Компоненты сетей. Сети передачи данных

Рис. 3 — Взаимодействие процессов

Как уже отмечалось, современным вычислительным системам свойственен принцип «открытых» систем, поэтому естественным является использование данного подхода и в компьютерных сетях. В рамках сетевых технологий «открытость» систем используется с целью обеспечения возможности подключения к компьютерной сети оборудования различных фирм без дополнительной доработки сетевого программного и аппаратного обеспечения. При этом основным и, пожалуй, единственным условием является то, чтобы подключаемые системы также отвечали требованиям модели взаимодействия открытых систем.

Стремление к максимальному упорядочению и упрощению процессов разработки, модернизации и расширения сетей определило необходимость введения стандартов, регламентирующих принципы и процедуры организации взаимодействия абонентов компьютерных сетей.

Первой задачей, решенной в рамках стандартизации компьютерных сетей, было определение структуры построения стандартов и принципов организации работ по их созданию. Основополагающим результатом работы в данном направлении явилось создание Стандарта 7498, определяющего так называемую «Базовую эталонную модель взаимодействия открытых систем». Этот стандарт был принят за основу всеми организациями, занимающимися разработкой стандартов в области компьютерных сетей. Данный стандарт определяет:

· понятия и основные термины, используемые при построении открытых систем;

· описание возможностей и набора конкретных услуг, которые должна предоставлять открытая система;

· логическую структуру открытых систем; протоколы, обеспечивающие услуги открытых систем.

1.6.3 Модель OSI

В соответствии со стандартом 7498 открытой системойсчитается система, отвечающая требованиям эталонной модели взаимодействия открытых систем, реализующая стандартный набор услуг и поддерживаемая стандартными протоколами. Соблюдение этих требований обеспечивает возможность взаимодействия открытых систем между собой, несмотря на их технические и логические различия в реализации, что является достаточно существенным фактором построения компьютерных сетей. Открытые системы объединяются с помощью сети передачи данных в открытую компьютерную сеть. Следует подчеркнуть, что модель взаимодействия открытых систем не рассматривает структуру и характеристики физических средств соединения, а только определяет основные требования к ним.

Для обеспечения открытости, гибкости и эффективности сети управление процессами организуется по многоуровневой схеме, приведенной на рис. 4. В каждой из систем прямоугольниками обозначены программные и аппаратные модули, реализующие определенные функции обработки и передачи данных.

Рис. 4 — Многоуровневая организация ИВС

В процессе построения любой многоуровневой структуры возникает задача определения оптимального числа ее уровней. Так при разработке эталонной модели число ее уровней определялось из следующих соображений:

· разбивка на уровни должна максимально отражать логическую структуру компьютерной сети;

· межуровневые границы должны быть определены таким образом, чтобы обеспечивались минимальное число и простота межуровневых связей;

· большое количество уровней, с одной стороны, упрощает внесение изменений в систему, а с другой стороны, увеличивает количество межуровневых протоколов и затрудняет описание модели в целом.

Модули распределены по уровням 1...7. Уровень 1 является нижним, а уровень 7 верхним. Модуль уровня nфизически взаимодействует только с модулями соседних уровней n+1 и n–1.Модуль уровня 1 взаимодействует с передающей средой, которая может рассматриваться как объект уровня 0. Прикладные процессы принято относить к верхнему уровню иерархии, в данном случае, к уровню 7. Физически связь между процессами обеспечивается передающей средой. Взаимодействие прикладных процессов с передающей средой организуется с использованием шести промежуточных уровней управления 1...6, которые удобно рассматривать, начиная с нижнего.

Уровень 1 — физическийреализует управление каналом связи, что сводится к подключению и отключению канала связи и формированию сигналов, представляющих передаваемые данные. Из-за наличия помех, воздействующих на канал, в передаваемые данные вносятся искажения и снижается достоверность передачи: вероятность ошибки 10^–4...10^–6.

Уровень 2 — канальныйобеспечивает надежную передачу данных через физический канал, организуемый на уровне 1. Вероятность искажения данных, гарантируемая уровнем 2, не ниже 10^–8...10^–9. Для обеспечения надежности используются средства контроля принимаемых данных, позволяющие выявлять ошибки. При обнаружении ошибки производится повторный запрос данных. Уровень управления каналом обеспечивает передачу через недостаточно надежный физический канал данных с достоверностью, необходимой для нормальной работы системы;

Уровень 3 — сетевойобеспечивает передачу данных через базовую сеть передачи данных. Управление сетью, реализуемое на этом уровне, состоит в выборе маршрута передачи данных по линиям, связывающим узлы сети.

Уровни 1...3 организуют базовую сеть передачи данных между абонентами сети.

