Рис. 2.3. Включение промежуточных устройств между абонентами сети
Рассмотрим подробнее функции разных уровней [2].
Прикладной (7) уровень, (Application Layer) или уровень приложений, обеспечивает доступ программного обеспечения (ПО) пользователя к сетевому ПО. Примеры задач: передача файлов, доступ к базам данных, электронная почта, служба регистрации на сервере. Этот уровень управляет всеми остальными шестью уровнями. Например, если пользователь работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своем директории на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает перемещение файла с рабочего компьютера на сетевой диск прозрачно для пользователя.
Представительский (6) уровень (Presentation Layer), или уровень представления данных, определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в унифицированную форму, понятную для сетевого ПО. Стандартные форматы существуют для текстовых файлов (ASCII, HTML), звуковых файлов (MIDI, MPEG, WAV), рисунков (JPEG, GIF, TIFF), видео (AVI) и т.д. Здесь пользовательские данные редактируются, перекодируются, шифруются, уплотняются и реорганизуются в сеансовые сообщения. Здесь же производится контроль и восстановление ошибок в сетевом ПО.
Сеансовый (5) уровень (Session Layer) управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и завершает связь). В момент установления сеанса определяется правило ведения диалога и производится администрирование сеанса.
Диалог может быть трех типов:
- симплексный (однонаправленный; один передает, остальные только принимают), полудуплексный (передача данных поочередно в двух направлениях)
- полнодуплексный (передача данных одновременно в двух направлениях).
Сеансовый уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.
Транспортный (4) уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку данных между процессами с заданным уровнем качества. Здесь передаваемые данные частями помещаются в нумерованные пакеты и посылаются в нижележащие уровни. На приемной стороне анализируются номера принимаемых пакетов и их содержимое в должном порядке собирается и передается в вышестоящие уровни. Доставка пакетов возможна как с установлением соединения, так и без установления соединения. Транспортный уровень является пограничным и связующим между верхними тремя, сильно зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, сильно привязанными к конкретной сети.
Сетевой (3) уровень (Network Layer) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических адресов (например, IP-адресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно). На этом же уровне решается задача выбора маршрута, по которому пакет доставляется по назначению. На сетевом уровне действуют такие сложные промежуточные сетевые устройства, как маршрутизаторы. Уровень обеспечивает:
- определение типа соединения (коммутация сетей, коммутация сообщений, коммутация пакетов);
- адресацию в рамках нескольких объединенных сетей;
- маршрутизацию пакетов по логическим каналам;
- разбиение сообщений на пакеты (для уменьшения времени доставки и требований к буферам). Каждый пакет имеет адрес назначения и порядковый номер; существуют пакеты с данными и управляющие пакеты (запрос на соединение или разъединение, готовность приема, подтверждение соединения). Уровень обеспечивает последовательность сборки пакетов, соответствующую последовательности отправки.
- Управление потоками сообщений во избежание заторов и обход поврежденных участков сети по альтернативным маршрутам.
Канальный (2) уровень, или уровень управления линией передачи (Data link Layer), отвечает за формирование кадров данных (фреймов) стандартного для данной сети вида. Здесь производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи путем подсчета контрольных сумм, и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов. Канальный уровень делится на два подуровня: верхний LLC и нижний MAC. На канальном уровне работают такие промежуточные сетевые устройства, как коммутаторы. Уровень определяет:
- логическую топологию сети;
- тип доступа (передача маркера, опрос, конкуренция и т.д.);
- разбивку сообщений по кадрам, нумерацию кадров;
- передачу кадров по физическому пути;
- синхронизацию передачи (указывает начало и конец кадра), синхронизацию кадра (определяет расположение и размер полей в кадре);
- адресует кадры к нужной машине в рамках одной сети.
Физический (1) уровень (Physical Layer) – это самый нижний уровень модели, который осуществляет управления физическим каналом связи (подключение, поддержание и разрыв соединения), параметрами физического канала и формированием электрических сигналов, представляющих собой данные. Уровень определяет:
- параметры физической среды передачи;
- механизм кодирования бит в кадре;
- физическую топологию сети;
- тип соединения (точка с точкой, многоточечное);
- параметры аналоговых и цифровых сигналов (амплитуды, частоты, фазы, фронты и т.д.);
- тип кабеля и способ передачи (широкополосная, узкополосная, в одном кабеле, в двух и т.д.);
- тип уплотнения (мультиплексирования) сигнала: частотное, временное;
- тип передачи: синхронная, асинхронная; дуплексная, полудуплексная и т.д.
Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д. На физическом уровне работают такие сетевые устройства, как трансиверы, репитеры и репитерные концентраторы.
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, например, Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Следовательно, понятие архитектуры сети (Ethernet, Token-Ring и т.д.) охватывает физический и канальный уровни. Более высокие уровни, как правило, не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3, 4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 никак не связаны с аппаратурой, замены одного типа аппаратуры на другой они не замечают.
В уровне 2 (канальном) нередко выделяют два подуровня - LLC и MAC (рис. 2.4):
Рис. 2.4.
Верхний подуровень (LLC – Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи. Строго говоря, эти функции не связаны с конкретным типом сети, но часть из них все же возлагается на аппаратуру сети (сетевой адаптер). Другая часть функций подуровня LLC выполняется программой драйвера сетевого адаптера. Подуровень LLC отвечает за взаимодействие с уровнем 3 (сетевым).
