы А, просматривается, удаляется, а оставшийся модуль данных передается на вышестоящий уровень. После того как эти действия будут выполнены на уровне приложений, данные передаются приложению-получателю системы В в том же виде, в каком они были переданы приложением системы А.

Физический уровень модели OSI

Физический уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации по активированию, поддержке и прекращению физической связи между обменивающимися информацией сетевыми системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжения, синхронизацию изменений напряжения, физическую скорость передачи данных, максимальное расстояние, на которые могут передаваться данные, а также характеристики физических соединителей кабелей и устройств. Варианты реализации физического уровня можно разделить на категории в зависимости от спецификаций локальных и распределенных сетей. На рис. 1.7 представлены некоторые общепринятые варианты реализации физического уровня в локальных и распределенных сетях.

Рис. 1.7. Физический уровень реализуется в виде спецификаций локальных или распределенных сетей

Канальный уровень эталонной модели OSI

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных по физической сети. Спецификации канального уровня определяют характеристики сети и протоколов, включая физическую адресацию, топологию сети, сообщения об ошибках, регистрацию последовательности фреймов и управление потоком. Физическая адресация (в отличие от сетевой) определяет способы обращения к устройствам на канальном уровне. Сетевая топология состоит из спецификаций канального уровня, которые зачастую определяют способ физического соединения устройств — например, шинная или кольцевая топология. Сообщения об ошибках предупреждают протоколы высшего уровня, что при передаче данных произошла ошибка, а система управления последовательностью фреймов возвращает на свои места фреймы, переданные в неправильной последовательности. Наконец, система управления потоком регулирует передачу данных таким образом, чтобы интенсивность потока данных, поступающего на вход принимающего устройства, соответствовала возможностям его обработки.

Стандарты института IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers — IEEE) подразделяют канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (Logical Link Control — LLC) и управление доступом к носителю (Media Access Control — MAC). Подуровни IEEE канального уровня показаны на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Канальный уровень подразделяется на два подуровня

Подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control — LLC) управляет обменом данными между устройствами в сети по одной линии связи. Подуровень LLC описан в спецификации IEEE 802.2 и поддерживает как службы, не требующие подтверждения соединения, так и службы, ориентированные на соединение, используемые протоколами высших уровней. Спецификация IEEE 802.2 определяет ряд полей во фреймах канального уровня, которые позволяют нескольким протоколам высших уровней совместно использовать один и тот же физический канал передачи данных. Подуровень управления доступом к среде передачи (Media Access Control — MAC) управляет доступом протокола к физическому сетевому носителю. МАС-спецификация IEEE определяет МАС-адреса, которые позволяют нескольким устройствам безошибочно распознавать друг друга на канальном уровне.

Сетевой уровень эталонной модели OSI

На сетевом уровне определяется сетевой адрес (его следует отличать от МАС-адреса). Некоторые реализации сетевого уровня, например протокол Internet (Internet Protocol —IP), определяют сетевые адреса таким образом, чтобы выбор маршрута мог быть сделан с помощью известного алгоритма, например, путем сравнения сетевого адреса источника с сетевым адресом приемника/получателя и наложения маски подсети. Поскольку сетевой уровень определяет логическую структуру сети, маршрутизаторы могут использовать этот уровень для того, чтобы определить направление последующей пересылки пакета. Вследствие этого значительная часть работы по проектированию и конфигурированию объединенных сетей происходит на 3-м (сетевом)уровне.

Транспортный уровень эталонной модели OSI

Транспортный уровень принимает данные от сеансового уровня и сегментирует их для передачи по сети. Как правило, транспортный уровень отвечает за доставку данных без ошибок и в правильной последовательности. Обычно управление потоком происходит именно на этом уровне.

Система управления потоком следит за передачей данных между устройствами для того, чтобы передающее устройство не отправляло больше данных, чем может обработать принимающее устройство. Мультиплексирование позволяет передавать по одному физическому каналу данные от нескольких приложений. На транспортном уровне также создаются, поддерживаются и ликвидируются виртуальные каналы. В целях контроля ошибок создаются различные механизмы распознавания ошибок передачи, а для их исправления выполняются определенные действия, например, запрос на повторную передачу данных.

В сети Internet применяются транспортные протоколы TCP и UDP.

Сеансовый уровень модели OSI

На сеансовом уровне устанавливаются сеансы обмена данными, происходит управление ими и их завершение. Сеансы взаимодействия состоят из запросов к службам и ответов от них, передаваемых между приложениями, находящимися на разных сетевых устройствах. Эти запросы и ответы координируются протоколами, реализованными на сеансовом уровне. В качестве примеров реализации сеансового уровня можно привести протокол Zone Information Protocol (ZIP), используемый в сетях AppleTalk и координирующий процесс привязки имен, протокол управления сеансом (Session Control Protocol — SCP) и протокол сеансового уровня DECnet Phase IV.

Уровень представления эталонной модели OSI

Уровень представления данных обеспечивает выполнение различных операций кодирования и преобразования, которым подвергаются данные уровня приложений. Эти функции гарантируют, что информация, полученная с уровня приложений одной системы, может быть прочитана уровнем приложений другой системы. В качестве примеров схем кодирования и преобразования уровня представления можно привести общеупотребительные форматы представления данных, преобразование символьных форматов, общепринятые схемы сжатия и шифрования данных.

Стандартные форматы представления данных, в том числе изображений, звука и видео, позволяют обмениваться данными приложениям, установленным на компьютерных системах различных типов. Для обмена информацией с системами, использующими различные представления текста и данных, такие как EBCDIC и ASCII, применяются схемы преобразования. Стандартные схемы сжатия позволяют правильно распаковывать, а схемы шифрования — расшифровывать на устройстве-получателе данные, сжатые или зашифрованные на устройстве-источнике.

Реализации уровня представлений обычно не связаны с каким-либо определенным стеком протоколов. В число популярных стандартов для передачи видеоданных входят QuickTime и Motion Picture Experts Group (MPEG). QuickTime является спецификацией компании Apple Computer для обработки видео и аудиоданных, a MPEG представляет собой стандарт сжатия и кодирования видеоданных.

Среди популярных форматов графических изображений следует назвать стандарты Graphics Interchange Format (GIF), Joint Photographic Experts Group (JPEG) и Tagged Image File Format (TIFF). GIF и JPEG являются стандартами сжатия и кодирования графических изображений, а стандарт TIFF определяет только кодирование данных.

Уровень приложений модели OSI

Уровень приложений представляет собой ближайший к пользователю уровень OSI. Уровень приложений эталонной модели OSI, как и пользователь, непосредственно взаимодействуют с прикладным программным обеспечением.

Этот уровень взаимодействует с приложениями, имеющими в своем составе коммуникационные компоненты. Такие приложения выходят за рамки эталонной модели OSI. Функции уровня приложений обычно состоят в том, чтобы определить партнеров по обмену данными, доступность ресурсов и синхронизировать обмен информацией.

Определяя партнеров по обмену данными, уровень приложений идентифицирует их и определяет их доступность для приложения, которое передает данные. Определяя доступность ресурсов, уровень приложений должен выяснить, имеются ли достаточные сетевые ресурсы для удовлетворения запроса на обмен данными. При синхронном обмене данными взаимодействие между приложениями требует согласованности, которая обеспечивается уровнем приложений.

В качестве примеров реализации уровня приложений можно привести протоколы Telnet, протокол передачи файлов (File Transfer Protocol — FTP) и простой протокол передачи электронной почты (Simple Mail Transfer Protocol — SMTP).

Литература:

Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100