Уровень 4 — транспортныйреализует процедуры сопряжения абонентов сети (главных и терминальных компьютеров) с базовой СПД. На этом уровне возможно стандартное сопряжение различных систем с сетью передачи данных, и тем самым организуется транспортная службадля обмена данными между сетью и системами сети.

Уровень 5 — сеансовыйорганизует сеансы связи на период взаимодействия процессов. На этом уровне по запросам процессов создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются логические каналы соединения.

Уровень 6 — представленияосуществляет трансляцию различных языков, форматов данных и кодов для взаимодействия разнотипных компьютеров, оснащенных специфичными операционными системами и работающих в различных кодах между собой и с терминалами разных типов. Процедуры уровня представления интерпретируют стандартные сообщения применительно к конкретным системам, компьютерам и терминалам. Этим создается возможность взаимодействия, например, одной программы с терминалами разных типов.

Рассмотренная многоуровневая организация обеспечивает независимость управления на уровне nот порядка функционирования нижних и верхних уровней. В частности, управление каналом (уровень 2) происходит независимо от физических аспектов функционирования каналов связи, которые учитываются только на уровне 1. Управление сетью реализует специфичные процессы передачи данных по сети, но транспортный уровень взаимодействует с сетью передачи данных как единой системой, обеспечивающей доставку сообщений абонентам сети. Прикладной процесс создается только для выполнения определенной функции обработки данных без учета структуры сети, типа каналов связи, способов выбора маршрутов и т.д. Этим обеспечивается открытость и гибкость системы.

Число уровней и распределение функций между ними существенно влияют на сложность программного обеспечения компьютеров, входящих в сеть, и на эффективность сети. Формальной процедуры выбора числа уровней не существует. Выбор производится эмпирическим путем на основе анализа различных вариантов организации сетей и опыта разработки и эксплуатации ранее созданных сетей. Рассмотренная семиуровневая модель (OSI), именуемая архитектурой открытых систем,принята в качестве стандарта и используется как основа при разработке ИВС.

1.6.4 Структурасообщений

Многоуровневая организация управления процессами в сети порождает необходимость модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Модификация выполняется по схеме, представленной на рис. 5. Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовкоми окончанием, в которых содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адрес отправителя, получателя, канала, порта и т.д. Заголовок и окончание называются обрамлением сообщения(данных). Сообщение, сформированное на уровне n+1, приобработке на уровне nснабжается дополнительной информацией в виде заголовка З_n и окончания К_n. Это же сообщение, поступая на нижележащий уровень, в очередной раз снабжается дополнительной информацией — заголовком 3_n1 и окончанием К_n1. При передаче от низших уровней к высшим сообщение освобождается от соответствующего обрамления. Таким образом, каждый уровень оперирует с собственными заголовком и окончанием, а находящаяся между ними последовательность символов рассматривается как данные более высокого уровня. За счет этого обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачи сообщения.

Рис. 5 — Структура сообщений на разных уровнях

Снабжение сообщений обрамлением — процедура, аналогичная вложению в конверт, используемый в почтовой связи. Все данные, необходимые для передачи сообщения, указываются на конверте. При передаче этого сообщения на нижестоящий уровень оно вкладывается в новый конверт, снабженный соответствующими данными. Поступающее в систему сообщение проходит от нижних уровней к верхним (рис. 5). Таким образом, каждый уровень управления оперирует не с самими сообщениями, а только с «конвертами», в которых «упакованы» сообщения. Поэтому состав сообщений, формируемых на верхних уровнях управления передачей, никак не влияет на функционирование нижних уровней.

1.6.5 Протоколы

Гибкость организации и простота реализации сетей достигаются за счет того, что обмен сообщениями (данными) допускается только между процессами одного уровня. Это означает, что прикладной процесс может взаимодействовать только с прикладным процессом, а процессы управления передачей сообщения на уровнях 1, 2,... только с процессами одноименных уровней. Эта схема взаимодействия процессов, как и процедура обрамления сообщений, необходимое условие логической независимости уровней организации сети.

Рассматриваемая схема взаимодействия процессов изображена на рис. 6. Прикладной процесс в системе А (уровень 7) формирует сообщения прикладному процессу в системе Б, сообразуясь только с логикой взаимодействия этих двух прикладных процессов, но не с организацией сети. Физически сообщения, формируемые процессом в системе А, проходят последовательно через уровни 6, 5,..., 1, подвергаясь процедурам последовательного обрамления, передаются через каналы связи и затем через уровни 1, 2,..., 6, на которых с сообщений последовательно снимается обрамление, поступают к процессу Вполностью расконвертированными.

