74505

Модель OSI. Принцип взаимодействия компьютеров в сети

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

В модели OSI все протоколы сети делятся на семь уровней: физический канальный сетевой транспортный сеансовый представительный и прикладной Рис. Основной задачей канального уровня является прием кадра из сети и отправка его в сеть. Кадр может быть доставлен по сети к другому компьютеру только в том случае если протокол соответствует той топологии для которой он был разработан. Сетевой уровень Network lyer служит для образования единой системы объединяющей несколько сетей причем эти сети могут быть различной топологии...

Русский

2014-12-31

211 KB

7 чел.

Компьютерные информационные технологии (КИТ)

Лекция 7

СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  

7.1 Модель OSI

В начале 80-х годов двадцатого столетия ряд международных организаций, в их число входила и организация ISO (International Organization of Standardization), разработали стандартную модель сетевого взаимодействия, которую назвали моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection). В модели OSI все протоколы сети делятся на семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный и прикладной (Рис.1).

В стандарте  OSI для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы различных уровней, используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).

Физический уровень (Physical layer)  имеет дело с передачей битов информации по физическим каналам связи. Такими каналами могут быть, например, коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель. На этом уровне стандартизируются характеристики электрических сигналов, уровни напряжения и тока, тип кодировки информации, скорость передачи сигналов, а также типы разъемов и назначение каждого контакта.

Канальный уровень (Data Link layer) обеспечивает надежную передачу данных через физический канал. Канальный уровень оперирует блоками данных, называемых  кадрами.   Основной задачей канального уровня является прием кадра из сети и отправка его в сеть.  При выполнении этой задачи канальный уровень осуществляет физическую адресацию передаваемых сообщений, контролирует соблюдение правил использования физического канала, выявляет неисправности, управляет потоками информацию. Кадр может быть доставлен по сети к другому компьютеру только в том случае, если протокол соответствует той топологии, для которой он был разработан. К таким топологиям относятся указанные выше топологии общая  шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100 VG – AnyLAN, Для реализации протоколов канального уровня используется специальное оборудование: концентраторы, коммутаторы.      

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут быть различной топологии, использовать совершенно различные принципы сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает данные о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты информации из одной сети в другую. Последовательность  маршрутизаторов, через которые проходит пакет, называется маршрутом, а выбор маршрута называется маршрутизацией. Маршрутизация является главной задачей сетевого уровня. На сетевом уровне действуют  три протокола: сетевой протокол - для определения правил передачи пакетов от конечных узлов к маршрутизаторам и между маршрутизаторами; протокол маршрутизации- для сбора  информации о топологии сети; протокол разрешения адресов- для отображения адреса узла, используемого на сетевом уровне в локальный адрес сети.(ARP -адрес). Примерами протоколов сетевого уровня  являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека  TCP/ IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Транспортный уровень (Transport layer) предназначен для оптимизации передачи данных от отправителя к получателю с той степенью надежности, которая требуется. Основная задача транспортного уровня- это обнаружение и исправление ошибок в сообщениях, пришедших с описанных выше уровней.

Начиная с транспортного уровня, все дальнейшие протоколы реализуются программным обеспечением компьютера, включаемого обычно в состав сетевой операционной системы. Примерами транспортных протоколов  являются протоколы TCP стека TCP/ IP  и протокол SPX Novell.

Сеансовый уровень (Session layer) управляет диалогом между двумя компьютерами. На этом уровне устанавливаются правила начала и завершения взаимодействия. На сеансовом уровне определяется, какая из сторон является активной в данный момент, а какая принимает данные.

Представительный уровень (Presentation layer) выполняет преобразование данных между устройствами с различными форматами данных, не меняя при этом содержания. Благодаря этому уровню информация, передаваемая прикладным уровнем одного компьютера всегда понятна прикладному уровню другого компьютера. На этом уровне, как правило, происходит шифрование и дешифрование данных, благодаря которому обеспечивается секретность предаваемого сообщения.

Прикладной уровень (Application layer) является пользовательским  интерфейсом для работы  с сетью. Этот уровень непосредственно взаимодействует с пользовательскими прикладными программами, предоставляя им доступ в сеть. С помощью протоколов этого уровня пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры, гипертекстовые  Web – страницы, электронная почта и т.д.  

Необходимо отметить, что три нижних уровня модели OSI – физический, канальный и сетевой- зависят от сети, т.е. их протоколы тесно связаны с технической реализацией сети и с используемым коммутационным оборудованием. Три верхних уровня-  сеансовый, представления и прикладной – ориентированы на программное обеспечение и мало зависят от особенностей построения сети (топологии, оборудования и т.д.). Транспортный уровень является промежуточным. Он скрывает детали  функционирования нижних уровней от верхних уровней. Благодаря этому уровню можно разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств транспортировки сообщений.   

Модель OSI  является так называемой открытой системой, т.е. она имеет опубликованные, общедоступные спецификации и стандарты, принятые в результате достижения  согласия многих разработчиков и пользователей после всестороннего обсуждения. Эта модель доступна всем разработчикам и для ее использования не требуется получения специальных  лицензий. Если две сети построены с соблюдением правил открытости то у них есть возможность использования аппаратных и программных средств разных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта, такие сети легко сопрягаются друг с другом, просты в освоении и обслуживании.

