Компьютерные сети (стр. 2 )

  Все эти вариации достаточно слабо связаны с моделью OSI. Институт (IEEE) организовал комитет 802 (в феврале 1980, отсюда и название), который начал заниматься разработкой сетевых спецификаций, реализованных в серии документов 802.

·  802.1 определяет часть физического уровня и уровня канала данных модели OSI как три новых уровня - физический, MAC (Medium Access Control -   управление доступом к среде) и LLC (Logical Link Control - управление логическим каналом).

·  802.2 определяет уровень LLC. LLC может принимать запросы услуг от вышележащих уровней через SAP (Service Access Points - точки доступа к сервису). Такие запросы передаются одним из трех способов:

1.  Пакеты передаются и принимаются как дейтаграммы; дейтаграммы принимают все узлы сети, а использует только тот, кто их запрашивал. Этот тип сервиса используется в сетях NetWare.

2.  Организуется логическое устройство, обеспечивающее организацию сеанса связи, управление потоком данных и контроль ошибок. Этот тип сервиса используется в сетях LANtastic.

3.  Используются как дейтаграммы, так и сеансы точка-точка.

·  802.3 определяет уровень MAC, используемый в схеме детектирования несущей и обнаружения коллизий (CSMA/CD), принятой в Ethernet.

1.  Детектирование несущей (Carrier Sense) - сетевой адаптер "прослушивает" сеть на предмет обнаружения занятости кабеля. В случае если кабель занят другой станцией, через промежуток времени, задаваемый с помощью генератора случайных чисел, попытка доступа повторяется.

2.  Множественный доступ (Multiple Access) - каждый адаптер имеет равные шансы получить доступ к среде, когда кабель свободен. Даже если адаптер только что завершил передачу пакета, он имеет такие же шансы на получение доступа к среде, что и другие адаптеры.

3.  Обнаружение конфликтов (Collision Detect) - при начале передачи пакета в сеть адаптер должен попытаться определить, не начал одновременно с ним передачу другой адаптер (коллизия). При попытке одновременного доступа оба адаптера должны освободить кабель и повторить попытку передачи по истечении случайного интервала времени.

·  802.4 определяет MAC-уровень для схем с передачей маркера.

·  802.5 определяет уровень MAC для схем с передачей маркера по кольцу аналогичных (но не совпадающих) Token-Ring.

4.1.3. Физические среды передачи данных. Основные типы кабелей. Три доступа к среде.

Структура линий связи

Линия связи состоит из физической среды передачи данных и промежуточного оборудования.

Аппаратура передачи/приема данных

АПД - аппаратура передачи / приема данных. Обеспечивает преобразование информации, поступающей от компьютера, в форму, удобную для передачи по каналам связи, и наоборот, преобразует информацию, поступившую по каналам связи, в форму, удобную для компьютера.

По линии связи информация может передаваться в цифровом аналоговом виде.

В аналоговых линиях связи информация передается с помощью модуляции аналогового (как правило, тонального) сигнала.

Используется в существующих телефонных линиях связи. Скорость передачи данных не может быть большой, так как не может превышать частоты несущего сигнала (по стандарту 64 КГЦ).

В цифровых линиях связи информация передается в виде прямоугольных импульсов.

Цифровая передача предъявляет более жесткие требования и характеристикам линии связи, в частности к полосе пропускании, так как для передачи прямоугольного импульса без искажений требуется более широкий диапазон частот. Скорость передачи информации может быть очень большой (для оптических линий до 10 Гбит/с).

Усилитель

Усиливает сигнал, так как при передаче по линиям связи сигнал затухает.

Мультиплексор/Демультиплексор

Мультиплексор осуществляет объединение нескольких низкоскоростных каналов связи в один высокоскоростной. Необходимость в мультиплексировании связана с тем, что абонентское оборудование связано с центральными узлами обычно по медленным линиям связи (например, по телефонным линиям), а сами центральные узлы связаны между собой высокоскоростными (например, оптическими) каналами связи.

Демультиплексор находится на приемной стороне высокоскоростного канала связи. Он распределяет поступившую информацию по медленным каналам.

Коммутатор

Коммутатор осуществляет соединение различных линий связи (как на телефонной станции)

Характеристики линий связи

Пропускная способность

Главной характеристикой линий связи является пропускная способность. Измеряется в Бит/с или Бод (бодах). Показывает, какой объем информации может быть передан по линии связи за единицу времени.

