Многоуровневая архитектура информационных сетей

Основные требования, которым должна отвечать организация ИС, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Открытость, которая предполагает возможность включения дополнительных ЭВМ, каналов и узлов связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов.

2. Гибкость, которая предполагает сохранение работоспособности сети при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ, КС и ЦК, допустимость изменения типов ЭВМ, КС и ЦК.

3. Эффективность, которая предполагает обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

В области телекоммуникаций рынок средств связи, компьютеров, коммутационного и другого оборудования необычайно широк и разнообразен. По этой причине создание современных ИС с учетом указанных выше требований было бы невозможным без использования общих подходов при их разработке, унификации характеристик и параметров компонентов их составляющих.

Теоретическую основу современных сетей и систем связи определяет многоуровневая архитектура. Под архитектурой понимается концепция, определяющая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов сложного объекта. Объектом может быть система, сеть, процессор или любое другое сложное многокомпонентное образование. Архитектура охватывает логическую, программную и физическую структуры, а также принципы функционирования объекта.

В настоящее время существуют различные архитектуры, ставшие международными стандартами:

- семиуровневая архитектура базовой эталонной модели взаимосвязи открытых систем, являющаяся международным стандартом на единую архитектуру построения телекоммуникационных сетей;

- архитектура ARPA и Internet;

- системная сетевая архитектура SMA и системная прикладная архитектура SAA, которые были разработаны корпорацией IBM;

- архитектура широкополосной сети BNA и др.

Далее будем рассматривать построение и функционирование лишь первой из названных архитектур, т.е. эталонной модели взаимосвязи открытых систем, поскольку она по своей сути обобщает все существующие сетевые модели.

Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС) была разработана Международной организацией стандартизации (ISO) в 1984 году и принята в качестве международного стандарта ISO 7498.

Целью модели является стандартизация обмена сообщениями между сетями и системами. В основе модели лежат понятия системы, уровня, процесса, сообщения, сеанса, порта, логического канала, логического объекта, протокола, интерфейса.

Основным объектом модели является система. Под системой понимается иерархическая совокупность функций, реализуемых средствами связи и предназначенных для выполнения предписанных им задач. Системы ЭМВОС являются открытыми. Открытыми называются такие системы, которые вне зависимости от особенностей их аппаратной и программной реализации могут взаимодействовать между собой.

Под уровнем понимается компонент, слой или граница иерархической структуры. Представление многообразия процессов, протекающих в таких сложных системах, как ИС, в виде многоуровневой модели является примером похода, основанного на принципе декомпозиции, когда достаточно сложная система разбивается на несколько относительно простых систем. Выбор числа уровней в модели является сложной задачей. Увеличение числа уровней приводит к более четкому и детальному разделению процессов и соответствующему упрощению процедур взаимодействия компонент на одном уровне, но при этом возрастает число устройств, обеспечивающих взаимодействие между уровнями. При уменьшении числа уровней возрастает сложность этих устройств. Анализ процессов, протекающих в ИС, явился основой для выбора семиуровневой модели и определения функций каждого из уровней.

Структура ЭМВОС может быть представлена следующим образом (рис. 1.6).

Рисунок 1.6. Структура ЭМВОС

В каждой из систем прямоугольниками обозначены программные и аппаратные модули, реализующие определенные функции по обработке и передаче данных.

Модуль n-го уровня физически взаимодействует только с модулями соседних (n-1)–го и (n+1)–го уровней.

Модуль уровня 1 взаимодействует с передающей средой, которая может рассматриваться как объект уровня 0.

Различие уровней ЭМВОС заключается в решаемых ими задачах, содержательная направленность которых отражена в их наименовании.

Два верхних уровня (прикладной и представительский) соответствуют прикладным процессам.

Процесс – это динамический объект, реализующий собой целенаправленный акт обработки данных. Процессы подразделяются на прикладные и системные. Прикладной процесс – выполнение прикладной программы. Системный процесс – выполнение программы, реализующей вспомогательную функцию, связанную с обеспечением прикладных процессов. Процесс порождается программой или пользователем и связан с данными, поступающими извне или формируемыми процессом для внешнего использования.

Ввод данных, необходимых процессу, и вывод данных производится в форме сообщений – последовательностей данных, имеющих законченное смысловое значение.

Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом.

Остальные уровни реализуют так называемый сетевой метод доступа и описывают функции телекоммуникационной сети или ее компонентов.

Точка раздела двух указанных групп уровней (первая группа - прикладной и представительский, вторая группа - остальные) называется портом. Каждый процесс может быть одно- или многопортовым. Порты могут быть как входными, так и выходными. Через порты по логическим каналам осуществляется взаимодействие различных процессов.

