Архитектура и протоколы компьютерных сетей

Архитектура компьютерной сети — это описание её общей модели. Эта модель определяет характеристики сети в целом и характеристики и функции, входящих в неё основных компонентов. Все сети различных архитектур удовлетворяют требованиям архитектуры модели открытых систем. Модель открытых систем служит базой при разработке совместимого сетевого оборудования.

Первая версия этой модели разработана в 1978 году ISO (International Standards Organization). В 1984 году ISO выпустила новую версию, названную ISO OSI (Open System Interconnection Reference Model). Эта модель стала международным стандартом. Она определяет функции и уровни взаимодействия протоколов в сети при передаче данных.

Протокол — это набор правил, определяющий взаимодействие двух одноимёенных уровней модели открытых систем в различных абонентских ЭВМ. Протокол — это не программа. Для каждого уровня существует свой протокол.

Модель открытых систем состоит из семи уровней. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Сетевые функции, выполняемые на каждом уровне, взаимодействуют только с функциями двух соседних уровней — вышележащего и нижележащего. Уровни отделены друг от друга границами — интерфейсами.

Уровни эталонной модели OSI.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты, которые проходят последовательно все уровни от седьмого до первого, при этом на каждом уровне к пакету добавляется форматирующая или адресная информация, необходимая для безошибочной передачи данных по сети.

На принимающей стороне пакет опять проходит через все уровни, но в обратном порядке. На каждом уровне из пакета удаляется информация, добавленная к нему на таком же уровне отправителем, в результате на седьмом уровне данные примут свой первоначальный вид.

Функции каждого уровня следующие:

самый верхний седьмой уровень — прикладной. Он содержит все необходимые элементы сервиса, обеспечивает поддержку прикладных программ конечных пользователей, т. е. управляет общим доступом к сети;

представительный уровень определяет синтаксис данных в модели OSI, т. е. представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе;

сеансовый уровень реализует установление и поддержание сеанса связи между абонентами через коммуникационную сеть. Он управляет диалогом между взаимодействующими процессами;

транспортный уровень обеспечивает интерфейс между процессами и сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и обеспечивает передачу по этим каналам информационных пакетов;

сетевой уровень отвечает за маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети и за связь между сетями, т. е. реализует межсетевое взаимодействие;

канальный уровень реализует процесс передачи данных по информационному каналу. Данные разбиваются на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр передается только после подтверждения о безошибочной передаче предыдущего кадра;

физический уровень выполняет все необходимые процедуры в канале связи, обеспечивая передачу потока бит по физической передающей среде. Его основная задача — управление аппаратурой передачи данных и подключение к ней каналов связи.

Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, мультиплексоры, сетевые платы и т. п. Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей — драйверов.

Проще всего стандартизируются протоколы трех нижних уровней, т. к. они определяют действия и процедуры, свойственные вычислительным сетям любого класса. Протоколы верхних уровней трудно стандартизировать из-за их уникальности, особенно по функциональному назначению.

Например, протоколы канального уровня делятся на две основные группы: Байт-ориентированные и бит-ориентированные.

Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов сообщение несет управляющие и служебные байты. Протокол обеспечивает передачу двух типов кадров: управляющих и информационных. Работа протокола осуществляется в три фазы: установление соединения, поддержание сеанса связи, разрыв соединения. На каждый переданный кадр протокол требует посылки квитанции о результате его приема. Кадры, переданные с ошибкой, передаются повторно, причем определяется максимальное число повторных передач. Наиболее распространенным байт-ориентированным протоколом является протокол двоичной синхронной связи BSC (Binary Synchronous Communication), созданный фирмой IBM.

Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов. Для разделения кадров используются специальные последовательности — флаги. Этот протокол удобен для коммуникационной среды и не очень удобен для ЭВМ, т. к. из сообщения необходимо выделять байты информации. Он является более скоростным, чем байт-ориентированный.

Для нижних двух уровней Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике ИИЭР (IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, IEEE.) разработаны стандарты, известные как Project 802, названные в соответствии с годом (1980) и месяцем (февраль) своего издания.

Это стандарты для физических компонентов сети — интерфейсных плат и кабельной системы, т. е. для канального и физического уровня модели открытых систем. Стандарты, определенные Project 802, делятся на 16 категорий, каждая из которых имеет свой номер (от 802.1 до 802.16), например, 802.1 — верхние уровни и административное управление, 802.6 — городские сети, 802.11 — беспроводные сети.