На пропускную способность влияют следующие параметры

Частотный диапазон (полоса пропускания)

Полоса пропускания – это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного превышает некоторый заранее заданный предел (обычно 0,5). Чем шире полоса пропускания, тем может быть больше пропускная способность. Это связано с тем, что для передачи информации необходимо изменять какую-либо характеристику сигнала (например, напряжение). Естественно, чем больше информации надо передать за единицу времени, тем чаще надо изменять характеристику сигнала. Но частота изменения сигнала может быть ограничена тем, что высокочастотный сигнал очень быстро затухает, поэтому и скорость передачи информации приходится ограничивать.

Затухание

Показывает, во сколько раз на выходном конце линии сигнала слабее, чем на входном.

Измеряется в дБ (децибелах), где

Iout – сигнал на выходном конце линии

Iin- сигнал на входном конце линии

Например, если на входе сигнал составляет 50 единиц (50 мВ), а на выходе 5 единиц (5 мВ), то ослабление составит

20lg(5/50)=20lg(0.1)=20*(-1)=-20дБ.

Поскольку на выходе сигнал всегда слабее, чем на входе, затухание всегда будет отрицательным.

Помехоустойчивость линии

Помехоустойчивость характеризуется тем, насколько сильно внешние воздействия влияют на сигнал, передаваемый по линии связи. Помехоустойчивость зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии. Хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной – оптоволоконные. Для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют или скручивают.

Перекрестные наводки на ближнем конце линии

Когда осуществляется передача данных, то передаваемые сигналы воздействуют на приемник сигнала, расположенный на этом же узле связи, и могут быть восприняты как сигнал другого узла.

 Обобщенной характеристикой линии связи является вероятность передачи одного бита без искажения. Искажение (то есть превращение переданного «0» в «1» и наоборот) может возникнуть по следующим причинам:

За счет влияния помехи. Помеха изменяет вид сигнала, передаваемого по линии, и этот сигнал на приемном конце интерпретируется не так, как надо При высоком затухании амплитуда сигнала может уменьшиться до такой степени, что импульс, передающий значение «1», не обнаружится на приемном конце, и сигнал будет воспринят как «0» Перекрестные наводки, возникающие при передаче сигнала, могут исказить принимаемую информацию

Следовательно, чем выше помехоустойчивость, меньше (по модулю) затухание и чем ниже перекрестные наводки на ближнем конце линии, тем выше вероятность передачи одного бита без искажения.

Обеспечение защиты данных

Важной характеристикой линии связи является способность ее обеспечить защиту данных от несанкционированного использования. При передаче информации по каналам связи часто используется шифрование, что обеспечивает защиту информации даже в том случае, если передаваемый сигнал станет известен злоумышленнику. Однако часто требуется, чтобы даже зашифрованные данные были недоступны никому, кроме получателя. Способность линии обеспечить защиту данных от несанкционированного использования определяется сложностью несанкционированного подключения к линии. Например, получить доступ к информации, передаваемой по радиоканалам, очень легко (достаточно иметь приемник и знать нужную полосу частот), а тайно подключиться к оптоволоконному кабелю практически невозможно. Таким образом, оптоволоконные линии обеспечивают наибольшую безопасность передаваемых данных.

Классификация линий связи

По способу передачи сигнала линии связи могут быть аналоговыми и цифровыми.

В аналоговых линиях связи передается сигнал, для которого существенно изменение амплитуды со временем. Аналоговые линии в большей степени подвержены влиянию помех.

В цифровых линиях сигнал передается в виде последовательности нулей и единиц. Для преобразования аналогового сигнала (речь, изображение) в цифровую форму применяется кодирование. Цифровые линии обладают большей пропускной способностью и меньше подвержены влиянию помех. Однако цифровая передача предъявляет более высокие требования к параметрам линии.

По виду используемой среды передачи данных линии связи могут быть проводные и беспроводные. Проводные линии, в свою очередь, делятся на воздушные и кабельные.

Кабельные линии связи.

Кабельные линии связи изначально использовались для организации компьютерных сетей. Исторически первыми были компьютерные сети на основе обычного кабеля – невитой пары. Затем стали использоваться витые пары, которые постепенно вытеснялись коаксиальными кабелями. Однако с улучшением характеристик витых пар начался обратный процесс – замена сетей на основе коаксиального кабеля сетями на основе витых пар. В последнее время все шире используются оптоволоконные кабели.