Логический канал – это путь, по которому сообщения передаются от одного порта к другому. Логический канал прокладывается в одном физическом канале, либо в последовательности таких каналов. Логический канал, прокладываемый на сетевом уровне, называется виртуальным каналом, а на канальном уровне – каналом передачи данных.

На каждом из уровней решается определенная задача, обеспечивающая функционирование вышестоящего уровня. Порождаемые этими задачами процессы, а также средства их решения объединяются понятием логического объекта. Все логические объекты приписываются соответствующим уровням. В общем случае на одном уровне может быть несколько логических объектов.

Обмен сообщениями в сети допускается только между процессами или логическими объектами, принадлежащими одноименным уровням в разных системах. Это означает, что прикладной процесс может взаимодействовать только с прикладным процессом, а процессы управления передачей на уровнях 1-6 – только с процессами одноименных уровней.

Набор правил, определяющих взаимодействия логических объектов разных систем называется протоколом. Таким образом, протокол есть набор правил, обеспечивающих логическое и процедурное сопряжение между одноуровневыми процессами, реализуемыми в различных системах.

Логическая характеристика протокола – это структура, т.е. форматы и содержание, т.е. семантика сообщений.

Процедурная характеристика – это правила выполнения действий, предписываемых протоколом. В зависимости от уровня ЭМВОС различают соответствующие протоколы. Все они стандартизированы.

Определенная стандартом граница между взаимодействующими объектами называется стыком или интерфейсом. Интерфейс есть совокупность устройств и процедур на границе между двумя соседними уровнями в одной системе, обеспечивающая полное межуровневое взаимодействие.

В отличие от протокола интерфейс реализует механическое, электрическое и функциональное сопряжение. При описании механического сопряжения задается количество проводов между устройствами, формы и размеры разъемов. В описании электрического сопряжения определяются формы и уровни сигналов и другие электрические характеристики. Функциональное сопряжение обуславливает смысловое значение электрических сигналов, которыми обмениваются смежные уровни. Кроме межуровневых интерфейсов существуют и внутриуровневые. Например, для физического уровня характерно наличие двух стыков: С1 –стык, учитывающий среду распространения сигнала, и стык С2 – стык без учета среды распространения.

Из всего сказанного следует, что ИС рассматривается как совокупность систем, связанных между собой некоторой передающей средой. В качестве систем выступают ЭВМ и ЦК. Процессы, распределенные по разным системам, взаимодействуют через передающую среду путем обмена сообщениями. Обмен сообщениями между объектами разных систем осуществляется только через объекты нижележащего уровня. Следовательно, процедуры обмена сообщениями между различными открытыми системами включает протокольные процедуры соответствующих уровней и ряд межуровневых интерфейсных процедур.

Уровень 7, называемый прикладным, обеспечивает взаимодействие между прикладными процессами пользователей. Он предназначен для обеспечения доступа прикладных процессов абонента, которые находятся над прикладным уровнем, к возможностям ЭМВОС.

Ключевой функцией прикладного уровня является обеспечение смыслового содержания сообщения, т.е. семантики. Прикладной уровень, взаимодействующий непосредственно с абонентом, обеспечен полным набором услуг, предлагаемых всеми нижними уровнями. Он диктует нижним уровням, какие именно услуги должны быть вызваны. Таким образом, прикладной уровень является основным в ЭМВОС, поскольку все остальные уровни существуют только для обеспечения его работы.

Уровень 6, называемый уровнем представления или представительским, обеспечивает услуги по обмену сообщениями между логическими объектами прикладного уровня, преобразование и представление сообщений в нужном формате.

Основной функцией этого уровня является преобразование сообщений абонента из формы, используемой прикладным уровнем, в форму, применяемую более низкими уровнями для передачи, т.е. осуществление синтаксиса сообщений. Каждый прикладной процесс может оперировать своими формами представления сообщений, что требует введения в представительский уровень процедуры идентификации форматов сообщений. Для ограничения числа этих процедур осуществляется стандартизация форматов сообщений и определение конкретного ограниченного числа так называемых локальных форматов, которыми оперируют прикладные процессы. В связи с этим все многообразие схем преобразования форматов на представительском уровне ограничивается тремя вариантами. Простейшим из них является случай, когда оба взаимодействующих процесса используют сообщения в стандартном формате. При этом функция преобразования форматов исключается, а, следовательно, исключается и основная функция представительского уровня. Второй вариант имеет место тогда, когда только один из взаимодействующих процессов работает со стандартным форматом. В этом случае в состав средств представительского уровня системы, использующей локальный формат, необходимо вводить преобразователь форматов. В его задачу входит преобразование локального формата в стандартный и наоборот в зависимости от направления передачи сообщения. Третий вариант требуется, когда оба взаимодействующих процесса ведут обмен сообщениями, представленными в своих локальных форматах. Здесь необходимо использование преобразователя форматов в каждой из систем с теми же функциями, что и во втором варианте.

