Многоуровневые архитектуры информационных сетей

Архитектура — это концепция, определяющая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов сложенного объекта.

Концепцию создания информационной сети определяет архитектура дискретной сети или Digital Network Architecture (DNA), которую предложила корпорация DEC. В нее входят различные типы систем. При этом системы могут работать под управление разных операционных систем. Первая версия под названием DEC net появилась в 1974 — 1975 г. г. Затем были опубликованы последующие версии. DEC разработала стандарты семи уровней и большое число сетевых служб. Каждый из семи уровней выполняет свои специфические функции.

Первый или физический уровень соединяет системы с физическими средствами соединения. Это самый нижний (первый) уровень в иерархии уровней области взаимодействия открытых систем (OSI). Он определяет механические, оптические, электрические, процедурные средства передачи сигналов через физические средства соединения. Он расположен между канальным уровнем и физическими средствами соединения. В соответствии с этим физический уровень использует физические средства соединения, добавляет свой сервис и представляет все это канальному уровню. Задачей уровня является создание физических интерфейсов, необходимых для подключения систем к физическим средствам соединения. Каждый из этих интерфейсов характеризуется механическими аспектами подключения (муфты, соединители), либо электрическими (напряжение, ток, методы модуляции сигнала и т. д.). Уровень определяет также процедуры передачи сигналов в физический канал и приема сигналов из канала.

Физический уровень выполняет следующие функции:

• 1. Устанавливает и разъединяет физические соединения.
• 2. Передает последовательности сигналов.
• 3. Прослушивает в нужных случаях каналы.
• 4. Выполняет идентификацию каналов.
• 5. Оповещает о появлении неисправностей и отказов.

Последний вид сервиса связан с тем, что на физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий, мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря механического контакта и т. д.). Виды сервиса, представляемого канальному уровню, определяются протоколами физического уровня. При этом протоколом называют стандарт, определяющий поведение функциональных блоков при передаче данных. Протокол является набором правил взаимодействия функциональных блоков, расположенных на одном уровне. Прослушивание канала необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем, но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи.

Международный союз электросвязи (ITU) утвердил ряд стандартов физического уровня. Широкую известность получил универсальный интерфейс коммуникационной сети.

Второй или канальный уровень определяет способ передачи данных между соседними системами, указывает методы исправления ошибок. Канальный уровень является вторым в иерархии уровней и расположен между физическим и сетевым уровнями. В соответствии с этим он предоставляет сетевому уровню физические средства соединения, сервис, определяемый функциями физического уровня, и свой сервис. Канальный уровень может выполнять следующие функции:

• 1. Организацию (установление, управление, расторжение) канальных соединений и идентификацию их портов.
• 2. Организацию последовательностей блоков данных.
• 3. Передачу блоков данных.
• 4. Обнаружение и исправление ошибок.
• 5. Управление потоками данных.
• 6. Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных, закодированных любым способом).

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

информационная сеть беспроводная технология канал Функционирование канального уровня определяется его протоколом. Наиболее известными из них являются:

• 1. Высший уровень управления каналами данных (HDLC)
• 2. Процедура доступа к каналу (LAP)
• 3. Стандарты IEEE

Вначале на канальном уровне происходила передача кадров между смежными системами. Позже при появлении скоростной коммутации данных на этом уровне стали передаваться блоки данных через всю коммуникационную сеть.

Третий или сетевой уровень обеспечивает два коммуникационных сервиса: с установлением соединений и без их установления. Сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих абонентские системы и административные системы через коммуникационную сеть.

Сетевой уровень является третьим в иерархии уровней и расположен между транспортным уровнем и канальным уровнем. В соответствии с этим сетевой уровень предоставляет транспортному свой сервис и сервис, определяемый функциями физического и канального уровней. Задачей сетевого уровня является создание виртуальных каналов, проходящих через коммуникационную сеть. Виртуальный канал — это логический канал, проходящий через коммуникационную сеть. Кроме того сетевой уровень сообщает транспортному уровню о появляющихся ошибках. Передача данных через коммуникационную сеть осуществляется пакетами. В них помечаются фрагменты данных.

Сетевой уровень определяется стандартами Международной организации по стандартизации (ISO). На сетевом уровне могут выполняться следующие функции:

• 1. Создание сетевых соединений и идентификация их портов.
• 2. Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть.
• 3. Управление потоками пакетов.
• 4. Организация (упорядочение) последовательностей пакетов.
• 5. Маршрутизация и коммутация.
• 6. Сегментирование и объединение пакетов.
• 7. Возврат в исходное состояние.
• 8. Выбор вида сервиса.