Невитая пара

Невитая пара – наиболее простая среда передачи данных. Представляет собой пару параллельных медных проводов, разделенных диэлектрической оболочкой (обычный старый телефонный провод)

Витая пара

Витая пара состоит из двух медных изолированных проводов, один из которых обвит вокруг другого. Вьющийся провод предназначен для устранения взаимного влияния между соседними витыми парами. Кабель с витой парой бывает экранированный (shielded twisted pair, STP) и неэкранированный (unshielded twisted pair, UTP). Экранированный кабель, помимо проводников, включает дополнительные экраны для каждой пары проводников (медная оплетка или фольга), ослабляющие их взаимное влияние и влияние внешних электрических полей.

Неэкранированная витая пара

Неэкранированная витая пара состоит из двух изолированных медных проводов. Стандартом определяется пять категорий неэкранированных витых пар. Кабели разных категорий различаются характеристиками медных проводников и параметрами скрутки. Кабель категории 1 – это традиционный телефонный кабель для передачи аналоговых сигналов. Кабель категории 2- для передачи данных со скоростью до 4 Мбит/с. Кабель категории 3 обеспечивает скорость до 10Мбит/с, категории 4 – до 16 Мбит/с, категории 5 – до 100 Мбит/с. В настоящее время в компьютерных сетях практически повсеместно используются витые пары категории 5.

Все кабели неэкранированных витых пар независимо от категории выпускаются в четырехпарном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки.

Для подключения витой пары к узлу сети используются коннекторы RJ-45. Это 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы RJ-11.

Достоинством витых пар является низкая стоимость и легкость подключения. Недостатком – низкая помехозащищенность и небольшая длина сегмента сети – до 100м.

Экранированная витая пара

Экранированная витая пара хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне. Однако наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель широко использовался в первых стандартах ЛВС. Сущестует две его разновидности – толстый и тонкий. Центральный медный проводник коаксиального кабеля окружен изолирующим слоем, снаружи которого находится экран, представляющий собой стальную или медную оплетку. Весь кабель помещен во внешнюю оболочку из изоляционного материала.

Тонкий коаксиальный кабель

Тонкий коаксиальный кабель – гибкий кабель диаметром около 0.5 см. Используется для объединения узлов сети на расстоянии до 185 м. Существуют различные стандарты тонкого коаксиального кабеля, различающиеся структурой центральной жилы: она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов. Для подключения тонкого коаксиального кабеля к узлам сети используются BNC-коннекторы различных типов:

BNC – припаивается или обжимается на концах кабеля

BNC-T – соединяет кабель с сетевым интерфейсом узла

BNC-баррел-коннектор – используется для соединения двух отрезков кабеля

BNC-терминатор – заглушка на конце кабеля.

Тонкий коаксиальный кабель позволяет реализовать топологии «шина» и «кольцо». До недавнего времени он был очень распространен при построении сетей. Тонкий коаксиальный кабель дороже витой пары, но лучше защищен от помех. Обеспечивает скорость до 20Мбит/с.

Толстый коаксиальный кабель

Толстый коаксиальный кабель – относительно жесткий кабель диаметром около 1 см. Медная жила кабеля толще, чем у тонкого коаксиального кабеля, следовательно, сопротивление меньше. Поэтому он может передавать сигнал на большие расстояния – до 500м. Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяется специальное устройство – транссивер. Он снабжен специальным коннектором, который «прокусывает» изоляционный слой и осуществляет контакт с проводящей жилой. Из-за своей жесткости кабель сложнее в прокладке, к тому же он дороже, чем тонкий.

Оптоволоконный кабель

Волоконно-оптические кабели предназначены для передачи больших объемов данных на высоких скоростях на большие расстояния. Данные передаются по кабелю с помощью лазерного или светодиодного передатчика, который посылает однонаправленные световые импульсы через центральное стеклянное волокно. Сигнал принимается на другом конце фотодиодным приемником, преобразующим световые импульсы в электрический сигнал.

Каждый оптоволоконный проводник передает сигналы только в одном направлении. Поэтому в компьютерных сетях для организации обмена данными в обоих направлениях необходимо использовать два независимо подключенных оптоволоконных кабеля с отдельными коннекторами.

