Уровни взаимодействия сетевых систем Интернета

Для того чтобы организовать связь двух компьютеров, требуется сначала разработать протоколы, включающие в себя свод правил их взаимодействия, описание языка их общения (распознавания посылаемых ими сигналов) и т. п., поэтому работа сетей основана на использовании множества различных протоколов: например, управляющих физической связью, установлением связи посети, доступом к различным ресурсам и т. д. С целью упростить и упорядочить такое множество протоколов и отношений используется многоуровневый принцип. Он позволяет также составлять сетевые системы из модулей программного обеспечения, выпущенных разными производителями.

Модель взаимодействия сетевых систем, обеспечивающая передачу и представления данных в Интернете, вертикально структурирована и имеет семь уровней (см. рис. 2).

Взаимодействие уровней в такой модели является субординарным. Каждый уровень может реально взаимодействовать только с соседними уровнями (верхним и нижним) на одном конце линии, а виртуально только с аналогичным уровнем на другом конце линии. Реальное взаимодействие означает непосредственную передачу информации в пределах одного компьютера, например пересылку данных в оперативной памяти компьютера из области, отведенной одной программе, в область другой программы. При непосредственной передаче данные все время остаются неизменными.

Виртуальное взаимодействие означает опосредованное взаимодействие и передачу данных между компьютерами. В этом случае данные в процессе передачи могут уже определенным, заранее оговоренным образом видоизменяться.

Такое виртуальное взаимодействие происходит, например, при переписке двух руководителей. Рассмотрим схему цепи посылки письма в такой переписке. Один руководитель пишет письмо на своем бланке и отдает его секретарю. Секретарь запечатывает письмо в конверт, надписывает конверт, наклеивает марку и передает на почту. Почта доставляет письмо в соответствующее почтовое отделение. Это почтовое отделение связи переправляет письмо железнодорожным транспортом в другое почтовое отделение, которое непосредственно доставляет письмо получателю — секретарю другого руководителя. Секретарь распечатывает конверт и по мере надобности передает письмо своему руководителю. Ни одно из звеньев цепи не может быть пропущено, иначе цепь разорвется и письмо не дойдет до адресата.

В рассмотренном случае видно, как информация (лист бумаги с текстом) передается с верхнего уровня вниз, проходя множество необходимых ступеней — стадий обработки. Обрастает при этом служебной информацией (конверт, адрес на конверте, почтовый индекс, контейнер с корреспонденцией, почтовый вагон и т. д.), изменяется на каждой стадии обработки и постепенно доходит до самого нижнего уровня — уровня почтового транспорта (в частности, железнодорожного), которым реально передается в пункт назначения. В пункте назначения происходит обратный процесс: вскрывается контейнер и извлекается корреспонденция, считывается адрес на конверте, почтальон несет его адресату (секретарю), который восстанавливает информацию в первоначальном виде: достает письмо из конверта, определяет его срочность, важность и в зависимости от этого передает информацию выше — руководителю.

Два руководителя, таким образом, имеют виртуальную прямую связь. Ведь второй руководитель получает в точности ту же информацию, которую ему направил первый руководитель, а именно: лист бумаги с текстом письма. При этом оба руководителя совершенно не заботятся проблемами пересылки этой информации.

Секретари также имеют виртуальную прямую связь, но на более низком уровне. Их также совершенно не волнуют проблемы почты, пересылающей письма. И так далее по всей схеме цепи пересылки письма.

Аналогичные связи и процессы происходят в сетевых системах Интернета.

Реальные связи наблюдаются при передаче информации на одном конце линии (в одном компьютере) с верхнего (например, шестого) уровня последовательно вниз до первого (физического) уровня, где с помощью разнообразных линий связи эта информация передается на другой конец линии (на физический уровень другого компьютера). Здесь информация последовательно по уровням передается вверх, в частности до шестого уровня. В этом случае можно считать, что между двумя компьютерами на разных концах линии установилась горизонтальная виртуальная связь на шестом уровне.

Рассмотрим более подробно назначение различных уровней взаимодействия сетевых систем в Интернете (см. рис. 2).

