Информационные сети и телекоммуникационные каналы. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI)

Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (БЭМВОС) – это концептуальная основа, определяющая характеристики и средства открытых систем. Она обеспечивает работу в одной сети систем, выпускаемых различными производителями. Разработана ISO (международной организацией стандартов) и широко используется во всём мире как основа концепций информационных сетей и их ассоциаций. На базе этой модели описываются правила и процедуры передачи данных между открытыми системами. Она также описывает структуру открытой системы и комплекс стандартов, которым она должна удовлетворять.

Основными элементами модели являются: уровни, объекты, соединения, физические средства соединений.

Модель информационной системы состоит из трёх основных составляющих:

Из-за сложности области взаимодействия она делится на группу расположенных друг над другом уровней. В БЭМВОС их выделяется 7.

Логическая структура системы может быть представлена следующим рисунком:

Прикладной процесс – это процесс обработки данных для нужд пользователя. Наряду с прикладными процессами пользователей в системе функционируют прикладные процессы управления сетью.

Любая абонентская или административная система создаётся для выполнения прикладных процессов. Они для информационной сети являются основными. Все остальные процессы в сети выполняю вспомогательную роль, обеспечивая работу и взаимодействие прикладных процессов.

Каждый уровень выполняет определённые ему функции сетей:

Уровни выполняют широкий комплекс функций, связанных с передачей данных между прикладными процессами и не зависят друг от друга. Любой уровень состоит из активных объектов. Каждый из них взаимодействует с другими объектами на том уровне, на котором они расположены, предоставляет сервис соседнему сверху уровню и получает сервис с соседнего нижнего уровня. Для выполнения возложенных на них задач объекты обмениваются блоками данных.

Обеспечивает прикладным процессам средство доступа к области взаимодействия. Для этого он выполняет функции:

Он представляет в нужной форме данные, передаваемые между прикладными процессами (кодирование, шифрование, синтаксис и т.д.).

Представительный уровень выполняет следующие основные задачи:

Для реализации этого представительный уровень выполняет следующие функции:

Определяет процедуру проведения сеансов (циклов операций, выполняемых без перерыва) между пользователями или прикладными процессами.

Для проведения сеанса в каждой информационной сети выполняются процедуры, которые определяют установление сеанса, его идентификацию, восстановление после отказа, сбоя или ошибки, и прекращение сеанса. Во время каждого сеанса партнёры обмениваются данными и активно управляют происходящим процессом.

Данный уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

Через одно и то же соединение на транспортном уровне могут передаваться данные, относящиеся к различным одновременно проводимым сеансам. Поэтому на сеансовом уровне должны быть приняты меры по идентификации сеансов.

На этом уровне данные передаются через коммуникационную сеть.

В перечень функций транспортного уровня входят:

Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией.

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.

Сообщения сетевого уровня принято называть "пакетами" (packet).

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.

Основная идея сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры канального уровня дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня, на основании которой можно было бы находить адресата в сети с любой базовой технологией.

Таким образом, сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих системы через коммуникационную сеть. Он может выполнять функции:

На этом уровне осуществляется передача данных между системами. 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.

Сформированный на сетевом уровне пакет перемещается на канальный уровень для упаковки в блок данных, именуемый кадром.

Кадр по каналам передачи данных направляется смежной системе. Здесь пакет извлекается из кадра. Если рассматриваемая система является адресатом (абонентской системой), то пакет передаётся на верхние уровни этой системы. Если же это ретрансляционная система, которая находится на пути к системе – адресату, то пакет упаковывается в новый кадр, пока пакет не достигнет адресата.

Размер блока данных зависит от способа передачи и качества канала, по которому он передаётся.

1. Физический уровень – это уровень, определяющий механические, оптические, электрические и процедурные средства передачи сигналов через физические средства соединения. Задачей уровня является создание физических интерфейсов, необходимых для подключения систем к физическим средствам соединения. Каждый из этих интерфейсов включает механические аспекты (муфты, соединители и т.д.), а также оптические иди электрические характеристики (напряжение, ток, методы модуляции и т.д.).

Данный уровень выполняет следующие функции:

Пусть, например, приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловому сервису. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата, в которое помещает служебную информацию (заголовок) и, возможно, передаваемые данные. Затем это сообщение направляется представительному уровню. Представительный уровень добавляет к сообщению свой заголовок и передает результат вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. Некоторые реализации протоколов предусматривают наличие в сообщении не только заголовка, но и концевика. Наконец, сообщение достигает самого низкого, физического уровня, который действительно передает его по линиям связи. Когда сообщение по сети поступает на другую машину, оно последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет заголовок своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции и передает сообщение вышележащему уровню.

