Протоколы, эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI

Под открытой системой понимается любая система, построенная в соответствии с открытыми спецификациями.

Под спецификацией понимают описание аппаратных, программных, или иных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений в применении и других характеристик.

Открытыми спецификациями являются общедоступные, опубликованные в печати спецификации, принятые в результате обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

В процессе взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой, а сам процесс взаимодействия унифицирован и стандартизован. Задача согласованного взаимодействия различных ресурсов сети решается с помощью системы протоколов.

Под протоколом понимают систему формализованных правил, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, разных узлов сети.

Посколькупроцесс обмена в сети является многофункциональным, то протоколы делятся на уровни, по группам выполняемых родственных функций.

Рекомендуемая эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI(Open System Interconnection), предложенная Международной организацией по стандартам ISO (International Standards Organization) в 1984 году, распределяет сетевые функции по 7 уровням. Компоненты, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле сети, взаимодействуют друг с другом по определенным правилам в соответствии со стандартизированными форматами сообщений, которые называются интерфейсом. Таким образом, протоколы определяют правила взаимодействия компонентов одного уровня в разных узлах, а интерфейсы определяют правила взаимодействия компонентов соседних уровней одного узла.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Прикладной     Представления данных   Сеансовый   Транспортный   Сетевой     Канальный   Физический Прикладной     Представления данных   Сеансовый   Транспортный   Сетевой     Канальный   Физический

Узел А Уровни Узел В

Прикладной     Представления данных   Сеансовый   Транспортный   Сетевой     Канальный   Физический

Кабель, беспроводная связь

Рис 5.5 Структура модели и обмен пакетами данных в модели OSI

На рисунке принципы работы модели OSI рассматриваются на примере передачи данных из узла А в узел В компьютерной сети.

На каждом уровне модели OSI выполняются определенные функции, протоколы и связи. При этом горизонтальныесвязи описывают взаимодействия между программами и процессами разных узлов сети, а вертикальные– интерфейс взаимодействия между уровнями одного узла.

Горизонтальные связи между верхними уровнями являются косвенными и осуществляются посредством вертикального взаимодействия уровней каждого из узлов.

Данные, передаваемые одним из уровней узла А, постепенно опускаются до самого нижнего, физического уровня, обслуживающего канал передачи, и передаются на физический уровень узла В, после чего поднимаются вверх до уровня, соответствующего тому, от которого поступила команда на передачу пакета.

Таким образом, непосредственное взаимодействие происходит между самыми нижними (физическими) уровнями.

Прикладной уровень является высшим уровнем прикладной модели OSI. На нем обеспечивается доступ программ к компьютерной сети. Примерами процессов прикладного уровня могут служить работы программ передачи файлов, почтовых служб, управления сетью.

Уровень представления данных предназначен для преобразования данных из одной формы в другую, к примеру из кодовой таблицы EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) расширенного двоично-десятичного кода обмена информацией в кодовую таблицу ASCII (American Standart Code for Information Interchange) американского стандартного кода для обмена информацией. На этом уровне осуществляется обработка специальных и графических символов, сжатие и восстановление данных, шифрование и дешифровка данных.

На сеансовом уровне производится контроль обеспечения безопасности передаваемой информации и поддержки связи до момента окончания сеанса передачи.

Транспортный уровень является наиболее важным, так как служит посредником между верхними уровнями, ориентированными на приложения, и нижними уровнями, обеспечивающими подготовку и передачу данных по сети.

Транспортный уровень отвечает за скорость передачи данных, сохранность передаваемых данных, а также за присвоение уникальных номеров пакетам. На транспортном уровне узла-приемника номера пакетов используются для контроля передачи и восстановления исходного порядка следования пакетов.

На сетевом уровне определяются сетевые адреса узлов получателей этой же сети или другой, в случае территориально-распределенной или глобальной сетей и устанавливаются маршруты следования пакетов. Транспортный и сетевой уровни обеспечивают адресность и правильность доставки пакетов.

