Комуникационни модели и протоколи. Модел OSI. Мрежови стандарти и протоколи. Стандарт X.25 за комутация в обществено комутируеми мрежи

4.Комуникационни модели и протоколи. Модел OSI. Мрежови стандарти и протоколи. Стандарт X.25 за комутация в обществено комутируеми мрежи.

През 1970 година Изследователският отдел на Министерство на отбраната на САЩ (DAPRA) финансира създаването на мрежа с комутация на пакетите (както ще се види по-нататък така работят всички локални мрежи). Основната цел на проекта е било свързването на различни модели компютри, използувани от МО, от различните доставчици на военна техника и от някои университети. Тъй като тези компютри имат различни архитектури, операционни системи и методи за комуникация, проблемът не е бил съвсем тривиален. Като резултат е разработена съвкупност от стандарти за свързване на различаващи се компютърни системи и други устройства, както и програми за терминална емулация , предаване на файлове и др. Тази съвкупност е наречена TCP/IP и е в основата на мрежата АRPANET, която по – късно прераства в INTERNET.

TCP/IP използува метод с комуникационни слоеве. Казано накратко най – долните слоеве осигуряват общ метод за комуникация между различни компютри и други устройства, средните слоеве определят маршрутите на пакетите, а горните предлагат услуги за терминална емулация, предаване на файлове и др.

През последните години бяха приети няколко стандарта за компютърни мрежи. Някои ръководещи организации в тази област разработиха протоколи (правила), осигуряващи съвместимост между продуктите - хардуерни и софтуерни - на различните производители.

Ако компютрите, приложните програми, мрежовият софтуер и кабелните системи бяха разработени от един и същ производител, общото им използване не би създавало особени затруднения. Обаче днешната реалност е, че обикновено мрежовият софтуер на дадена фирма не е съвместим с ЛМ на друг производител, а приложните програми и дори кабелните системи трябва да се избират за всяка конкретна локална мрежа.

С оглед да се осигури определено единство между производителите на мрежи Международната организация по стандартизация ISO (Open System Interconnection) разработи Стандарти за взаимната връзка между отворени системи (OSI). Основната идея е че, комуникационните системи трябва да се проектират като съвокупност от модули така, че един модул да осигурява определени функции и да поддържа връзка с съседните модули. Всеки модул представлява слой (layer) в комуникационния модел, изграден върху предишните слоеве.

Различните компютри, свързани в мрежа, трябва да "познават" формата на информацията, която ще приемат - кога една дума ще започне, кога тя ще завърши и кога ще започне следващата дума. Може ли станцията да провери дали съобщението и е претърпяло известна деформиращия по време на предаването? Моделът OSI отговаря на тези и на много други въпроси със серия от стандарти, които ще позволят на потребителите да купуват в бъдеще мрежови продукти от различни производители с известна увереност, че те ще бъдат съвместими.
Модел OSI
Стандартите за взаимна връзка между отворени системи (OSI) предлагат седемслоен модел, който гарантира ефективна комуникация както в дадена ЛМ, така и между различни мрежи.

Както е показано на

Може би един пример ще обясни този принцип. Когато някой чрез радиовръзка в любителския вълнов обхват обменя информация с друго лице, той спазва общоприети правила, аналогични на модела OSI.

Стандартите за слоевете на модела OSI гарантират ефективна комуникация, само когато всички производители ги спазват и не заобикалят някои от тях чрез съкращаване на процедурите. Забележете, че тези стандартни слоеве не са нито хардуер, нито софтуер; те са само набор от общоприети конвенции.

Моделът OSI определя седем различни слоя на комплексната процедура за обмен на данни по дадена мрежа. Неговото предназначение е да улесни реализирането на споразуменията, засягащи първоначално нисшите слоеве на модела, а в последно време - и цялата мрежа.

Първият слой на модела - физическият слой - представлява набор от правила, свързани с хардуера за предаване на информацията. Той засяга нивата на сигналите, синхронизацията при предаването на данните и изискванията към обменяните сигнали за установяване на комуникационен канал. Физическият слой определя дали битовете ще се предават в полудуплексен (подобен на любителския радиообмен) или в дуплексен режим (който изисква едновременно предаване и приемане на информацията).