Соответственно этим функциям сетевой уровень предоставляет сервис транспортному уровню.

Транспортный уровень — это уровень, на котором пакеты передаются через коммутационную сеть. Транспортный уровень является четвертым в иерархии уровней и расположен между сетевым уровнем и сеансовым уровнем. Поэтому транспортный уровень предоставляет сеансовому уровню физические средства соединения, сервис физического, канального и сетевого уровней, а также свой сервис. Рассматриваемый уровень определяет адресацию абонентских и административных систем в информационной сети. Однако, его главной задачей является использование виртуальных каналов, проложенных между взаимодействующими абонентскими системами. При этом происходит передача в пакетах через коммуникационную сеть блоков данных, которые называются фрагментами данных.

В перечень функций транспортного уровня входят:

• 1. Управление передачей блоков данных и обеспечение их целостности.
• 2. Обнаружение ошибок, их частичная ликвидация, сообщение о неисправленных ошибках.
• 3. Восстановление передачи после отказов и неисправностей.
• 4. Укрупнение или разукрупнение блоков данных.
• 5. Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная, срочная).
• 6. Передача подтверждений о переданных блоках данных.
• 7. Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях.

Кроме того, транспортный уровень восстанавливает блоки данных, потерянные на нижних уровнях. Управление целостностью и последовательностью блоков обеспечивает прием адресатами блоков целыми и в порядке, в котором их послал отправитель.

Важную роль в управлении передачей данных играет механизм окна. Под окном понимается число блоков данных, которое передается через коммутационную сеть без подтверждения об их доставке без ошибок. По окончании этой передачи адресат должен подтвердить получение посланной группы блоков.

Стандарт ISO (международная организация по стандартизации) в зависимости от перечня предоставляемых видов сервиса определяет пять классов процедур (0, 1, 2, 3,4), выполняемых транспортным протоколом. Класс 0 — самый простой. Поэтому может выполняться терминалами и устройствами телексов. Восстановление при отказах и мультиплексирование здесь не предусматривается. Класс 1 — также простой, но в него добавлены возможности восстановления соединения при появлении сбоев. Классы 2, 3, 4 — более сложные классы, которые предоставляют дополнительные возможности для передачи данных (например, мультиплексирование). Эти классы также характеризуются качеством сервиса — пропускной способностью, временем передачи, частотой ошибок и т. д.

Сеансовый уровень — это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами. Сеансовый уровень является пятым в иерархии протоколов и расположен между транспортным и представительным уровнями. Поэтому этот уровень предоставляет представительному уровню физические средства соединения, сервис физического, канального, сетевого уровней, а также свой сервис.

Инициатором является объект прикладного уровня, который требует проведения сеанса и указывает адрес необходимого партнера. Сеансовый уровень, если это необходимо, может обращаться к любому прикладному процессу по его имени непосредственно независимо от того, в какой абонентской системе либо административной системе этот процесс находится. Поэтому прикладной процесс может перемещаться по информационной сети, располагаясь в любой ее системе. Это важно в тех случаях, когда одна из систем выходит из строя или когда осуществляется распределенная обработка данных.

Сеансовый уровень обеспечивает выполнение следующих функций:

• 1. Устанавливает и завершает на сеансовом уровне соединение между партнерами.
• 2. Выполняет нормальный и срочный обмен данными между прикладными процессами.
• 3. Управляет взаимодействием прикладных процессов.
• 4. Синхронизирует работы сеансовых соединений.
• 5. Извещает прикладные процессы об исключительных ситуациях.
• 6. Устанавливает в прикладном процессе метки, которые позволяют после отказа либо ошибки восстанавливать его выполнение от ближайшей метки.
• 7. Прерывает в нужных случаях прикладной процесс и восстанавливает его.
• 8. Прекращает сеанс без потери данных.
• 9. Передает особые сообщения о ходе проведения сеанса.

Через одно и тоже соединение на транспортном уровне могут передаваться данные, которые относятся к различным одновременно проводимым сеансам. Поэтому на сеансовом уровне должны быть приняты меры по идентификации сеансов. Вместе с тем один и тот же сеанс может для надежности осуществляться по нескольким транспортным соединениям.

На сеансовом уровне реализуются два вида протоколов: ориентированный на использование соединений и взаимодействие без установления соединений.

