Международные организации. Модель OSI
Общие принципы построения компьютерных сетей и основные определения
Под термином «Сеть» будем понимать систему связи со многими источниками и/или получателями сообщений. Места, где пути распространения сигналов в сети разветвляются или оканчиваются, называются узлами сети.
Компьютерная сеть – это сеть, в которой источниками и получателями сообщений являются компьютеры. Можно назвать несколько близких понятий, а именно, — вычислительная сеть, сеть передачи данных, распределённая система, различие между которыми определяется акцентами.
Классификация компьютерных сетей
Компьютерные сети как сложные и многопрофильные объекты принято классифицировать, исходя из разных точек зрения. Наиболее популярными являются следующие принципы классификации:
По «диаметру», т. е. расстоянию между наиболее удалённым узлами сети:
Сотни метров — LAN (Local Area Network) или ЛВС (Локальная Вычислительная Сеть);
Километры — MAN/CAN (Metropolitan/Campus Area Network) или РВС (Региональная Вычислительная Сеть);
Сотни и тысячи километров — WAN (Wide Area Network) или ГВС (Глобальная Вычислительная Сеть).
Поскольку современные компьютерные сети практически всегда имеют выход в глобальную сеть Internet, классификация сетей по этому принципу носит довольно условный характер.
По физической топологии (звезда, кольцо, общая шина, сотовая, иерархическая (древовидная), комбинированная), показывающей физическое соединение линий связи между узлами сети.
По логической топологии (звезда, кольцо, общая шина), показывающей способ обмена сигналами.
Физическая и логическая топологии слабо связаны между собой. Например, популярной технологии Ethernet на витой паре соответствует физическая топология звезда и логическая топология общая шина.
По виду кабельной системы – витая пара, оптический кабель, коаксиальный кабель, беспроводные сети.
По способу организации соединения и передачи информации сети делятся на сети с коммутацией
§ каналов (например, телефонная сеть общего пользования),
§ сообщений (информация перемещается от узла к узлу целиком)
§ пакетов (пакеты внутри сети перемещаются независимо друг от друга и собираются целиком в узле назначения).
По стекам протоколов – наборам правил формирования и передачи пакетов. Например, стек TCP/IP, стек IPX/SPX, Х25 и пр. Стек отличается от совокупности тем, что стек подразумевает не только набор правил, но и определяет последовательность их применения.
По сетевым операционным системам, т. е. программным продуктам, обслуживающим запросы пользователей на ресурсы сети и обеспечивающим функционирование сети, её администрирование. Например, MS Windows, Novell NetWare, UNIX/Linux и пр.
По способу предоставления ресурсов
§ одноранговые (все компьютеры могут быть и источниками и потребителями ресурсов сети),
§ клиент – сервер (выделенные компьютеры являются источниками ресурсов – серверами, а остальные – клиентами, т. е. потребителями ресурсов).
Ресурсами сети могут быть устройства (принтеры, модемы, диски и пр.), файлы (текстовые, звуковые, видео и пр.), службы/сервисы (WWW, E-mail, базы данных и пр.).
Международные организации. Модель OSI
Глобальность охвата и интернациональный характер развития компьютерных сетей делает роль международных организаций в вопросах стандартизации определяющей. При этом, в большинстве случаев, принимаемые стандарты носят характер рекомендаций, однако «де факто» становятся обязательными и соблюдаются всеми производителями сетевого оборудования и программного обеспечения. Механизм создания рекомендаций, кроме собственных разработок, включает в себя и рассмотрение инициативных предложений крупных компаний, самостоятельно разрабатывающих и продвигающих те или иные сетевые технологии. Отличительной чертой рекомендация является их непрерывная модернизация, отслеживающая новейшие достижения в этой области.
