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

4 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

68339. Языковая политика Риги 139.5 KB
  Среди населения ЛР распространено различное понимание исторических процессов которые препятствуют реально оценивать языковую ситуацию и порождают несоответствие между официальным статусом языка и лингвистическим поведением говорящих.
68340. Статическое и астатическое регулирование 298.5 KB
  Рассмотрим простейшую схему автоматического прямого регулирования уровня воды в резервуаре посредством поплавкового регулятора рис. Для характеристики степени зависимости отклонения регулируемой величины от нагрузки пользуются понятием неравномерности или статизма регулирования.
68341. Становление духовной школы Сибири 183 KB
  Именно монахи из черкасс открыли первые духовные школы в Чернигове Ростове Смоленске Тобольске взяв за образец систему обучения Киевской академии где целиком и полностью царили европейская школа латинской направленности.
68343. Средства правового обучения 1.61 MB
  Средства общения в процессе преподавания правовых дисциплин. Средства учебной деятельности. Технические средства обучения при преподавании права. Средства обучения предметы которые в процессе преподавания и обучения передают научную информацию или её представляют а также оказывают...
68344. Средняя Азия и Казахстан с древности до нового времени. Присоединение к России Казахстана и Средней Азии 30.5 KB
  На протяжении веков район центральной Азии был населен различными народами. Из России туда поступали меха кожа сукно а в Россию шли хлопок шелковые ткани холодное оружие и пряности. Реальной помощи казахи могли ожидать только от России.
68345. Транспортні вузли та транспортна система України 264.5 KB
  Транспорт та транспортні вузли повинні сприяти якнайшвидшій інтеграції України в загальноєвропейську економічну систему, що потребує створення залізничних та автомобільних шляхів з центральних частин Західної Європи – у країни СНД, з півночі Західної Європи – у країни Близького Сходу.