Представительный уровень — это уровень, который представляет (описывает) в нужной форме данные, передаваемые между прикладными процессами. Представительный уровень является шестым в иерархии уровней и расположен между сеансовым уровнем и прикладным уровнем. Поэтому представительный уровень предоставляет прикладному уровню свой сервис и сервис физического, канального, сетевого, транспортного и сеансового уровней. Уровень обеспечивает кодирование данных, выдаваемых прикладными процессами, и интерпретацию передаваемых им данных. Иначе говоря, на представительном уровне данные преобразуются и формируются в виде, необходимом для передачи. На этом уровне также происходит преобразование форматов и синтаксиса данных. С синтаксисом тесно связана семантика, характеризующая смысловое значение передаваемых данных. Однако, она известна лишь самим прикладным процессам. Совокупное описание общей структуры данных наряду с множеством возможных действий над ними принято называть образом представления. Использование стандартных виртуальных форм представления позволяет обеспечить взаимодействие между прикладными процессами.

Представительный уровень выполняет следующие основные функции:

• 1. Выбор образа представления из возможных вариантов.
• 2. Изменения образа представления в виртуальный.
• 3. Преобразование синтаксиса данных (кодов, символов) в стандартный.
• 4. Определение формата данных.

Для реализации этого сервиса представительный уровень выполняет действия, к которым в первую очередь относятся:

• 1. Генерация запросов на установление сеансов взаимодействия прикладных процессов.
• 2. Согласование между прикладными процессами видов представления данных.
• 3. Реализация форм представления данных.
• 4. Представление графического материала (чертежей, рисунков, схем и т. д.) 5. Представление речи.
• 6. Засекречивание данных.
• 7. Передача запросов на прекращение сеансов.

Работа представительного уровня описывается стандартами Международной организации по стандартизации (ISO). При этом возможна как организация соединений, так и работа без организации соединений. При использовании соединений выполнение представительным уровнем своих функций осуществляется последовательно в четыре этапа. На первом этапе происходит установление сеанса взаимодействия. При этом представительный уровень передает сеансовому уровню команду, и сеансовый уровень начинает сеанс. На втором этапе следует фаза управления видом представления. В этой фазе выбирается один из имеющихся видов представления и определение его параметров. На третьем этапе осуществляется переход к фазе передачи данных и синхронизации функционирования. При этом происходит преобразование, идентификация и сжатие данных. Широко используется криптография. Криптография — это способ изменения данных с целью сделать их непонятными для непосвященных лиц. На последнем четвертом этапе происходит завершение сеанса. Здесь заканчиваются процедуры, связанные с представлением данных. Прикладной уровень обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия.

Прикладной уровень является верхним (седьмым) в иерархии уровней и в соответствии с прикладным интерфейсом непосредственно примыкает к прикладным процессам. Снизу с ним связан представительный уровень. Прикладной уровень выполняет задачу обеспечения различных форм взаимодействия прикладных процессов, которые расположены в разнообразных системах информационной сети.

Для этого он осуществляет функции:

• 1. Описание форм и методов взаимодействия прикладных процессов.
• 2. Выполнение различных видов работы (управление заданиями, передача файлов, управление системой и т. п.).
• 3. Идентификацию пользователей (партнеров взаимодействия) по их паролям, адресам, электронным подписям.
• 4. Определение функционирующих абонентов.
• 5. Объявление о возможности доступа к новым прикладным процессам.
• 6. Определение достаточности имеющихся ресурсов.
• 7. Посылку запросов на соединение с другими прокладными процессами.
• 8. Подачу заявок представительному уровню на необходимые методы описания информации.
• 9. Выбор процедур планируемого диалога процессов.
• 10. Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы.
• 11. Синхронизацию взаимодействия прикладных процессов.
• 12. Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок и т. д.).
• 13. Соглашение об исправлении ошибок и определение достоверности данных.
• 14. Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).

Указанные функции определяют виды сервиса, которые прикладной уровень предоставляет прикладным процессам. Кроме того, прикладной уровень передает прикладным процессам сервис, представляемый физическим, канальным, сетевым, транспортным, сеансовым и представительным уровнями.

Прикладной уровень часто делится на два подуровня:

• 1. Верхний подуровень включает сетевые службы.
• 2. Нижний подуровень содержит стандартные сервисные элементы, поддерживающие работу сетевых служб.

Семиуровневая архитектура взаимодействия открытых систем представлена на рис. 1−2.

Рис. 1−2. Семиуровневая система взаимодействия открытых систем.