Наиболее авторитетными организациями в области сетевых технологий являются:
ITU-T (International Telecommunications Union sector Telecommunication) Международный союз электросвязи, сектор телекоммуникаций. До 1993 года организация называлась CCITT (Consultative Committee for International Telephone and telegraphy), или в русском переводе МККТТ (Международный Консультативный Комитет по Телефонии и Телеграфии). Кроме сектора Т (Telecommunication), важными являются секторы R (распределения радиочастот) и D (развития).
ISO(International Organization for Standardization) Международная организация по стандартизации. Эта организация объединяет национальные институты стандартов из 89 стран (ANSI — США, DIN – Германия, BSI – Великобритания и др.).
IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике – национальный «профсоюз» «электрических» учёных и инженеров США.
Модель OSI (Open System Interconnection) — взаимодействия открытых систем была опубликована в 1983 г. по результатам совместных работ ISO и ITU-T. Согласно этой модели все процессы в сетях рассматриваются на семи (поэтому модель иногда называют «семиуровневой») относительно независимых уровнях для наилучшей реализации на каждом уровне по отдельности.
Обмен данными между двумя компьютерами в сети согласно семиуровневой модели иллюстрирует рисунок 1.2.1.
Рис. 1.2.1. Модель OSI.
На этом рисунке использованы следующие обозначения: AH (application header) заголовок прикладного уровня, PH (presentation) – заголовок уровня представлений, SH (session) – заголовок сеансового уровня, TH (transport) – заголовок транспортного уровня, NH (network) – заголовок сетевого уровня, DH (data link) – заголовок канального уровня, DT (data link tail) – хвостовик кадра канального уровня.
Основной принцип построения модели, обеспечивающий независимость уровней, состоит в том, что пакет вышележащего уровня на нижележащем уровне рассматривается как данные, а вся необходимая для работы информация добавляется в виде заголовка/хвостовика.
При невозможности формирования пакета на нижележащем уровне из-за ограничений на размер пакета используется фрагментация (дробление) пакетов. Пример фрагментации показан на рисунке 1.2.2, где для обозначения данных используется буква M (message), заголовка – H (header) и хвостовика – T (tail).
Рис. 1.2.2. Фрагментация.
На узлах внутри сети действуют три нижних уровня, как это показано на рисунке 1.2.3, где PDU (protocol data unit) означает пакет протокола соответствующего уровня.
При описании сетей принято использовать следующие термины:
Протокол – правило, определяющее состав пакета и последовательность действий на соответствующем уровне.
Интерфейс – способ передачи данных с уровня на уровень.
Стек протоколов – упорядоченная совокупность протоколов нескольких уровней.
Служба (service) отличается от протокола тем, что оговаривается только результат без подробной регламентации процесса выполнения.
Технология чаще всего используется для обозначения протоколов нижних уровней (физического и канального), например, Ethernet или АТМ.
Инкапсуляция — преобразование пакета верхнего уровня одного стека в пакет нижнего уровня другого стека, например, при использовании IP поверх ATM.
Основные задачи уровней:
Физический (Physical) – стандартизация электрических и временных характеристик сигналов, физических параметров линий связи и разъёмов.
Канальный (Data Link) – доставка пакета на следующий узел сети (адресация, обнаружение/исправление ошибок).
Сетевой(Network) – доставка пакета в узел назначения (адресация, маршрутизация, проверка целостности данных).
Транспортный (Transport) – сборка всех пакетов в узле назначения.
Сеансовый (Session) – идентификация, начало/окончание сеанса передачи, аварийные режимы.
Представлений (Presentation) – преобразование данных к удобному для передачи по сети виду (например, шифрование данных по протоколу SSL (Secure Socket Layer)).
Прикладной (Application) – организация доступа к ресурсам сети. Например, получение файла – FTP (File Transfer Protocol), доступ к терминалу – Telnet и пр.
Методы доступа
Важным аспектом сетевых структур являются методы доступа к сетевой среде, т. е. принципы, используемые компьютерами для обращения к ресурсам сети. Основные методы доступа к сетевой среде основаны на логической топологии сети.