В стандартите за физическия слой са включени също предписания за куплунгите и за интерфейсите със съобщителната среда на мрежата. В този слой моделът OSI е свързан с електрически характеристики и битове (единици и нули). В действителност на това ниво битовете нямат определено значение; логически смисъл им се влага в следващия слой на модела. В този слой се описват и кабелни спесификации като например 10BASE-2 и 10BASE-T.

Канален слой (Layer 2)
Каналният слой определя как данните се пакетират в кадри за предаване. Както видяхме по-рано моделът OSI е разработен така, че всеки слой осигурява за по-горния определен ключов елемент. Физическият слой предоставя на каналния слой битове. На каналното ниво необработените до тук битове, а с кадри от данни - пакети, които съдържат, както данни, така и управляваща информация.

В каналния слой към данните се добавят флагове, които показват началото и края на съобщенията. Стандартите за този слой осигуряват две важни проверки: дали данните са с верни флагове и дали има грешки в кадрите. Проверката за грешки може да се извършва чрез изпращане на допълнителна информация за кадъра с данни към приемната страна и чрез получаване на потвърждение в случай, че всичко е прието правилно. Каналният слой определя също механизмите за достъп до кабела и предаване на управляващ маркер. В този слой са определени и спесификациите и мрежовите стандарти (например ЛМ IEEE 802.2 и IEEE 802.5).

Третият слой от модела OSI - мрежовият слой - специфицира механизъм за превключване на пакетите. В него е описано как се изграждат виртуални канали за обмен на данни (съобщителни линии между два компютъра или терминала). В мрежовия слой на предавателната страна съобщенията, осигурени от транспортния слой, се разделят на пакети с данни с оглед двата най-нисши слоя да могат да ги предадат. В приемния край на линията мрежовият слой възстановява съобщението. За да се разберат операциите с пакетите с данни, необходимо е да се разгледа промишления стандарт Х.25, който е обект на трите нисши слоя на модела OSI. Този слой най-общо организира маршрутизирането от един възел до друг. Той може да скрива долните слоеве от горните, като позволява използуването на различен мрежов хардуер. В него са реализирани протоколи като например Internet Packet Exchange (IPX) на Novell и Internet Protocol.

Транспортният слой на модела OSI специфицира много функции, както и няколко нива от процедурите за откриване и коригиране на грешки. На най-високото от тях транспортният слой може да открива и дори да коригира грешки, да идентифицира пакети, предадени в неправилна последователност, и да ги преподрежда в необходимия ред. Освен този слой мултиплексира каналите на няколко съобщения в една линия, като поставя заглавия на съобщенията, посочващи принадлежността им към съответните канали. Транспортният слой регулира информационния поток чрез управление на движението на съобщенията. В този слой е реализиран протоколът Sequenced Packet Exchange (SPX) на Novell.

Дотук разгледахме спецификации на модела OSI, свързани с битове и съобщения, но не и с разпознаването на отделните потребители на системата. Сесийният слой засяга управлението на мрежата. На това ниво дадена сесия може да се прекрати или да завърши в съответствие с определени правила. Диалогът с потребителя се осигурява от сесийния слой.

На сесийното ниво се проверява паролата, въведена от потребителя, и му се предоставя възможност да превключи режима за обмен от полудуплексен в дуплексен. Сесийният слой позволява да се определи: кой предава, колко често и колко дълго. Към функциите на този слой спадат управлението на обмена на данни и дори възстановяването на предаването след откриване на неизправност в системата. На това ниво се контролира използването на мрежата и се регистрира времето, отделено за всеки потребител.

Представителен слой (Layer 6)
Защитата на информацията в мрежата, обмена на файлове и форматирането на данните са функции на представителния слой. Представителният слой на модела OSI специфицира функции, осигуряващи защита на информацията в мрежата от неправомерен достъп, обмен на файлове и форматиране на данните. На това ниво данните могат да се форматират по различни начини, включително чрез кодовете ASCII и EBCDIC.

В американския стандартен код за обмен на информация (ASCII) всеки символ се представя чрез седем информационни и един бит за контрол. Този код има почти универсално приложение. Разширеният двоично-десетичен код за обмен на информация (EBCDIC) се използва в много от големите ЕИМ на IBM. Представителният слой трябва да предвижда възможност за обмен на данни и по двата стандарта.

