Стандартизация и классификация сетей

Декомпозиция задачи сетевого взаимодействия
Модель OSI
Стандартизация сетей
Информационные и транспортные услуги
Классификация компьютерных сетей

Лекция 4. Стандартизация и классификация сетей

Декомпозиция задачи сетевого взаимодействия

Для решения сложных задач, к которым относится и задача сетевого взаимодействия, используется известный универсальный прием — декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей

2

Более эффективной концепцией, развивающей идею декомпозиции, является многоуровневый подход. После представления исходной задачи в виде множества модулей эти модули группируют и упорядочивают по уровням, образующим иерархию

3

Межуровневый интерфейс, называемый также интерфейсом услуг, определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему

4

Пример

Рассмотрим задачу считывания логической записи из файла, расположенного на локальном диске. Ее (очень упрощенно) можно представить в виде следующей иерархии частных задач.
Поиск в каталогах по символьному имени файла его характеристик, необходимых для доступа к данным: информации о физическом расположении файла на диске, размере.
Определение считываемой части файла.
Считывание данных с диска

5

Пример

Среди функций, которые может запросить прикладная программа, обращаясь к верхнему уровню файловой системы, может быть, например, такая:
ПРОЧИТАТЬ 22 ЛОГИЧЕСКУЮ ЗАПИСЬ ФАЙЛА DIR1/MY/FILE.TXT
Верхний уровень не может выполнить этот запрос «только своими силами»; определив по символьному имени DIR1/MY/FILE. TXT физический адрес файла, он обращается с запросом к нижележащему уровню:
ПРОЧИТАТЬ 22 ЛОГИЧЕСКУЮ ЗАПИСЬ ИЗ ФАЙЛА, ИМЕЮЩЕГО ФИЗИЧЕСКИЙ АДРЕС 174 И РАЗМЕР 235

В ответ на запрос второй уровень определяет, что файл с адресом 174 занимает на диске пять несмежных областей, а искомая запись находится в четвертой области в физическом блоке 345. После этого он обращается к драйверу с запросом о чтении требуемой логической записи

6

Задача организации взаимодействия компьютеров в сети тоже может быть представлена в виде иерархически организованного множества модулей. Например, модулям нижнего уровня можно поручить вопросы, связанные с надежной передачей информации между двумя соседними узлами, а модулям следующего, более высокого уровня — транспортировку сообщений в пределах всей сети.

7

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

8

В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации, в частности International Organization for Standartization, часто называемая International Standards Organization (ISO), а также International Telecommunications Union (ITU) и некоторые другие разработали стандартную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Эта модель сыграла значительную роль в развитии компьютерных сетей

Модель OSI

9

Модель OSI имеет дело со стеком протоколов для сетей с коммутацией пакетов. Модель OSI не содержит описаний реализаций конкретного набора протоколов. Она лишь определяет, во-первых, уровни взаимодействия, во-вторых, стандартные названия уровней, в-третьих, функции, которые должен выполнять каждый уровень

10

В стандартах ISO для обозначения единиц обмена данными, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольная единица данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения единиц обмена данными конкретных уровней часто используются специальные названия, в частности: сообщение, кадр, пакет, дейтаграмма, сегмент

11

12

Физический уровень модели OSI имеет дело с передачей потока битов по физическим каналам связи, таким как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или беспроводная линия связи

Канальный уровень, используя возможности, предоставляемые ему нижележащим, физическим, уровнем, предлагает вышележащему, сетевому, уровню следующие услуги:
установление логического соединения между взаимодействующими узлами;
согласование в рамках соединения скоростей передатчика и приемника информации;
обеспечение надежной передачи, обнаружение и коррекцию ошибок

13

Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей и называемой составной сетью, или интернетом

Технология, позволяющая соединять в единую сеть множество сетей, в общем случае построенных на основе разных технологий, называется технологией межсетевого взаимодействия

14

15

Заголовок пакета сетевого уровня наряду с другой служебной информацией несет данные об адресе назначения этого пакета. Чтобы протоколы сетевого уровня могли доставлять пакеты любому узлу составной сети, эти узлы должны иметь адреса, уникальные в пределах всей составной сети. Такие адреса называются сетевыми или глобальными

16

17

Транспортный уровень обеспечивает приложениям и верхним уровням стека — прикладному, представления и сеансовому — передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов транспортного сервиса от низшего класса 0 до высшего класса 4.

Сеансовый уровень управляет взаимодействием сторон: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, и предоставляет средства синхронизации сеанса. Эти средства позволяют в ходе длинных передач сохранять информацию о состоянии этих передач в виде контрольных точек, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала

18

Уровень представления, как явствует из его названия, обеспечивает представление передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания

В качестве функций прикладного уровня модель OSI определяет предоставление разнообразных услуг пользовательским приложениям — таких, как доступ к общим сетевым ресурсам (файлам, принтерам или веб-страницам) или распределенным сетевым сервисам (электронной почте, службам передачи сообщений, базам данных).