Метод опроса (polling) ассоциирован с логической топологией «звезда» 
Первичный узел (primary) сети последовательно опрашивает вторичные (S – secondary) узлы об их состоянии и предоставляет требуемый сетевой ресурс. Метод реализуется в специальных сетях (телеметрических, сетях систем управления производством и технологическими процессами и т. п.).
Метод посылки маркера (token passing) соответствует логической топологии «кольцо». Идею метода посылки маркера иллюстрирует пример пересылки пакета А от станции 1 к станции 3, где пакет с точкой внутри – пакет с отметкой (флагом) получения.
Рис. 1.3.2. Посылка маркера
Наиболее ярко этот метод реализован в технологиях Token Ring/Token Bus (IEEE 802.5/802.4) и FDDI.
Технология Token Ring была разработана в 1984 г. фирмой IBM и обеспечивала скорость 4 Мбит/с (в современных реализациях эта скорость увеличена до 16 Мбит/с). В 1998 г. были предложены высокоскоростные версии технологии под названием High-Speed Token Ring для скоростей 100 или 155 Мбит/с. В качестве физической линии может использоваться либо коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 70 Ом (максимальная длина кольца — 4000 м), либо экранированная витая пара STP (Shielded Twisted Pair) с расстоянием между концентратором и конечным узлом до 100 м, либо неэкранированная витая пара UTP (Unshielded Twisted Pair) с расстоянием между концентратором и конечным узлом до 45 м, либо волоконно-оптический кабель. Технология позволяет поддерживать до 260 компьютеров в сети.
Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface – оптоволоконный распределённый доступ к данным) разработана ANSI в 1986-8 гг. и предусматривает соединение до 500 компьютеров двойным (для повышения надёжности) кольцом оптоволокна длинной до 100 км со скоростью обмена 100 Мбит/с.
Метод конкуренции (competition) связан с логической топологией «общая шина».
Наиболее распространённая версия метода имеет название CSMA/CD (Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection) – прослушивание «несущей», множественный доступ, обнаружение коллизий (столкновений).
Процедура разрешения коллизий состоит в использовании случайной задержки при повторной передаче. При каждой следующей попытке интервал задержек увеличивается (например, в технологии Ethernet вдвое). Количество попыток ограничено (в технологии Ethernet их не более 16).
Для предотвращения неустранимых коллизий необходимо, чтобы длительность самого короткого кадра была больше двойного времени прохождения сигнала между крайними узлами сети.
Важным для этого метода является понятие коллизионного домена (collision domain), т. е. совокупности узлов, распознающих коллизию независимо от того, в каком узле эта коллизия возникла.
ISDN
Технология ISDN (Integrated Services Digital Network) – цифровая сеть с интеграцией услуг явилась результатом развития идеи «оцифровки» телефонных сетей общего пользования вплоть до потребителя, которому весь спектр услуг (телефонные переговоры, факсимильные сообщения, охранная и пожарная сигнализация, компьютерная передача данных и т. д.) предоставляется посредством цифровых сигналов. У истоков ISDN в 70-е гг. прошлого века под эгидой ITU-T (CCITT) стояли ведущие телефонные компании и министерствами связи наиболее развитых стран.
Первоначальная версия ISDN была рассчитана на скорость 64 кбит/с и получила название узкополосной N-ISDN (Narrowband). Эта технология не нашла широкого применения из-за длительности разработки (к моменту окончательного утверждения всех протоколов скорости в 64 кбит/с было явно недостаточно) и больших финансовых затратах, поскольку потребовалось бы заменить не только станционное оборудование, но и все терминальные аппараты абонентов. Внимание к ISDN объясняется не самой технологией, а появившимися в связи с ней терминами и выделившимися из неё такими популярные технологиями, как ATM, xDSL, Frame Relay и пр.