Оптоволоконный кабель состоит из сердечника, выполненного из прозрачного оптоволокна, который окружен отражающим стекловолокном. Стекловолокно с сердечником покрыто защитным пластиком. Кроме того, в центре кабеля размещен стальной трос, который используется при прокладке линий связи. Сердечник оптоволоконного одноканального кабеля имеет толщину от 8 до 10 мкм, а в многоканальном – около 50 мкм.

Скорость передачи данных для оптоволоконного кабеля – от 100 Мбит/с до 2Гбит/с, а данные могут быть переданы без искажений на расстояние до двух километров. Оптоволоконный кабель обладает очень высокой помехозащищенностью. К тому же он невосприимчив к прослушиванию, что делает его особенно привлекательным для создания защищенных сетей. Недостатком является высокая стоимость, а также сложность в прокладке и установке. Он требует специальных соединителей и очень тщательного подключения к узлу сети.

В настоящее время оптоволоконные кабели используются в основном для территориально-распределенных сетей.

Беспроводные линии связи.

В качестве передающей среды могут использоваться:

Радиоканалы. Недостатком является то, что радиоволны частично поглощаются атмосферой, особенно при высокой влажности. Эти каналы сильно подвержены влиянию помех, в том числе грозовых разрядов и солнечного излучения. Спутниковые каналы. Частоты от 4 до 20 ГГц. Обеспечивается скорость передачи данных около 50 Мбит/с.

В качестве передающей среды, как и в случае радиоканалов, используются радиоволны. Но сигнал передается не от одной наземной антенны к другой, а на спутник, и с него – на наземную антенну. Спутник должен находиться “в поле зрения антенны”. Используются либо геостационарные спутники, либо низколетящие спутники с сильно вытянутыми орбитами.

 Геостационарные находятся над экватором на высоте 36 тыс. км. Период обращения 24 часа, то есть спутник находится постоянно над одной и той же земной поверхности. Для обеспечения связи между любыми двумя точками достаточно 3-4 спутников. Недостатки: неудобно использовать в высоких широтах; не хватает места в космосе, так как спутники, обеспечивающие связь на одной частоте, должны быть разнесены не менее чем на 2 градуса.

 Низколетящие спутники находятся на высоте около 1,5 тыс. км., период обращения 1-2 часа. В течение суток спутник проходит практически над всеми точками земной поверхности. Спутники работают в режиме “запомнить и передать”, т. е. принятая информация передается либо на земную антенну в тот момент, когда она находится “в поле зрения спутника”, либо на другой спутник.

Общий недостаток для радиоканалов и спутниковых каналов состоит в том, что требуется получить разрешение на использование частотного диапазона и разрешительные документы на радиооборудование. Стоимость достаточно высока.

Достоинством является высокая мобильность.

Для организации беспроводной связи используются специальные радиомодемы, которые подключаются к компьютеру через интерфейс RS-232, либо радиомодемы со встроенными Ethernet-адаптерами, которые подключаются к разъему на системной плате.

Инфракрасные каналы. Используются для установления двусторонней или широковещательной связи на близких расстояниях в зоне прямой видимости. В источнике обычно используются светодиоды для передачи инфракрасных волн приемнику.

Лазерные каналы, так же, как и инфракрасные, используются для организации связи между объектами, расположенными в пределах прямой видимости.

Для передачи данных по сети могут использоваться основные доступы к среде передачи.
Ниже выделены 3 основных метода доступа.

Маркерный доступ – один из узлов сети, назначенный администратором или выбранный самостоятельно устройствами генерирует в сеть маркер (специальный пакет), последовательно передаваемый между узлами и разрешающих передачу данных. Применялся для в некоторых шинных топологиях (ArcNet) и кольцевой (TokenRing).

Приоритетный метод – основной коммутатор сети, назначенный администратором, рассматривал запросы на передачу данных от остальных узлов, предоставляя такую возможность узлам с наивысшим приоритетом трафика. Узлы, получившие отказ повышали свой приоритет на 1. Пример – технология 100vgAnyLan. Недостаток – узлы, передающие данные с высоким приоритетом (к примеру, потоковое видео) могли эксклюзивно использовать канал. Кроме того, низкая отказоустойчивость за счет привязки к одному центральному коммутатору.