Седьмой уровень — прикладной. Он обеспечивает интерфейс между пользователем и сетью, делает доступными для человека всевозможные услуги Интернета.

При взгляде с седьмого уровня Интернет представляется огромным информационным пространством, в котором работают различные службы, для общения с которыми нужны прикладные программы, понимающие протоколы этих служб. Например, для просмотра веб-страниц на компьютере должна быть прикладная программа для их просмотра (такие программы называются браузерами). Если же нужно отправить письмо по электронной почте, то нужна другая программа (такие программы называются клиентами электронной почты, или, короче, почтовыми клиентами). Для просмотра через Интернет телевизионных передач потребуются другие соответствующие прикладные программы.

При работе на прикладном уровне мы получаем информацию в разных видах (текст, графику, речь, музыку, видео и т. п.), но совершенно не задумываемся над тем, какие это файлы и как они поступают на компьютер, где они сохраняются и сохраняются ли вообще. Конечно, мы можем сохранить все, что видим и слышим, в виде файлов, но можем этого и не делать. А если все-таки захотим это сохранить, то дадим команду сохранения полученных данных, а для этого нужно перейти на шестой уровень.

Шестой уровень — представления данных. Этот уровень обеспечивает работу седьмого. Поэтому на этом уровне мы имеем дело с программами, обеспечивающими работу программ прикладного уровня, т. е. уровня операционной системы компьютера, ведь именно она дает возможность устанавливать и эксплуатировать разные программы. А еще операционная система обеспечивает хранение файлов на жестком диске. Так что как только мы даем команду на сохранение просматриваемой веб-страницы, то сразу попадаем в объятия операционной системы — она предложит выбрать папку для хранения и задать имя сохраняемого файла.

На седьмом уровне владельцы компьютеров IBM PC, Macintosh, Sun и многих других работают одинаково. На шестом уровне они уже работают по-разному. Владельцы разных компьютеров должны иметь разные версии прикладных программ. На шестом уровне те данные, которые мы получаем, представляются файлами, которые можно сохранить, переименовать, скопировать, удалить, в общем, распорядиться ими так, как подсказывает желание и позволяет операционная система.

При взгляде с шестого уровня Интернет представляется огромным количеством жестких дисков и файлов. Мы можем брать файлы, копировать их себе, а свои, наоборот, копировать на удаленные компьютеры. На этом уровне нет ни музыки, ни графики, ни видео — есть только файлы, в которых содержится и то, и другое, и третье.

Пятый уровень — сеансовый. Он координирует взаимодействие связывающихся процессов (работающих программ): обеспечивает установление и разрыв сеансов и восстанавливает аварийно оконченные сеансы, а также обеспечивает при необходимости защищенный канал связи. Сеанс — это логическое соединение между двумя конечными пунктами. Этот уровень координирует не компьютеры и устройства, а процессы в Сети, поддерживает их взаимодействие — управляет сеансами связи между процессами прикладного уровня. Этот же уровень ответственен за картографию Сети — он преобразовывает адреса, удобные для людей, в реальные сетевые адреса, например в Интернете это соответствует преобразованию региональных (доменных) компьютерных имен в числовые адреса Интернета и наоборот.

Четвертый уровень — транспортный. Он регламентирует пересылку данных между процессами, выполняемыми на компьютерах сети. Завершает организацию передачи данных: контролирует на сквозной основе поток данных, проходящий по маршруту, определенному третьим уровнем: правильность передачи блоков данных, правильность доставки в нужный пункт назначения, их комплектность, сохранность, порядок следования. Собирает информацию из блоков в ее прежний вид. Проверяет правильность доставки и адресации для обеспечения связи через множество сетей и шлюзов.

На транспортном уровне в Интернете используется обычно протокол TCP, обеспечивающий высокую точность передачи (рис. 3). Если принимающий компьютер сообщит о нехватке какого-либо пакета, то его передача будет повторяться до тех пор, пока вся посылка не будет принята без ошибок.