Ярким примером открытой системы является глобальная компьютерная сеть Интернет. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке стандартов Интернет принимали и принимают участие тысячи специалистов и пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм- производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения из разных стран.

Само название стандартов, определяющих работу Интернет – Request For Comments -  переводится как «запрос на комментарии», т.е. для введения новых стандартов в этой сети проводится открытый опрос мнений пользователей и только затем вносятся изменения. В результате сеть Интернет сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование  и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру.

Как уже указывалось в предыдущей лекции, основой сети Интернет является стек проколов TCP/ IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol). В этом протоколе существую не семь, а четыре уровня модели OSI:  объединены физический и канальный уровень, на прикладном уровне совмещены протоколы прикладного и представительного уровне, а на уровне TCP реализованы протоколы сеансового и транспортного уровня (Рис.2).

7.2 Принцип взаимодействия компьютеров в сети

Рассмотрим  взаимодействие на примере работы протокола TCP/ IP

Взаимодействие компьютеров в сети начинается с того, что приложение (программа пользователя) одного компьютера обращается к прикладному уровню другого компьютера, например, к файловой системе. Приложение первого компьютера формирует с помощью операционной системы сообщение стандартного формата, состоящее из  заголовка и поля данных.

Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо предать через сеть прикладному уровню другого компьютера, чтобы сообщить ему, какую работу необходимо выполнить. (Например,  о размере файла и где он находится). Кроме этого в заголовке имеется информация для следующего нижнего уровня, чтобы он «знал», что делать с этим сообщением. В поле данных находится информация, которую  необходимо поместить в найденный файл.  Сформировав сообщение, прикладной уровень направляет его «вниз» уровню TCP. Прочитав заголовок, TCP- уровень выполняет требуемые действия над сообщением (см. след. лекции) и добавляет к сообщению собственную служебную информацию – заголовок  TCP -уровня, в котором содержаться указания для протоколов TCP -уровня второго компьютера. Полученное в результате сообщение передается вниз IP- уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. При достижении сообщением нижнего, физического уровня, у него имеется множество заголовков, добавленных на каждом предыдущем уровне (сообщение вложено внутрь, как в матрешку). В таком виде оно и передается по сети (Рис3).

Второй компьютер принимает его на физическом уровне и последовательно перемещает его вверх с уровня на уровень (Рис.4). Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие этому уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение дальше вышележащему уровню.

Как видно из рис 3., информация, передающаяся в линию связи содержит большое количество служебных заголовков, которые по величине могут превосходить даже собственно данные. В результате взаимодействия протоколов всех уровней и их единому стандарту на прикладном уровне второго компьютера получаются данные, переданные первым компьютером.

 

7.3  Технология Ethernet  канального уровня

Ethernet -  это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей, реализуемый на канальном уровне модели OSI. Общее количество работающих по протоколу Ethernet сетей оценивается более чем в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными адаптерами Ethernet – более чем в 50 миллионов. Ethernet – это сетевой стандарт, разработанный фирмой Xerox в 1975 году и принятый комитетом IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Указанный стандарт использует метод разделения среды – метод CSMA/ CD (carrier- sense – multiply- acces with collision detection)- метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод  используется исключительно в сетях с топологией “общая шина”. Все компьютеры в такой топологии имеют доступ к общей шине, все компьютеры имеют возможность немедленно получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота подключения предопределяет успех технологии Ethernet. Базовый cтандарт Ethernet предписывает передачу двоичной информации для всех  вариантов физической среды  со скоростью 10 Мбит/с.

Принцип работы Ethernet  следующий.

Чтобы получить возможность передавать кадр компьютер должен убедиться, канал связи (среда) свободен. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier- sense, CS). Признаком незанятости канала является отсутствие на ней несущей частоты (5 – 10 МГц). Если среда свободна, то компьютер начинает передавать кадр. Если в это время другой компьютер пробует начать передачу, но обнаруживает, что канал занят, он вынужден ждать, пока первый компьютер не прекратить передачу кадра.

После окончания передачи кадра все компьютеры вынуждены выдержать технологическую паузу в (9,6 мкс). Такая пауза необходима  для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние.  Механизм прослушивания среды не гарантирует от возникновения такой ситуации, когда два или более компьютеров одновременно решают, что среда свободна и начинают передачу своих кадров. В этом случае возникает коллизия, так как  оба кадры сталкиваются на общем кабеле и происходит искажение информации. (Рис 4). Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько компьютеров начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятно. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один компьютер начинает передачу кадра раньше другого, но до второго компьютера сигнал первого просто не успевает дойти, когда он решает начать передачу. Другими словами, коллизии- это следствия распределенного характера сети. Чтобы отработать коллизию все компьютеры одновременно наблюдают  за сигналами на кабеле.

В общем случае возникновение коллизий зависит от вида линии связи и расстояний между компьютерами. В настоящее время используются в основном два типа линий связи: неэкранированная витая пара, обозначаемая как 10BaseT, и волоконно – оптический кабель (10 BaseF).