За да се осъществи обмен на информация между два компютъра без изкривяване, те трябва да използват еднакви протоколи (правила за обработка на данните) по отношение на представителния слой на мрежата. На това ниво е възможно да се преобразуват протоколите на различни компютри с различни формати на информацията. Повечето функции на текстообработката, свързвани с форматирането на текстове (включително страницирането, определянето на броя на редовете на екрана и дори преместването на курсора), се осигуряват от представителния слой.

Свързаните към мрежата терминали, работещи с нестандартни кодове за данните, се обслужват на представителното ниво. Несъвместимостта между тях се преодолява чрез протокол за терминалите, който позволява всеки терминал да се разглежда като един и същ виртуален терминал. По-точно, тази процедура означава, че обменяната информация между локален и отдалечен терминал се прекодира чрез подходящи таблици. Локалният терминал изпраща информация за структурата на данните, която характеризира текущия му екран, в смисъл - броя на символите в един ред от екрана. (Този брой може да бъде твърде различен; много терминали изобразяват 132 символа на ред, но съществуват и други формати.). Информацията за структурата на данните се предава към управляващата част на отдалечения терминал, която я преобразува в код, който терминалът може да дешифрира и въведе за изпълнение. Други подобни кодове посочват шрифта - получерен, подчертан, графичен и т.н. Тъй като този слой преобразува кода и данните на приложенията, тук работи например File Service Protocol на Netware, който преобразува файловите формати между файловия сървър на Netware и операционните системи на работните станции (DOS, OS/2, Macintosh и др.)

ALKAIOSApr 26 2005, 00:56
Приложен слой (Layer 7)
Мрежовите програми от приложения слой включват софтуер за електронна поща, за управление на бази от данни, за сървър за принтер. Приложният слой специфицира функции, свързани с обработката на съобщенията, с отдалеченото включване в мрежата и с осигуряването на статистическа информация, необходима за управлението на мрежата. На това ниво от модела на мрежата се намират програмите за управление на бази от данни, програмите за електронната поща, софтуера за файловите сървъри и сървърите за принтер, както и програмите на операционната система.

В по-голямата си част функциите, изпълнявани на това ниво, се определят от потребителя. Тъй като програмите на потребителите въвеждат различни изисквания, трудно е да се правят обобщения за различните протоколи. За някои приложения (например за банковото дело) са разработени серия от стандарти за този слой.

Въпреки че, моделът OSI предлага добра основа за описване на комуникационните функции на ЛМ, малко от съществуващите сега мрежи са постигнали точно съответствие с него. Въпреки че се говори за мрежи, съответствуващи на модела OSI, стандартите все още са непълни, а продуктите слабо разпространени. Докато някои организации очакват завършването на стандартите OSI, много други се насочват към TCP/IP, който предлага сходни по тип услуги, като по този начин задържат разпространението на OSI.
Комуникационни протоколи от ниско ниво
Повечето ЛМ имат две нива на конструиране на пакети. Първото ниво зависи от използувания мрежов хардуер. Структурата на пакета трябва да е съвместима с конкректната мрежова архитектура. Това означава, че например ARCNET не поддържа пакетите на друг тип мрежи като Token Ring. Комуникационните протоколи от ниско ниво работят в каналния слой 2, където е определено подниво MAC (Media Access Control – управление на достъпа до съобщителната среда). Тези протоколи определят размера и структурата на пакета, както и метода за едновременен достъп до кабела от няколко мрежови устройства.

Въпреки, че такъв протокл зависи от мрежовата архитектура и използувания хардуер, често една архитектура допуска работа на няколко различни транспортни протоколи. В това ниво пакетите се изпращат поеденично, а едновременната работа на много потребители се управлява от специфичен метод за достъп до кабела.

Стандартът ССIТТ Х.25 въвежда предписания за пакетите с данни, предавани по обществените комутируеми мрежи. Трите слоя на стандарта Х.25 съответстват на първите три слоя на модела OSI.