Кроме преобразования форматов к функциям представительского уровня относятся:

- адресация прикладных процессов и их портов;

- сжатие и расширение сообщений;

- шифрование и дешифрование сообщений, если оно реализуется программными, а не аппаратными средствами.

Таким образом, выше представительского уровня сообщение имеет явную смысловую форму, а ниже оно рассматривается только с точки зрения приведения его к форме, удобной для передачи по элементам ЭМВОС, и его смысловое значение не влияет на обработку.

Уровень 5 ЭМВОС, называемый сеансовым, обеспечивает услуги по организации и синхронизации взаимодействия между логическими объектами представительского уровня.

Главной задачей сеансового уровня является организация сеансов связи и управление обменом сообщениями по логическим каналам, которые существуют только на время сеанса связи. Организация логических каналов в общем случае требует:

- идентификации сеанса связи;

- инициализации сеанса связи;

- идентификации границ передаваемых сообщений;

- прерывания и восстановления сеанса связи в случае возникновения сбойных ситуаций;

- завершения сеанса связи.

Сеансы связи по логическим каналам могут быть одно- или двусторонними.

Уровень 4 ЭМВОС, называемый транспортным, обеспечивает услуги по кодонезависимому и надежному обмену сообщениями между логическими объектами сеансового уровня при эффективном использовании ресурсов нижних уровней.

На транспортный уровень возлагается задача подготовки сообщений виду, пригодному для передачи по сети, т.е. транспортный уровень освобождает верхние уровни от учета особенностей сетей связи. Транспортный уровень является границей, ниже которой пакет данных становится неделимой единицей информации, управляемой сетью. Выше транспортного уровня в качестве единицы информации рассматривается только сообщение.

Протоколы транспортного уровня относятся к классу так называемых межконцевых протоколов. Термин «межконцевой» подчеркивает тот факт, что транспортные протоколы обеспечивают обмен информацией между абонентами сети, тогда как протоколы нижних уровней отвечают только за доставку сообщений на отдельных участках сети.

Уровень 3 ЭМВОС, называемый сетевым, обеспечивает образование каналов, соединяющих абонентские устройства через телекоммуникационную сеть.

Сетевой уровень предназначен для выбора маршрута передачи сообщения по сети, коммутации в узлах сети, создания условий, исключающих перегрузку сети. Другими словами сетевой уровень прокладывает путь между системой-отправителем и системой-получателем через всю телекоммуникационную сеть, т.е. обеспечивает маршрутизацию сообщений.

Маршрутизацией называют процесс определения в телекоммуникационной сети пути, по которому сообщение может достигнуть адресата. Маршрутизация является распределенным процессом и выполняется всеми узлами сети.

Уровень 2 ЭМВОС, называемый канальным, осуществляет управление передачей информации по каналу. С помощью функций канального уровня выполняется организация начала передачи информации, собственно передача по каналу, проверка получаемой информации и исправление ошибок, отключение канала при его неисправности и восстановление после ее устранения, генерация сигнала окончания передачи и перевод канала в пассивное состояние.

На канальном уровне происходит обработка пакетов и передача их в соответствии с заданным на сетевом уровне маршрутом. Для этого пакеты преобразуются в блоки данных соответствующего размера, которые называются кадрами. Кадр является протокольной информационной единицей канального уровня. В качестве стандарта для протоколов канального уровня ISO рекомендует протокол HDLC (High-Level Data Link Control), который более подробно будет рассмотрен в 3 главе.

Уровень 1 ЭМВОС, называемый физическим, определяет процедурные, электрические, механически и прочие средства передачи сигнала через физические средства соединения. Физический уровень выполняет три основные функции: установление и разъединение физических соединений между коммутационными устройствами; преобразование сигналов к виду, пригодному для передачи по конкретной используемой физической среде; реализация интерфейса или стыка. При использовании коммутируемых каналов на физическом уровне необходимо осуществить предварительное соединение взаимодействующих абонентских устройств и последующее их разъединение. Кроме физического подключения на физическом уровне согласуются режимы работы средств связи, способы модуляции, скорости передачи, режимы исправления ошибок и т.д. После установления соединения управление передается канальному уровню. Для согласования передаваемого с абонентского устройства низкочастотного сигнала с параметрами канала связи осуществляется его преобразование в высокочастотный сигнал. Такое преобразование называется модуляцией, обратное преобразование – демодуляцией, а устройство, в котором реализованы обе функции – модемом. На физическом уровне различают стыки, взаимодействующие со средой распространения, и стыки не взаимодействующие с ней.