На четвертом уровне файлы нарезаются на небольшие пакеты, каждый из которых далее передается отдельно. Если же речь идет о принимающем компьютере, то на его транспортном уровне, наоборот, из полученных пакетов собираются файлы, которые потом передаются наверх, на расшифровку и просмотр в прикладных программах.

Согласно протоколу TCP данные не только нарезаются на пакеты, но и каждому пакету прикрепляется заголовок, в котором указывается место этого пакета в общей сборке. Далее пакеты передаются в Интернете порознь. Их маршруты могут быть любыми. Только когда все пакеты достигнут потребителя, передача может считаться успешной. Благодаря таким свойствам протокола TCP Интернет обладает высокой устойчивостью и способностью самозалечивать повреждения. Если при передаче данных из Москвы в Нью-Йорк вдруг что-то случится на промежуточном сервере в Берлине, застрявшие пакеты пойдут обходным путем, например через Париж. Поскольку в Интернете сегодня множество самых разных линий связи, от кабельных до космических, то пакеты легко находят новые маршруты и прервать связь между двумя точками весьма сложно.

На четвертом уровне Интернет представляется огромным объединением компьютерных сетей, в которых циркулируют данные, однообразно нарезанные на стандартные пакеты.

Рис. 3. Условная схема передачи информации в Интернет

Третий уровень — сетевой. На этом уровне действует только один протокол, который так и называется, — IP (Internet Protocol — Протокол взаимодействия сетей) (см. рис.3). Протокол третьего уровня определяет, куда направляется информация, а для этого необходима система адресации. Согласно IP-протоколу у каждого компьютера, входящего во Всемирную сеть, есть свой уникальный (неповторяющийся) IP-адрес. Этот адрес записывается четырьмя числами в диапазоне от 0 до 255, которые отделены друг от друга точками, например: 194.58.110.12. Крайнее левое число обозначает номер большой сети, числа, которые стоят справа, означают более мелкие участки сетей, и так далее до конкретного компьютера. При такой системе можно получить 2564 уникальных адресов, т. е. всего более 4 млрд. Однако не все адреса разрешены. Некоторые значения отдельных байтов используются для своих, служебных, целей, поэтому реально возможно чуть более 2 млрд. адресов. Однако и это достаточно большое число, которого пока хватает. На третьем уровне к каждому TCP-пакету приписывается еще один формальный заголовок, в котором стоят адреса отправителя и получателя. Когда пакет передается в Интернете по цепочке между серверами, им не надо читать, что находится внутри пакета. По IP-заголовку они в состоянии определить, куда его надо перебросить, а если с пакетом что-то случится, то они определят и куда нужно обратиться с запросом на повторную передачу.

С таким представлением адресов существует много проблем. Они очень трудно запоминаются и являются длинными. Чтобы облегчить понимание адресов, начали использовать специальные названия (имена, например www.izvestia.ru). Такое имя называется доменным. С такими адресами легче работать, потому что доменные имена имеют постоянную структуру, по виду которой можно легко понять, какой стране и организации принадлежит имя.

Сетевой уровень пользуется возможностями, предоставляемыми ему вторым уровнем, для обеспечения связи любых двух точек в сети. На этом уровне осуществляется проводка сообщений по сети, которая может иметь много линий связи, или по множеству совместно работающих сетей, что требует маршрутизации, т. е. определения пути, по которому следует пересылать данные.

Обстановка в Интернете непрерывно меняется. Любой участок Сети, только что еще свободный, может оказаться перегруженным. В таких случаях промежуточные узловые компьютеры прекращают отправку в этот участок TCP-пакетов и направляют их по другим маршрутам. Примерно так водители пытаются по параллельным дорогам объехать пробки. В Сети этим процессом управляют так называемые маршрутизаторы. Маршрутизатор — это специальный компьютер или специальная программа, работающая на компьютере. По IP-адресу, имеющемуся на TCP-пакете, он определяет, кому из своих соседей целесообразно передать этот пакет, после чего выясняет, кто из этих соседей в данный момент более свободен, и направляет пакет ему. Поэтому при передаче документа из одного пункта в другой его пакеты могут проходить разными маршрутами. Это не мешает им рано или поздно достигать адресата, но порядок их поступления может оказаться любым — пакет, отправленный раньше, может прийти позже пакета, который был отправлен за ним. Благодаря тому, что каждый ТСР-пакет имеет маркировку, программы, работающие на компьютере адресата, собирают документ в правильной последовательности. Этот процесс называется реконструкцией.