Международният консултативен комитет за телефония и телеграфия ССIТТ е разработил набор от межодународни стандарти за телекомуникация. Както е показано на
трите слоя на стандарта Х.25 (физически, кадров и пакетен) съответстват на първите три слоя (физически, канален и мрежов) на модела OSI.

• • Физическият слой на стандарта Х.25 съответства на физически слой на модела OSI. Като спазва предписанията на стандарта Х.21 на ССIТТ, този слой дефинира стандарта за асинхронно предаване на данни RS-232, както и стандарта за дуплексно синхронно предаване от тип точка-точка между терминал за данни и обществена комутируема мрежа.

• • Кадровият слой на стандарта Х.25 съответства на каналния слой на модела OSI. В случая данните се обменят между терминал и мрежата.

• • В пакетният слой на стандарта Х.25 (съответстващ на мрежовия слой на модела OSI) данните са групирани в пакети, съгласно изистванията за обществените комутируеми мрежи. Стандартът Х.25 гарантира, че форматът на информацията, преданена от терминал за данни (DTE), ще бъде съвместим с този в обществена мрежа с комутация на пакети.

Пакетите с данни съдържат няколко групи (полета) информация, чрез които съобщенията се различават едно от друго. Всеки пакет съдържа поле Адрес, което посочва назначението му. Полето Управление съдържа няколко вида информация, включително индикатори за начало или край на съобщението, за успешно прието съобщение или за открита грешка.

Стандартът Х.25 е разработен за пакетната комутация; при тази особена процедура мрежовият слой на модела OSI е аналогичен по функции на пощенска станция. Съобщенията от големите ЕИМ се разделят на пакети, които се адресират и изпращат към долните два слоя за по-нататъшно предаване. Тъй като може да има няколко различни "маршрута" (канала) за изпращане на дадено съобщение към определена работна станция, трафикът се следи чрез специални таблици за маршрутизация с цел да се балансира натоварването на мрежата. Стандартът Х.25 се прилага главно при комуникациите с големите ЕИМ и обществените комутируеми мрежи. Освен стандарта Х.25, мрежовият слой на модела включва и други предписания. Описани са процедури за определяне на приоритета на съобщенията и за изпращането им в необходимата последователност. И накрая, на това ниво се управлява натоварването на мрежата, като не се допуска дадена станция да предава информация със скорост, която надвишава възможностите за приемане и записване в отсрещната страна на линията.

Стандартът Х.25, особено в частта му, съответстваща на каналния и на мрежовия слой на модела OSI, определя стандартния начин за свързване на терминално устройство (DTE), като например компютър, и комуникационно устройство (DCE), като например модем, чрез Протокола за управление на каналния слой от високо ниво HDLC.

Съгласно протокола HDLC цялата информация се предава по кадри; всеки кадър се състои от шест полета, от които началното и крайното съдържат флагове. Както е показано на
двата флага представляват идентични комбинации от битове, в които са включени шест последователни единици.

Полето АДРЕС посочва адреса на назначението, в случай, че кадърът съдържа команда, или адреса на източника, ако кадърът съдържа отговор. Полето УПРАВЛЕНИЕ включва информация, която уточнява дали кадърът съдържа команда или отговор. Полето ДАННИ обикновено съдържа цяло число 8-битови кодове на символи, но това не винаги е вярно. След малко ще видим, че този факт е една от съществените разлики между протокола HDLC и аналога му, използван от IBM (наречен SDLC).

Полето КОД ЗА ПРОВЕРКА НА КАДЪРА се използва в приемната станция за откриване на грешкте при предаването. Необходимо е да се осигури решение за случаите, когато информацията за предаване съдържа повече от пет последователни единици. Как приемната станция би могла да определи дали получената информация действително представлява данни или е флаг за край на кадър?

Този проблем се решава чрез вмъкване на битове. Съгласно протокола HDLC във всяка дума за предаване, съдържаща повече от пет последователни единици, се вмъква една нула. Информацията в полето КОД ЗА ПРОВЕРКА НА КАДЪРА посочва къде трябва да се премахват нули при приемането на данните.