Стык, взаимодействующий со средой распространения, обеспечивает сопряжение модема с физическим каналом связи. Он соответствует одному из канальных стыков С1:

- С1-ТФ (ГОСТ 23504-79, 25007-81, 26557-85) – для каналов КТСОП;

- С1-ТЧ (ГОСТ 23475-79, 23504-79, 25007-81, 23578-79, 26557-85) – для каналов тональной частоты;

- С1-ТГ (ГОСТ 22937-78) – для телеграфных каналов;

- С1-ШП (ГОСТ 24174-80, 25007-81, 26557-85) – для первичных широкополосных каналов;

- С1-ФЛ (ГОСТ 24174-80, 26532-85) – для физических соединительных линий.

Стык, не взаимодействующий со средой распространения, обеспечивает сопряжение оконечного устройства пользователя с модемом. Они определяются ГОСТами как преобразовательные стыки С2. Стандарты и рекомендации по стыкам С2, к которым можно отнести RS-232, RS-449, V.24, V.35 и другие, определяют общие характеристики (скорость и последовательность передачи), функциональные и структурные характеристики (номенклатура, категория цепей интерфейса, правила их взаимодействия), электрические (величины токов, напряжений, сопротивлений) и механические характеристики (габариты, распределение контактов по цепям и др.).

Реализация интерфейса физического и канального уровней осуществляется посредством модемов, которым посвящена 4 глава курса.

Уровни 1,2,3 образуют базовую сеть передачи данных.

Рассмотренная многоуровневая организация управления обеспечивает независимость управления на каждом уровне от порядка функционирования на нижних и верхних уровнях. В частности, управление каналом на 2 уровне происходит независимо от физических аспектов функционирования канала связи, которые учитываются только на 1 уровне. Управление сетью (3 уровень) базируется на использовании надежных каналов передачи данных и не зависит от способов обеспечения надежности, используемых на 2 уровне. Управление сетью реализует специфические процессы передачи данных по сети, но транспортный уровень взаимодействует с сетью передачи данных как с единой системой, обеспечивающей доставку сообщений абонентам сети. В конечном итоге прикладной процесс создается только для выполнения определенной функции по обработке данных без учета структуры сети, типа каналов связи, способа выбора маршрута и т.д. Этим обеспечивается открытость и гибкость сети.

Многоуровневая организация управления процессами в сети порождает необходимость на каждом уровне модифицировать передаваемые сообщения применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Модификация выполняется по схеме, представленной на рис. 1.7.

Рисунок 1.7. Модификация сообщений на уровнях ЭМВОС

Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются обрамлением, в котором содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя, получателя, канала, порта и т.д. Сообщение, сформированное на (n+1)-м уровне, при обработке на n-м уровне снабжается дополнительной информацией. Это же сообщение, поступая на следующий нижележащий уровень, в очередной раз снабжается дополнительной информацией. При передаче от низших уровней к высшим сообщение освобождается от соответствующего обрамления.

Таким образом, каждый уровень оперирует с собственным обрамлением, а находящаяся внутри него последовательность символов рассматривается как данные более высокого уровня. В связи с этим состав сообщений, формируемых на верхних уровнях, никак не влияет на функционирование нижних уровней. За счет этого обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений.

Структура служебной информации, содержащейся в обрамлении, в общем случае может быть произвольной. На практике нашли применение два типа структур, выбор которых определяется способом идентификации границ передаваемых сообщений. При использовании асинхронного способа передачи служебная часть представляется заголовком и концевиком. При синхронном способе передачи служебная информация может быть представлена одним заголовком. Для опознания конца сообщения на приемной стороне в заголовке указывается длина сообщения.

Сообщения, формируемые прикладным процессом, могут иметь произвольный объем. Передать такое сообщение по сети сложно, поэтому на представительском уровне сообщения подвергаются сегментации, т.е. делению сообщения произвольной длины на части фиксированной длины.

Представительский уровень добавляет к полученной от прикладного уровня части сообщения заголовок процесса, который включает в себя адреса получателя и отправителя, тип сообщения, номер блока в исходном сообщении.