На канальном уровне осуществляется генерация, передача и получение кадров данных. В кадры помещаются данные, адресная и другая идентифицирующая кадр информация поступающая с сетевого уровня. После этого кадры передаются на физический уровень, где и происходит их транспортировка на физический уровень другого узла.

Физический уровень является низшим уровнем эталонной модели OSI. На этом уровне поступившие с сетевого уровня кадры преобразуются в последовательности электрических сигналов, представляющих логические комбинации нулей и единиц. Эти сигналы передаются по физической среде передачи на физический уровень другого узла сети, где осуществляется обратное преобразование последовательностей нулей и единиц в кадры.

Модель OSI, как и любая другая универсальная модель, довольно громоздка, избыточна и не обладает необходимой гибкостью применения. Поэтому разработчики программного обеспечения сетевых средств не обязательно придерживаются принятого разделения функций.

Ряд современных сетевых протоколов используют собственные многоуровневые модели, которые отличаются от разделения функций модели OSI. Обычно эти модели сокращают число уровней за счет объединения нескольких верхних уровней в один, оставляя неизменными нижние уровни.

К примеру Интернет использует пятиуровневую модель, в которой верхний прикладной уровень отличается более широкой функциональностью и соответствует трем верхним уровням эталонной модели OSI.

4. Понятие и модели архитектуры "клиент-сервер"

Архитектура«клиент-сервер» появилась в конце 80-х годах ХХ века в период децентрализации структур автономных вычислительных сис­тем и разработки распределенных систем обработки данных в виде различных видов вычислительных сетей.

Децентрализация архитектуры первых вычислительных систем стала воз­можной в связи с появлением ПК и мини-ЭВМ, к которым перешла часть функций центральных ЭВМ.

При этом компьютеры, предоставляющие те или иные ресурсы в общее пользование всем остальным компьютерам сети, были названы серверами, а компьютеры, запрашивающие для использования общие ресурсы, - клиентами. Соответственно архитектуру таких распределенных вычислительных систем стали называть архитектурой «клиент-сервер».

В зависимости от вида предоставляемого ресурса различают файловый сервер, сервер баз данных (БД), сервер приложений, сервер печати, коммуникационный сервер, Интернет-сервер (WEB-сервер), почтовый сервер и другие виды серверов.

Файловый сервервыполняет функции управления ЛВС, осуществляет коммуникационные связи, хранит файлы, разделяемые в сети, предоставляет доступ к совместно используемому дисковому пространству.

Сервер БДсодержит всю или большую часть данных, используемых компьютерами сети, и является одним из основных компонентов сети, так как все запросы к данным выполняются при его непосредственном участии. Помимо управления доступом к базам данных сервер обеспечивает безопасность и синхронизацию обращений к БД. Обеспечение безопасности БД заключается в предоставлении права доступа к БД только авторизованным пользователям.

Сервер приложений выполняет одну или несколько прикладных задач, которые запускаются по командам с рабочих станций сети. Принцип работы сервера приложений заключается в выполнении на сервере всех вычислительных операций с использованием процессов получения данных с сервера БД и организации интерфейса с рабочими станциями, на мониторах которых высвечиваются результаты решений, и инициируются очередные шаги для решения задач.

Сервер печатиобеспечивает доступ станций сети к общим ресурсам печати. Запросы на печать, поступающие от рабочих станций, разделяются сервером на отдельные задания, ставятся в очередь и выполняются на сетевом принтере.

Коммуникационный серверорганизует доступ любых удаленных компьютеров к информационным ресурсам сети, используя модем и телефонные линии связи. Некоторые коммуникационные серверы обеспечивают средства эмуляции терминала для связи с мэйнфреймом или мини-ЭВМ.

Интернет-сервер(WEB-сервер) служит для организации и размещения WEB-страниц и обеспечения WWW-сервиса Интернет.

Почтовый серверуправляетполучением и отправкой электронной почты, регистрирует почтовые сообщения, создает и поддерживает работу электронных почтовых ящиков, обеспечивает защиту сети от поступления непрофильных сообщений.

Появлению клиент-серверной архитектуры предшествовали разработка и широкое использование архитектуры «файл-сервер».