Протоколът HDLC е проектиран за управление на обмена на данни между централен компютър и свързаните към него подчинени станции. Към функциите на централния компютър спадат откриването на грешките в предаваната информация, както и изпращането на сигнали "запитвания" към станциите в строго определени моменти. Ако получи сигнал, че дадена станция е готова да предаде съобщение, централният компютър изпраща бит за запитване, който позволява на станцията да му отговори. Този метод за обмен е известен като Режим на нормален отговор (NRM).

Съществува и друг метод за обмен, при който всяка подчинена станция изпраща съобщението си в произволно избран от нея момент, без да получи бит за запитване от централния компютър. Този метод се нарича Режим на асинхронен отговор (ARM).

Протокол SDLC

Пакетите с данни в синхронния битово ориентиран протокол SDLC съдържат някои управляващи кодове, използвани единствено от IBM. Компютрите на корпорацията IBM, включени в мрежовата и архитектура SNA, използват синхронен битово ориентиран протокол SDLC, който е аналогичен на протокола HDLC. Въпреки че при протокола SDLC се използва същия базисен кадър на HDLC, включващ флагове за начало и край на съобщението със същата комбинация от битове, съществуват и някои различия. Полето ДАННИ при протокола SDLC съдържа винаги цяло число 8-битови кодове на символи. Друга също така съществена разлика е, че при протокола SDLC се използват някои команди и отговори, които не съществуват при протокола HDLC.

Мрежови стандарти -

Институтът IEEE е разработил стандарти за ЛМ с шинна топология (802.3), ЛМ с шинна потология и управляващ маркер (802.4) и ЛМ с кръгова топология и управляващ маркер (802.5).

Въз основа на спецификациите за слоевете на модела OSI няколко комитети от института IЕЕЕ разработиха стандарти за мрежови топологии и методи за достъп до ЛМ. Три от тези стандарти IЕЕЕ 802 са от особен интерес за нас: 802.3 (стандарта CMSA/CD за шинна топология), 802.4 (стандарта за шинна топология с управляващ маркер) и 802.5 (стандарта за кръгова топология с управляващ маркер). Друг, четвърти стандарт засяга глобалните мрежи. Пълният набор от стандарти 802 може да се поръча директно от института IЕЕЕ, чийто адрес е посочен в библиографията.

Защо институтът IЕЕЕ е разработил четири различни - и дори противоречиви - стандарта? Причината за това е, че около 1980 г., когато подкомитетите се събрират за пръв път, вече съществува широк набор от несъвместими продукти за ЛМ. Някои производители са се насочили към шинната топология, докато други са избрали топология звезда или кръг с управляващ маркер. Производителите използват също така твърде различни начини за разрешаването на един важен проблем при локалните мрежи: избягването на конфликти ("сблъсквания") между предаваните данни от различните възли на мрежата.

Разпространяват се различни видове ЛМ, тъй като нито една топология или метод на достъп не са едновременно най-подходящи за всички приложения на ЛМ. IBM потвърждава този факт, като предлага ЛМ с шинна топология (PC Network), както и ЛМ с кръгова топология и управляващ маркер (Token Ring Network); всяка от тези мрежи е проектирана за удовлетворяване на различни нужди на клиентите.

За крайния потребител най-същественото предимство на спецификациите IЕЕЕ 802 е, че те вероятоно ще доведат до стандартизиране на физическия и каналния слой на модела OSI. Това означава, че различните производители, спазващи тези стандарти, ще предлагат хардуерни продукти, които ще могат да работят в една и съща система. Но за да е в сила същото и за мрежовия софтуер, проектантите ще трябва да спазват предписанията за по-високите слоеве на модела OSI. Това няма да стане веднага.

Когато комитетите IЕЕЕ 802 започват своите дебати, пред тях вече е налице готов стандарт - локалната мрежа Ethernet на фирмата Xerox. Около 1980г. към Xerox се присъединяват Intel и Digital Equipment Corporation, обявявайки, че продуктите им ще бъдат съвместими с тези на Ethernet. Вместо да наложи изискването всички ЛМ да спазват стандарта Ethernet, един от подкомитетите създава стандарта 802.3, който е подобен на Еthernet.