В таком виде сообщение передается сеансовому уровню, добавляющему к нему концевик процесса. Основной информацией, содержащейся в концевике, являются проверочные символы, позволяющие выявить ошибки на приемной стороне.

Совокупность заголовка процесса, данных и концевика процесса получила название блока данных.

Блоки данных, поступающие на транспортный уровень, подвергаются дальнейшему преобразованию. К каждому блоку добавляется заголовок передачи, где указывается тип сообщения, адреса взаимодействующих сеансовых объектов, идентификатор фрагмента. Полученная на транспортном уровне совокупность называется фрагментом данных.

На сетевом уровне для выполнения процедуры маршрутизации к фрагменту данных добавляется заголовок пакета, что и приводит к образованию пакета данных.

Пакет данных после передачи его на канальный уровень обрамляется заголовком и концевиком канала. Этим завершается формирование основной единицы данных, подлежащей передаче по физическому каналу – информационного кадра. Служебная информация для физического уровня формируется в виде флага, представляющего собой байт данных определенной конфигурации. Флаги идентифицируют границы кадра.

Сказанное о продвижении сообщения по уровням ЭМВОС можно представить в виде рис. 1.8.

Таким образом, процедура получения кадра сводится к упаковке данных на каждом уровне в свой конверт, подписанию на нем адреса и передаче его на нижележащий уровень. На приемной стороне распаковка выполняется в обратном порядке.

Функции уровней системы имеют различную природу, и, казалось бы, уровни должны иметь принципиально различные структуры. Однако анализ протоколов различных уровней и все сказанное ранее о сообщениях, протоколах и интерфейсах убеждает, что они обладают некоторыми общими свойствами: имеют протокольную единицу, способную упаковываться в обрамление и разупаковываться из него; имеют три основных фазы – установление соединения, передача и разъединение и т.д.

Это дает основание говорить о возможности построения типовой структуры уровня. Одна из возможных обобщенных типовых структур уровня системы приведена на рис. 1.9.

Рисунок 1.8. Продвижение данных по уровням ЭМВОС

На рис. 1.9 введены следующие обозначения: ВУ – верхний уровень, НУ – нижний уровень, БВС – блок входящих сообщений, БИС – блок исходящих сообщений, БП – блок памяти для хранения протокольных единиц; УУ – устройства управления уровнем.

Рис. 1.9. Типовая структура уровня ЭМВОС

УУ1 анализирует с помощью БВС входы уровня и при появлении на них протокольной единицы читает ее обрамление, в котором указывается фаза протокола и то, как надо поступить с входящей протокольной единицей в соответствии с этой фазой. В фазах установления соединения и разъединения используются служебные протокольные единицы, в фазе передачи или приема данных – информационные протокольные единицы. После анализа обрамления УУ1 проверяет наличие свободных исходящих сообщений с помощью БИС1. Протокольная единица, поступившая из ВУ, записывается в БП1. Там УУ1 вводит обрамление своего уровня, после чего при появлении свободных исходящих соединений протокольная единица передается в НУ. При передаче с НУ на ВУ имеют место аналогичные процессы. УУ2 анализирует с помощью БВС2 входы уровня и при появлении протокольной единицы читает ее обрамление, помещает в БП2, разупаковывает путем срезания обрамления данного уровня и при наличии свободных исходящих соединений передает на ВУ.

Следует заметить, что эта структура не может быть использована на уровне оконечного абонента, который находится выше уровней системы. Это же относится и к самому низкому уровню – физическому.

По системам сети функции уровней распределяются следующим образом. Основные системы сети – ЭВМ и ЦК. В ЭВМ функции 1 и 2 уровней реализуются, как правило, техническими средствами. Функции уровней 3-6 реализуются средствами сетевого программного обеспечения, расширяющего возможности операционной системы. Функции уровня 7 реализуются прикладными программами операционной системы. ЦК, реализующее функции 1-3 уровней, включает в себя коммуникационную ЭВМ, АПД и средства сопряжения ЭВМ с АПД. В ЦК функции 1 уровня реализуются за счет аппаратных средств, функции 2 уровня реализуются, как правило, программно, а функции 3 уровня – всегда программно.

Таким образом, распределение в сети функций, связанных с процессами передачи и обработки данных на уровнях 1-7, может быть представлено следующим образом (рис. 1.10).

Рисунок 1.10. Распределение функций уровней по системам сети

Выделенную на рис. 1.10 совокупность устройств называют защищенным каналом передачи данных. Именно эта совокупность и является предметом дальнейшего изучения в рамках настоящего курса.