Рис. 6 — Сетевые протоколы и интерфейсы

Аналогично процесс управления транспортировкой сообщений в базовую сеть СПД (уровень 4) отправляет собственные данные в обрамлении сообщения. Все данные, которые находятся вне обрамления, не имеют никакого смысла для этого процесса. Таким образом, процессы одного уровня в разных системах обмениваются данными в основном с помощью заголовков и окончаний сообщений. Системный процесс может послать собственное сообщение другому процессу такого же уровня в установленном порядке. При этом весь текст сообщения будет относиться к одноименному процессу в другой системе. Такие сообщения называются управляющимии используются в основном на уровнях 2...5.

Набор семантических и синтаксических правил, которые определяют поведение систем или устройств (их частей), выполняющих определенные логически связанные группы функций при передаче данных (правила взаимодействия процессов на основе обмена сообщениями), называется протоколом. Для процессов каждого уровня используются протоколы П1, П2…П7.

Протоколы имеют следующие особенности, отличающие их от интерфейсов:

· параллельность взаимодействующих процессов;

· взаимная неопределенность состояния процессов, связанная с отсутствием у каждого из них полной информации о состоянии другого процесса;

· отсутствие однозначной зависимости между событиями и действиями, выполняемыми при их наступлении;

· отсутствие полной гарантии доставки сообщений.

При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики. Логическая характеристика протокола это его структура (формат) и содержание (семантика) сообщений. Логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называются процедурной характеристикой протокола. Процедурная характеристика протокола может представляться в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

Таким образом, логика организации сети в наибольшей степени определяется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки, реакцию на входящие сообщения и генерацию собственных сообщений. Число уровней управления и типы используемых протоколов определяют архитектуру сети.

1.6.6 Режимы передачи данных в сетях

Информационный обмен между абонентами может осуществляться тремя различными способами: коммутацией каналов, сообщений и пакетов.

Коммутация каналовобеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами. Процесс коммутации канала и передачи данных между абонентами сети, изображенной на рис. 7, представлен временной диаграммой. Абонент А1 инициирует установление связи с абонентом А2. Узел связи А, реагируя на адрес абонента А1, ее создает соединение, в результате чего линия абонента А1 коммутируется с линией, соединяющей узел А с узлом В. Затем процедура создания соединения повторяется с узлами В, С и D, в результате чего между абонентами А1 и А2 коммутируется канал. По окончании коммутации узел D или абонент посылает сигнал обратной связи, после получения которого абонент А1 начинает передавать данные. Время передачи данных зависит от длины передаваемого сообщения, пропускной способности канала (скорости передачи данных) и времени распространения сигнала по каналу. Значение U1 определяет время доставки сообщения.

Коммутация сообщений производится путем передачи сообщения, содержащего заголовок и данные, по маршруту, определяемому узлами сети. В заголовке сообщения указывается адрес абонента А1 — получателя сообщения. Сообщение, генерируемое отправителем — абонентом А1, принимается узлом А и хранится в памяти узла. Узел А обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут передачи сообщения, ведущий к узлу В. Узел В принимает сообщение, размещая его в памяти, а по окончании приема обрабатывает заголовок и выводит сообщение из памяти на линию связи, ведущую к следующему узлу. Процесс приема, обработки и передачи сообщения повторяется последовательно всеми узлами на маршруте от абонента А1 до абонента А2. Значение U2 определяет время доставки данных при коммутации сообщений.

Рис. 7 — Коммутация каналов, сообщений и пакетов

Коммутация пакетовпроизводится путем разбивки сообщения на пакеты — элементы сообщения, снабженные заголовком и имеющие фиксированную максимальную длину, и последующей передачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети. Передача данных при коммутации пакетов происходит так же, как и при коммутации сообщений, но данные разделяются на последовательность пакетов 1, 2,…N, длина которых ограничена предельным значением, например 1024 бит.

В сети коммутация пакетов — основной способ передачи данных. Это обусловлено тем, что коммутация пакетов приводит к малым задержкам при передаче данных через СПД, а также следующими обстоятельствами.

Во-первых, способ коммутации каналов требует, чтобы все соединительные линии, из которых формируется канал, имели одинаковую пропускную способность, что крайне ужесточает требования к структуре СПД. Коммутация сообщений и пакетов позволяет передавать данные по линиям связи с любой пропускной способностью.

Во-вторых, представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных. На рис. 1.8 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая принцип мультиплексирования потоков данных. На первых трех осях изображены потоки данных (пакетов), генерируемых абонентами а1, а2, а3. Двойная нумерация пакетов на рисунке означает номер абонента и номер пакета в потоке. Канал используется для обслуживания трех абонентов путем разделения во времени, то есть поочередного предоставления канала абонентам. Благодаря этому эффективно используются линии связи, соединяющие узлы связи и компьютеры с СПД, и одна линия связи обеспечивает работу многих взаимодействующих абонентов. Экономичность коммутации пакетов несколько снижается из-за размножения заголовков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующих потоков данных.