Интернет состоит из множества больших и малых сетей. В каждой из них могут быть свои методы адресации сообщений и своя система присвоения адресов отдельным компьютерам. Но в том месте, где локальные сети подключаются к Интернету, должен стоять специальный шлюзовой компьютер (или работать шлюзовая программа), который переведет внутренние адреса локальной сети в адреса Интернета.

На третьем уровне Интернет представляется объединением множества компьютеров, у каждого из которых есть собственный уникальный IP-адрес.

Второй уровень — канальный. Он обеспечивает безошибочную передачу блоков данных (называемых на этом уровне кадрами) через физический уровень, который при передаче может искажать данные. Этот уровень должен определять начало и конец кадра в битовом потоке, формировать из данных, передаваемых физическим уровнем, кадры или последовательности кадров, включать процедуру проверки наличия ошибок и их исправления. Этот уровень (и только он) оперирует такими элементами, как битовые последовательности, методы кодирования, маркеры. Он несет ответственность за правильную передачу данных (пакетов) на участках между непосредственно связанными элементами сети. Обеспечивает управление доступом к среде передачи.

При работе на втором уровне возникают определенные проблемы. Существует множество разных линий связи: телефонные, кабельные, волоконно-оптические, радиорелейные, линии спутниковой связи и другие, которые в большинстве случаев не приспособлены для передачи компьютерных сигналов. Телефонные линии, например, предназначены для передачи голоса и не подходят для передачи компьютерных данных. И дело здесь даже не в телефонных проводах, а в наличии коммутационных устройств телефонных станций, включающих реле, переключатели, шаговые искатели, которые работают медленно, нестабильно и при этом еще искрят. Поэтому происходит преобразование компьютерных сигналов в те сигналы, для которых данная линия связи предназначена. С этой задачей справляются устройства, называемые адаптерами или модемами.

На втором уровне Интернет представляется совокупностью множества компьютеров, различных линий связи, устройств преобразования сигналов и т. п.

Первый уровень — физический. Он включает в себя физические аспекты передачи двоичной информации по линии связи. Детально описывает, например, напряжения, частоты, природу передающей среды. Этому уровню вменяется в обязанность поддержание связи, прием и передачу битового потока.

На этом уровне нет ни документов, ни файлов, ни пакетов, ни байтов и битов. Есть электромагнитные сигналы той физической природы, для которых предназначена конкретная линия связи. По линиям связи эти сигналы путешествуют от компьютера к компьютеру. В пути физическая природа этих сигналов может меняться, если будет меняться линия связи.

На первом уровне Интернет представляется хитросплетением множества самых разнообразных линий связи, имеющих различную физическую природу.

Из проведенного обзора уровней Интернета видно, что на каждом уровне он имеет свои характерные свойства и особенности.

На самом верхнем (седьмом) уровне Интернет — это информационное пространство, а по мере снижения уровня происходит приближение к проводам и линиям связи, по которым передаются электрические сигналы. Чем выше уровень, тем больше проявляется бытовой, потребительский характер Интернета, в котором преобладают образы (тексты, картинки, музыка). Чем ниже уровень, тем больше в нем физико-технической направленности и тем большей профессиональной подготовки требуется для работы в Интернете.

От личного характера, целей и задач зависит уровень погружения в Интернете. Если, например, заниматься только простейшим просмотром веб-страниц или пересылкой электронной почты, то достаточно умение работать на самом высшем, седьмом уровне. Если необходимо выполнять какие-то настройки, применять специальные программы, то придется опуститься на более низкие уровни. Например, хакеры, ищущие методы доступа к чужой информации, а также службы безопасности, им противостоящие, оперируют на третьем уровне. Экспериментаторы, изучающие линии связи — на первом (физическом) уровне.