При архитектуре «файл-сервер», приведенной на рис.5.6, на сервере располагаются только данные. Вся обработка данных ведется на компьютере клиента, на котором находятся все программные средства для решения задачи, ведения интерфейса с пользователем и отображения результатов.

Архитектура «файл-сервер» предполагает передачу всей исходной информации, необходимой для решения задачи, по каналам связи на компьютер пользователя.

Применение такой архитектуры ведет к чрезмерной загрузке каналов передачи данных сети, увеличения времени решения задачи за счет времени передачи данных, невозможности одновременного использования одних данных разными пользователями и разными задачами, необходимости установки программного обеспечения на все рабочие станции сети.

Рабочая станция Сервер

Программы Прикладные Программы организации программы передачи интерфейса с данных пользователем

Данные

Рис. 5.6 Архитектура «файл-сервер»

Для того чтобы передавать по сети меньшие объемы информации, решение задачи, на основании запроса пользователя, производится на сервере, а клиенту пересылается только результат. Подобная архитектура предполагает, что прикладной процесс решения задачи функционирует как на компьютере клиента, так и на сервере.

Модели архитектуры «клиент-сервер» различаются распределением компонентов программного обеспечения между серверами и рабочими станциями сети. При этом в качестве программных компонентов выступают:

- программы реализации интерфейса с пользователем для ввода данных, запросов и отображения результатов решения задачи;

- прикладные программы, реализующие функции и задачи предметной области;

- программы, обеспечивающие доступ и управление информационными ресурсами сети (менеджер ресурсов). Часть функций менеджера ресурсов берет на себя используемая СУБД.

По сравнению с архитектурой «файл-сервер» архитектура «клиент-сервер» обеспечивает разработчикам информационных систем ряд преимуществ:

- все функции по управлению данными выполняются на сервере данных, что снижает требования к вычислительным ресурсам рабочих станций, на которых выполняются клиентские приложения, кроме третьей модели «клиент-сервер», в которой клиентские приложения выполняются на сервере приложений;

- при обмене данными между сервером данных и рабочей станцией по каналам сети передаются не все данные, а только запросы клиента и ответы сервера, что существенно снижает нагрузку на сеть (уменьшается объем трафика сети);

- при увеличении количества клиентов сети отсутствует необходимость обновления ПО уже существующих рабочих станций.

В настоящее время существуют и используются в практической работе три модели архитектуры «клиент-сервер»:

1. Модель «доступа к удаленным данным», при которой данные и программы, обеспечивающие доступ к данным по сети, располагаются на сервере, а программы решения прикладных задач, организации ввода информации и отображения результатов – на рабочей станции клиента, представлена на рис 5.7

Рабочая станция Сервер

Программы Прикладные организации программы интерфейса с пользователем

Данные

Программы передачи данных

Рис. 5.7 Модель «доступа к удаленным данным»

2. Модель «комплексный сервер», изображенная на рис. 5.8, предполагает выполнение сервером прикладных функций и функций доступа к данным за счет размещения данных, программ доступа к данным и прикладных программ на сервере.

Программы организации интерфейса с пользователем

Рабочая станция Сервер

Данные

Прикладные программы

Программы передачи данных

Рис. 5.8 Модель «комплексный сервер»

Модель комплексного сервера явля­ется наиболее привлекательной для крупных сетей, ориентированных на обработку боль­ших, увеличивающихся со временем объемов информации.

Обе модели удовлетворительно работают в случае решения несложных прикладных задач.

3. При решении сложных и объемных прикладных задач для прикладной части выделяется отдельный сервер называемый сервером приложений. В этом случае модель предполагает наличие трехуровневой архитектуры «клиент-сервер». Такая архитектура приведена на рис. 5.9.

Рабочая станция Сервер приложений Сервер

Программы организации интерфейса с пользователем

Прикладные программы

Данные

Программы передачи данных

Рис. 5.9 Трехуровневая архитектура «клиент-сервер».

В трехуровневой архитектуре значительно снижается нагрузка на сервер данных и рабочие станции. На сервер данных возлагаются только функции защиты и управления данными, а на рабочие станции приходятся функции отображения данных и организацией интерфейса пользователя.