Нижний подуровень (MAC – Media Access Control) обеспечивает непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети. Именно на подуровне MAC осуществляется взаимодействие с физическим уровнем. Здесь производится контроль состояния сети, повторная передача пакетов заданное число раз при коллизиях, прием пакетов и проверка правильности передачи.
2. Сетевые стандарты
Как отмечалось выше, все сетевые взаимодействия подчиняются некоторому набору универсальных соглашений – стандартов. Стандарты – определенные правила, которых должны придерживаться производители для обеспечения совместимости своих продуктов с продуктами других производителей. Помимо модели OSI, существует также и другие стандарты. Это стандарты отдельных фирм; стандарты специальных комитетов и объединений; национальные стандарты; международные стандарты.
В настоящее время основными разработчиками стандартов в области КС являются следующие организации [3]:
· Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO);
· Международный союз электросвязи (International Telecommunications Union, ITU (сектор ITU-T);
· Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute, ANSI);
· Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике - Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE: группа 802);
· Министерство обороны США (Department of Defense, DoD).
Довольно часто используется модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии), которую можно рассматривать как модификацию, развитие, уточнение модели OSI. Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации) относятся к нижним двум уровням модели OSI и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер:
802.1 – объединение сетей с помощью мостов и коммутаторов
802.2 – управление логической связью на подуровне LLC.
802.3 – локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией шина (Ethernet).
802.4 – локальная сеть с топологией шина и маркерным доступом (Token-Bus).
802.5 – локальная сеть с топологией кольцо и маркерным доступом (Token-Ring).
802.6 – городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) с расстояниями между абонентами более 5 км.
802.7 – широкополосная технология передачи данных.
802.8 – оптоволоконная технология.
802.9 – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных.
802.10 – безопасность сетей, шифрование данных.
802.11 – беспроводная сеть по радиоканалу (WLAN – Wireless LAN).
802.12 – локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда (100VG-AnyLAN).
Отдельно следует сказать про вопросы стандартизации в сети Internet. Существует ряд организаций, в основном общественных, которые выполняют конкретные функции, позволяющие хоть как-то поддержать порядок в сети. Эти организации вырабатывают рекомендации, способствуют распространению новых технологий, ведут базы данных адресов, а также выполняют другие функции.
Наиболее известной и глобальной из них является организация Сообщество Интернет - Internet Society (ISOC) (www.isoc.org), которая проводит обсуждения по различным техническим и организационным вопросам использования ресурсов Интернет, а также издает журнал Internet Society News, где представлена информация обо всей сети Интернет.
Выработкой стандартов на протоколы Интернетзанимается общественная организация Инженерные силы Интернет - Internet Engineering Task Force (IETF) (www.ietf.org) .
Проведением исследований, связанных с развитием сети и ее будущим, занимается организация Исследовательские силы Интернет - Internet Research Task Force (IRTF) (www.irtf.org). Подобными же вопросами, но уже в Европе, занимается Европейская ассоциация сетей и пользователей - Reseaux Associes pour la Recherche Europeenne(RARE) (www.rare.nl).
Кроме того, существует организация технического контроля и координации работ Internet Architecture Board (IAB) - для решения ближайших технических проблем и координации долгосрочных исследовательских проектов Интернет, а также несколько Центров сетевой информации (InterNIC, Internet Network Information Center) (www.internic.net), которые распространяют множество информационных материалов по работе организаций в Интернет, в том числе и перечисленных выше.
Список утвержденных официальных стандартов Internet публикуется в виде документа RFC (Request For Comment).
Более подробно ознакомиться с тем, “кто есть кто” в мире телекоммуникаций и в мире стандартов, можно в книге Э. Таненбаума “Компьютерные сети” [3].
Задача процессора — выполнять про¬граммы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, опре¬деляет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым пере¬даются адреса, данные и сигналы управления (Рис.2.1). Шины могут быть внешними (свя¬зывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.
Рисунок 2.1
Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические опера¬ции (например, логическое И).
Внутри центрального процессора находится память для хранения промежу¬точных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из не¬скольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записыва¬ются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.
Самый важный регистр — счетчик команд, который указывает, какую коман¬ду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляет¬ся повсеместно . Еще есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства компьютеров имеются и другие реги¬стры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.
Внутреннее устройство тракта данных типичного фон-неймановского процессо¬ра иллюстрирует рис. 2.2. Тракт данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32), арифметико-логического устройства (АЛУ) и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рис. 2.2 обозначены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока АЛУ производит вычисления. Тракт данных — важная составная часть всех ком¬пьютеров, и мы обсудим его очень подробно.
Рисунок 2.2
АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над вход¬ными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого выходного регистра может записываться обратно в один из регистров или сохра¬нятся в памяти, если это необходимо. Рисунок 2.2 иллюстрирует операцию сло¬жения. Отметим, что входные и выходные регистры есть не у всех компьютеров.
Большинство команд можно разделить на две группы: типа регистр-память и ти¬па регистр-регистр. Команды первого типа вызывают слова из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ (слова — это такие элементы данных, которые перемещаются между памятью и регистрами). Словом может быть целое число. Другие команды этого типа помещают регистры обратно в память.
Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров.
Этот процесс называется циклом тракта данных. В какой-то степени он опреде¬ляет, что может делать машина. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает.