Каждый уровень базовой модели OSI обслуживает уровни, расположенные выше, и пользуется услугами нижних уровней. Данные проходят в направлении вниз от источника данных (от седьмого уровня к первому) и в направлении вверх от приемника данных (от первого уровня к седьмому уровню). Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет, достигнут последний уровень. На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень. Принцип формирования пакета при переходе от одного уровня модели OSI к другому показан на следующей схеме.

Соединение – это ассоциация функциональных блоков, устанавливаемая для передачи данных. В соответствии с семью уровнями области взаимодействия открытых систем, существует 7 видов соединений, которые обозначаются в соответствии с названием уровня. Каждое соединение i-го уровня обеспечивает взаимодействие объектов этого уровня через логические каналы. Указанные каналы проходят через все уровни, расположенные ниже i-го уровня, и физические средства соединения.

Соединения создаются только на время сеанса взаимодействия объектов, при этом согласуются процедуры подтверждения передаваемых блоков данных, а также происходит управление их потоком, чтобы скорости работы соответствовали возможностям партнеров.

Вместе с этим нередко (например, при передаче данных на канальном уровне и для телеметрии и банковского дела) экономически целесообразно обойтись и без организации соединений. В этом случае, передача данных между объектами происходит без предварительной договоренности между ними. Объект отправитель отправляет по логическому каналу объекту адресату блоки данных сразу же , как только появиться необходимость. Если же адресат не готов к приему, то эти блоки выбрасываются. Отправитель, не получив подтверждение о приеме блоков, хранит из копии и, если нужно, вновь отправляет их к адресату.

При взаимодействии с установлением соединения осуществляется резервирование средств в сети для поддержки исходящего диалога во время существования соединения. При взаимодействии без установления соединения эти средства не резервируются.

Физические средства соединений – это совокупность физической среды аппаратных и программных средств, обеспечивающие передачу сигналов между системами. Их основой является используемая физическая среда: витая пара, плоский кабель, коаксиал, оптический кабель, эфир, и т.д.

Порт – точка доступа к устройству, либо программе. Различают физические и логические порты.

Первые из них являются местами подключения физических объектов. Логические порты создаются на границах программных уровней, прикладных процессов, функциональных блоков. В портах начинаются и заканчиваются логические каналы и соединения, проложенные на любом уровне области взаимодействия.

Канал – средство или путь, по которому передаются сигналы, либо данные.

Современная технология передачи данных, исходя из экономических посылок, обеспечивает по одному физическому каналу одновременные взаимодействия группы пар систем, которые ведут передачу данных независимо друг от друга. Это приводит к необходимости рассмотрения пути, по которому данные передаются от источника к адресату.

Этот путь определятся логическим каналом, которые может использовать частотную полосу или интервалы времени, выделенные в физическом канале.

Виртуальные каналы являются важным звеном в общей классификации каналов. Они прокладываются через физический уровень, канальный уровень, и в ряде случаев сетевой уровень, а также последовательности физических каналов коммуникационной сети. Каждому из них присваивается номер.

В блоках, отправляемых по виртуальному каналу, может не быть явных адресов отправителя и получателя, они заключены в номерах виртуальных каналов, что позволяет значительно сократить адресный блок.

Различают асинхронный и синхронный каналы. В синхронном канале обеспечивается синхронизация процесса передачи, а в асинхронном она отсутствует. Различают симплексные (сигналы передаются в одном направлении), полудуплексные (сигналы передаются в двух направлениях, но по очереди), дуплексные каналы.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

№	Наименование	Основные функции
7	Прикладной	интерфейс с прикладными процессами
6	Представительный	ѕ согласование формы представления информации (изображение, текст, строка и т.д.); ѕ формирование данных (коды, алфавиты, элементы графики)
5	Сеансовый	ѕ поддержка диалога прикладных процессов; ѕ обеспечение соединения и разъединения этих процессов; ѕ обеспечение передачи данных между прикладными процессами
4	Транспортный	ѕ сквозной (через коммуникационную сеть) обмен данными между системами
3	Сетевой	ѕ обнаружение ошибок в физических средствах соединения; ѕ маршрутизация информации; ѕ сегментирование и объединение блоков данных
2	Канальный	ѕ управление каналами передачи данных; ѕ передача данных по каналам; ѕ обнаружение ошибок в каналах
1	Физический	ѕ обеспечение физического интерфейса с каналами