В-третьих, малая длина пакетов позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений.

В-четвертых, надежность передачи данных по линиям связи невелика. Типичная линия связи обеспечивает передачу данных с вероятностью искажений 10^–4...10^–6. Чем больше длина передаваемого сообщения, тем больше вероятность того, что оно будет искажено помехами. Пакеты, имея незначительную длину, в большей степени гарантированы от искажений, чем сообщения. К тому же искажение исключается путем перезапроса данных (метод автоматического запроса при ошибке ARQ: Automatic ReQuest). Пакеты значительно лучше согласуются с механизмом перезапросов, чем сообщения, и обеспечивают наилучшее использование пропускной способности линии связи, работающей в условиях помех.

Рис. 8 —Временное объединение (мультиплексирование)

потоков данных

Выбор длины пакетов производится, исходя из размера сообщения, с учетом влияния длины пакетов на время доставки данных, пропускную способность линий связи, емкость памяти и загрузку компьютеров.

1.6.7 Дейтаграммы и виртуальные каналы

В сети с коммутацией пакетов используются два способа передачи данных между абонентами: дейтаграммный и виртуальный канал.

Дейтаграммный способ — передача данных как отдельных, не связанных между собой пакетов. При этом пакеты, поступая в СПД, передаются ею как независимые объекты, в результате чего каждый пакет может следовать любым возможным маршрутом и совокупность пакетов поступает к получателю в любом порядке, то есть пакет, отправленный первым, может прибыть в пункт назначения последним. При дейтаграммном способе не гарантируется ни очередность поступления пакетов получателю, ни надежность доставки пакетов. Передача дейтаграммным способом напоминает работу почты, когда информация пересылается как совокупность почтовых отправлений, например, пачками писем.

Виртуальный канал — передача данных в виде последовательностей, связанных в цепочки пакетов. Основное свойство виртуального канала — сохранение порядка поступления пакетов. Это означает, что отсутствие одного пакета в пункте назначения исключает возможность поступления всех последующих пакетов. Организация виртуального канала между двумя процессами равносильна выделению им дуплексного канала связи, по которому данные передаются в их естественной последовательности. Виртуальный канал сохраняет все вышеописанные преимущества коммутации пакетов в отношении скорости передачи и мультиплексирования, но добавляет к ним еще одно основное свойство реального канала сохранять естественную последовательность данных. Дейтаграммный способ позволяет передавать данные без предварительных процедур установки соединений. Виртуальный канал организуется с помощью специальных процедур установления соединения, аналогичных по цели набору номера телефона в системе телефонной связи. При этом в системе телефонной связи коммутируется соединение между абонентами, которое по окончании разговора распадается на составные части, в дальнейшем используемые для установления других соединений. Таким же образом создается виртуальный канал, который после организации используется для передачи данных между другими абонентами — процессами, обеспечивающими связь в других направлениях. По окончании сеанса связи канал ликвидируется и используемые им ресурсы возвращаются для установки новых виртуальных соединений.

Характеристики дейтаграммного способа передачи данных и способа, основанного на использовании виртуального канала, приведены в табл. 1.

Таблица 1 — Характеристики способов передачи данных (коммутация

пакетов)

Вероятность потери пакетов при доставке дейтаграмм равна примерно 10^–4. Поскольку передача данных через виртуальный канал требует слежения за номерами пакетов в строгом порядке, сложность алгоритмов управления в узлах связи, реализуемых коммутационными компьютерами, возрастает по сравнению с дейтаграммным способом передачи пакетов. Но в то же время функция сборки сообщений из отдельных пакетов, передаваемых в форме дейтаграмм, возлагается на транспортный уровень управления главных и терминальных компьютеров, в результате чего сложность транспортировки при дейтаграммном способе возрастает по сравнению с транспортировкой данных в СПД по виртуальному каналу.

Передача данных через виртуальный канал обходится дороже, чем при дейтаграммном способе. Однако большое число пользователей вычислительных сетей считают необходимым сохранить последовательность пакетов для упрощения прикладных программ. Поэтому виртуальные каналы рассматриваются как эффективное средство при распределенной обработке данных и способ передачи данных на основе виртуального канала реализуется в большинстве ИВС.

Дейтаграммный способ позволяет эффективно реализовать информационный обмен между пользователями — электронную «почтовую службу». Кроме того, при значительном числе процессов обработки данных обмен данными можно представлять в виде однопакетных сообщений, передача которых дейтаграммным способом снижает расходы на передачу данных и оказывается эффективной в ряде применений. Поэтому дейтаграммный способ передачи также используется в ИВС. Реализация дейтаграммного способа в дополнение к виртуальным каналам лишь незначительно увеличивает сложность ИВС. Поэтому во многих сетях передача данных организуется на основе и виртуального канала, и дейтаграмм.