Контроль несущей частоты (прослушивание канала) – все узлы сети являются равноправными участниками передачи и имеют право передавать данные, только если в данный момент никто больше не передает. После отправки пакета узел обязан сделать паузу, дав возможность другим. Данный метод доступа используется в технологии Ethernet.

Тема 4.2. Модель открытых систем OSI

4.2.1. Понятие модели, протокола, интерфейса, стека. Инкапсуляция и обработка. Физический и канальный уровни, задачи и функции.

Чтобы упростить проектирование, анализ и реализацию процедуры обмена сообщениями между пользователями или прикладными программами, работающими на разных компьютерах, эту процедуру декомпозируют на несколько иерархически связанных между собой частных задач, то есть используют многоуровневый подход.

При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т. п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи битов, до самого высокого уровня, детализирующего, как информация должна быть интерпретирована. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.

Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу взаимодействия узлов сети называется стеком коммуникационных протоколов.

Протоколы соседних уровней, находящихся в одном узле, взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.

Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI.

В модели OSI взаимодействие делится на семь уровней или слоев. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия. Таким образом, проблема взаимодействия декомпозирована на 7 частных проблем, каждая из которых может быть решена независимо от других. Каждый уровень поддерживает интерфейсы с выше - и нижележащими уровнями.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Следует иметь ввиду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, в таком случае при необходимости обмена данными оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.

Инкапсуляция и обработка пакетов

При продвижении пакета данных по уровням сверху вниз каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и, возможно, трейлера (информации, помещаемой в конец сообщения). Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакете нижнего уровня. Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере, ее формат и интерпретация определяются протоколом данного уровня.

Разумеется, данные, приходящие с верхнего уровня, могут на самом деле представлять собой пакеты с уже инкапсулированными данными еще более верхнего уровня.

С другой стороны, при получении пакета от нижнего уровня он разделяется на заголовок (трейлер) и данные. Служебная информация из заголовка (трейлера) анализируется и в соответствии с ней данные, возможно, направляются одному из объектов верхнего уровня. Тот в свою очередь рассматривает эти данные как пакет со своей служебной информацией и данными для еще более верхнего уровня, и процедура повторяется, пока пользовательские данные, очищенные от всей служебной информации, не достигнут прикладного процесса.

Возможно, что пакет данных не будет доведен до самого верхнего уровня, например, в случае, если данный компьютер представляет собой промежуточную станцию на пути между отправителем и получателем. В этом случае объект соответствующего уровня при анализе служебной информации заметит, что пакет на этом уровне адресован не ему (хотя с точки зрения нижележащих уровней он был адресован именно этому компьютеру). Тогда объект выполнит необходимые действия для перенаправления пакета к месту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке, но в любом случае не будет продвигать данные на верхний уровень.

Модель OSI предложена достаточно давно, однако протоколы, на ней основанные, используются редко, во-первых, в силу своей не всегда оправданной сложности, во-вторых, из-за существования хотя и не соответствующих строго модели OSI, но уже хорошо зарекомендовавших себя стеков протоколов (например, TCP/IP).

Поэтому модель OSI стоит рассматривать, в основном, как опорную базу для классификации и сопоставления протокольных стеков.

Физический уровень. Этот уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие, как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, такие как требования к фронтам импульсов, уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером. Повторители являются единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных на кабеле, и другие характеристики среды и электрических сигналов.

Канальный уровень. На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frame). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

4.2.2. Подуровни канального. Сетевой, транспортный, сеансовый, представительный, протокольный уровни. Их функции. Организация стандартизации.

Сетевой уровень. Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы с одной стороны сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой стороны допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень. На этом уровне вводится более узкое понятие "сеть". В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. Сообщения сетевого уровня принято называть "пакетами" (packet). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того, чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач (hops) между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время, как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.

На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.

Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное - способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется с одной стороны тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является вся система транспортировки данных в сети. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое, и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок - с помощью предварительного установления логического соединения, контроля доставки сообщений с помощью контрольных сумм и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т. п.

Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Сеансовый уровень. Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того, чтобы начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.

Уровень представления. Этот уровень обеспечивает гарантию того, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. В случаях необходимости уровень представления выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень. Прикладной уровень - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Существует очень большое разнообразие сервисов прикладного уровня. Приведем в качестве примеров протоколов прикладного уровня хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых сервисов: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

Сетезависимые протоколы и протоколы, ориентированные на приложения

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.