Както отбелязахме по-рано, подкомитетите IЕЕЕ 802 разработват стандарти въз основа на първите три слоя на модела OSI. Те разделят каналния слой на два подслоя: подслой за управление на логическия канал (LLC) и подслой за управление на достъпа до съобщителната среда (МАС). Стандартът LLC е подобен на стандартния протокол HDLC, който разгледахме по-рано, докато подслоят МАС обхваща въпроси, свързани с откриването на конфликти при предаване.
Стандарт IЕЕЕ 802.3 10Base5

Първоначално стандартът IЕЕЕ 802.3 10Base5 е създаден за ЛМ с дебели коаксиални кабели за директно предаване.

При разработването на стандарта за ЛМ с шинна топология комитетът 802 предписва като съобщителна среда да се използва дебел коаксиален кабел. Първоначалните спецификации на IЕЕЕ 802.3 се означават с "10Base5", тъй като в тях е описана ЛМ с шинна топология и дебел коаксиален кабел, който допуска диркетно предаване на данни със скорост 10Mbs на разстояние до 500m.
Стандарт IЕЕЕ 802.3 10Base2

В стандарта IЕЕЕ 802.3 10Base2 е описана ЛМ с шинна топология, в която се използва тънък коаксиален кабел за директно предаване на данни със скорост 10Mbs на разстояние до 200m.

Много разпространители на мрежи намират, че тънките коаксиални кабели за деректно предаване са по-подходящи за изграждане на ЛМ с шинна топология 802.3, тъй като те се инсталират по-лесно и са по-евтини. В спецификацията IЕЕЕ 802.3 10Base2 е описана ЛМ с шинна топология и тънък коаксиален кабел, който допуска директно предаване на данни със скорост 10Mbs на разстояние до 200m.
Стандарт IЕЕЕ 802.3 STARLAN

Комитетът 802 е одобрил стандарт IЕЕЕ 802.3 за ЛМ с топология тип свързани звезди, в която данните се предават със скорост 1Mbs на разстояние до 500m.

Комитетът IЕЕЕ 802 е разработил стандарт за ЛМ CSMA с топология тип свързани звезди. В тази спецификация, означавана понякога с "1Base5", е описана ЛМ с две неекранирани двойки усукани проводници AWG-24, в които данните се предават със скорост 1 Mbs на разстояние до 500m.
Стандарт IЕЕЕ 802.3 10BaseT

В стандарта IЕЕЕ 802.3 10BaseT е описана ЛМ CSMA/CD с топология, която логически е шинна, но физическата и конфигурация представлява свързани звезди и допуска предаване на данни със скорост 10Mbs на разстояние до 100m.

В стандарта IЕЕЕ 802.3 10BaseT са комбинирани предимствата на локалните мрежи с топологии шина и звезда. Докато топологията на мрежата логически е шинна и позволява разпространение на данните в цялата мрежа, физическата и конфигурация е от тип свързани звезди, в която се използват евтините кабели с усукани двойки проводници. Мрежите 10BaseT допускат предаване на данни със скорост 10Mbs на разстояние 100m.

Това, което прави мрежите 10BaseT особено привлекателни за администраторите на ЛМ е, че в тях работните станции се свързват към концентратор с вградени възможности за диагностика. Когато концентраторът установи, че дадена работна станция е неизправна, той я изключва от мрежата и по такъв начин действието на системата не се нарушава.

В стандарта IЕЕЕ 802.4 е описана ЛМ с шинна топология и управляващ маркер - специален пакет с данни, който преминава информация, възможността за възникване на конфликт е елиминирана. Управляващият маркер всъщност е пакет с данни. Всяка работна станция изпраща маркера на определен за нея следващ адрес. Тази следваща станция преписва информацията и връща маркера на подателя.

Подкомитетът IЕЕЕ 802.4 е разработил стандарт за ЛМ с шинна топология от друг тип, при който методът за достъп до съобщителната среда не се основава на състезателен принцип, както в процедурата 802.3. Този тип мрежа се използва, когато възникването на конфликти е абсолютно нежелателно.
Стандарт IЕЕЕ 802.5 за ЛМToken Ring

В стандарта IЕЕЕ 802.5 е описана ЛМ с кръгова топология и управляващ меркер, в която работните стации предават маркера в кръг (физически и логически). В сравнение с ЛМ с шинна топология, тази мрежа покрива по-големи разстояния, тъй като в нея се използват усилватели на разпространяваните сигнали.