Сеть на базе технологий Ethernet должна строится таким образом, чтобы кадр, посылаемый компьютером, по линии связи успевал доходить до самого дальнего от него  компьютера до момента  времени окончания передачи кадра (Рис.5).

Экспериментально были получены следующие характеристики линий связи для обеспечения работоспособности локальной сети:  

10Base – T

10Base-F

Максимальное расстояние между компьютерами, м

100

2000

Максимальное число компьютеров в сегменте

1024

1024

Максимальная пропускная способность стандарта Ethernet составляет 14880 кадр/с (для минимальной длины кадра 72 байта), а минимальная 813 кадр/ с (для кадра максимальной длины 1526 байт).

Классический 10 – мегабитный Ethernet в начале 90 –х  годов прошлого столетия перестал удовлетворять пользователей по своей пропускной способности. Особенно остро эта проблема встала перед сетевым сообществом, когда клиентские приложения стали требовать скоростей недоступных для базовой технологии Ethernet (например, просмотр фильмов).

Поэтому  в 1995 году  был принят  новый стандарт Fas tEthernet, сохранивший все особенности базового  10 – мегабитного Ethernetа,  имеющий , однако, скорость передачи 100 Мбит/с.

Указанный стандарт используется в локальной сети БГЭУ.

В настоящее время ведутся работы по созданию 1000 М/битного Gigabit Ethernet. Основная проблема Gigabit Ethernet заключается в значительном сокращении расстояний между компьютерами (до 25 метров), что значительно удорожает сеть.

Отметим также, что на канальном уровне также используются технологии Token Ring, FDDI, 100 VG – AnyLAN, где кадры передаются с помощью специального кадра- маркера по кольцу в одном направлении.

PAGE  9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81698. Проблеми істини. Концепції істини філософія 27.52 KB
  Концепції істини філософія Метою пізнання є істина. Методи нанкового пізнання. Розглядаючи специфіку наукового пізнання слід охарактеризувати і основні методи які тут застосовуються. Метод наукового пізнання це спосіб побудови та обгрунтування системи наукових питань або сутність послідовність прийомів і операцій за допомогою яких здобувається нове знання.
81699. Проблема субстанції в історії філософії 22.51 KB
  Надалі починають розглядати субстанцію як особливе визначення Бога схоластика що веде до дуалізму філософське вчення яке вважало що матеріальні і духовні субстанції рівноправні душі і тіла. Проблема субстанції була поставлена в працях Декарта. Субстанцію як Єдине він роз\'єднав на дві самостійні субстанції: природу і мислення.
81700. Матеріальне буття та його форми: субституційний та реляційний підходи 19.31 KB
  Виходячи з цього сутність матеріального буття розкривається через поняття матерії та форм її існування. Матеріалісти античності ототожнювали її з першоосновою буття всіх речей останнім неподільним елементом дном за межами якого нічого не існує.
81701. Основні категорії онтології сутність-явище простір-час причина-наслідок 25.81 KB
  Явище і сутність діалектично повязані між собою протилежності. Так міраж це явище що виникає внаслідок викривлення променів світла атмосферою. Разом із тим явище і сутність передбачають одне одного.
81703. Свідомість як філософська категорія культурний і суспільний феномен 27.73 KB
  Для розрізнення свідомості та психіки мислення й розуму їх варто розрізняти. Але окрім цього варто не забувати що центром свідомості є людське Я. Предметним середовищем реалізації свідомості є світ.
81704. Свідомість як форма психічної діяльності:ідеальне і психічне 25.83 KB
  Свідомість -це найвища, притаманна людям якість, яка полягає в узагальненому і цілеспрямованому відображенні дійсності, уявній побудові дій і передбаченні їх результатів, регулюванні і самоконтролі поведінки, яка має зовнішні форми відображення творчого перетворювального характеру та повязана з мовою.
81705. Структура свідомості: її компонентний та рівневий вияви 25.51 KB
  Можна виділити такі рівні свідомості та їх елементи. Базовим і найбільш давнім рівнем свідомості є чуттєвоафективний пласт до якого належать: відчуття відображення в мозкові окремих властивостей предметів та явищ обєктивного світу що безпосередньо діють на наші органи чуттів; сприйняття образ предмета в цілому який не зводиться до суми властивостей та сторін; уявлення конкретні образи таких предметів чи явищ які в певний момент не викликають у нас відчуттів але які раніше діяли на органи чуттів різного роду афекти тобто...
81706. Проблема людини в філософії: екзистенційна та субстанійна концепції 28.3 KB
  Вона є теоретичним усвідомленням драматизму першої половини XX століття трагізму людини котра потрапила на межу життя і смерті буття і небуття в результаті реальної загрози її існуванню як людини як виду. Моделлю людини як такого для екзистенціалістів стала страждаюча зневірена людина яка знаходиться в прикордонній ситуації ситуації на межі життя та смерті. Ірраціональність буття абсурдність самого існування людини сумніви у можливості раціонального пізнання світу це все складові філософії екзистенціалізму.