19

В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является модель взаимодействия открытых систем (OSI)

Стандартизация сетей

20

Под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами

21

Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества:
возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;
безболезненная замена отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами;
легкость сопряжения одной сети с другой

22

Стандарт — это «документ, в котором в целях добровольного многократного использования устанавливаются характеристики продукции, правила осуществления и характеристики процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ или оказания услуг. Стандарт также может содержать правила и методы исследований (испытаний) и измерений, правила отбора образцов, требования к терминологии, символике, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения»

23

В зависимости от статуса организаций различают следующие виды стандартов:
стандарты отдельных фирм, например, стек протоколов SNA компании IBM или графический интерфейс OPEN LOOK для Unix-систем компании Sun;
стандарты специальных комитетов и объединений — создаются несколькими компаниями, например, стандарты технологии ATM, разрабатываемые специально созданным объединением ATM Forum, которое насчитывает около 100 коллективных участников, или стандарты союза Fast Ethernet Alliance, касающиеся технологии 100 Мбит Ethernet;
национальные стандарты, например, стандарт FDDI, представляющий один из многочисленных стандартов института ANSI, или стандарты безопасности для операционных систем, разработанные центром NCSC Министерства обороны США;
международные стандарты, например, модель и стек коммуникационных протоколов Международной организации по стандартизации (ISO), многочисленные стандарты Международного союза электросвязи (ITU), в том числе стандарты на сети с коммутацией пакетов Х.25, сети Frame Relay, ISDN, модемы и многие другие

24

Существует несколько организационных подразделений, отвечающих за развитие и, в частности, за стандартизацию архитектуры и протоколов Интернета. Основным из них является научно-административное сообщество Интернета (Internet Society, ISOC), объединяющее около 100 000 человек, которое занимается социальными, политическими и техническими проблемами эволюции Интернета

25

Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизация коммуникационных протоколов. Наиболее известными стеками протоколов являются: OSI, TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, DECnet, SNA

26

Важно различать модель OSI и стек протоколов OSI. В то время как модель OSI является абстрактной концепцией, стек OSI, построенный на основе модели OSI, представляет собой набор спецификаций конкретных протоколов, а также многочисленные программные реализации этих протоколов.

27

Стек NetBIOS/SMB является совместной разработкой компаний IBM и Microsoft

28

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным протоколам IP и TCP, внес Университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров в Интернете, а также в огромном числе корпоративных сетей

29

30

Услуги компьютерной сети можно разделить на две категории:
транспортные услуги;
информационные услуги

Стандартизация сетей

Транспортные услуги состоят в передаче информации между пользователями сети в неизменном виде
Информационные услуги состоят в предоставлении пользователю некоторой новой информации

31

32

При горизонтальном делении все протоколы (как основные, так и вспомогательные) разделяют на три слоя (planes):
пользовательский слой (user plane) включает группу основных протоколов, то есть протоколов, которые переносят пользовательский трафик;
слой управления (control plane) составляют вспомогательные протоколы, необходимые для работы основных протоколов сети, например, протоколы маршрутизации, протоколы отображения имен на IP-адреса;
слой менеджмента (management plane) объединяет вспомогательные протоколы, поддерживающие операции менеджмента (управления сетью администратором), такие как протокол SNMP для сбора информации об ошибках, протоколы удаленного конфигурирования устройств

33

34

Классификация — это процесс группирования, то есть отнесения к тому или иному типу объектов изучения в соответствии с их общими признаками

Классификация компьютерных сетей

35

Компьютерные сети — составляющая классификации телекоммуникационных сетей, которые по виду передаваемого контента делятся на:
радиосети;
телефонные сети;
телевизионные сети;
компьютерные сети

36

В зависимости от территории покрытия компьютерные сети можно разделить на три группы:
локальные сети (Local Area Network, LAN);
глобальные сети (Wide Area Network, WAN);
городские сети, или сети мегаполиса (Metropolitan Area Network, MAN)

37

существенно меньшей длиной линий связи (метры вместо сотен километров), а значит, и меньшими искажениями сигналов, вносимых неидеальной передающей средой
меньшим уровнем внешних помех, так как в локальной сети оборудование и кабели обычно размещаются в специальных защищенных экранированных помещениях, а линии связи глобальной сети могут проходить в сильно электромагнитно «зашумленной» среде, например, в туннелях подземных коммуникаций, рядом с силовыми кабелями, вдоль линий электропередач
экономическими соображениями

38

В соответствии с технологическими признаками, обусловленными средой передачи, компьютерные сети подразделяют на два класса:
проводные сети — сети, каналы связи которых построены с использованием медных или оптических кабелей;
беспроводные сети — сети, в которых для связи используются беспроводные каналы связи, например, радио, СВЧ, инфракрасные или лазерные каналы

39

В зависимости от способа коммутации, сети подразделяются на два фундаментально различных класса:
сети с коммутацией пакетов;
сети с коммутацией каналов

40

В свою очередь, техника коммутации пакетов допускает несколько вариаций, отличающихся способом продвижения пакетов, в соответствии с чем сети делятся на:
дейтаграммные сети, например Ethernet;
сети, основанные на логических соединениях, например, IP-сети, использующие на транспортном уровне протокол TCP;
сети, основанные на виртуальных каналах, например MPLS-сети

41

В зависимости от того, какому типу пользователей предназначаются услуги сети, последние делятся на сети операторов связи, корпоративные и персональные сети.
Сети операторов связи предоставляют публичные услуги, то есть клиентом сети может стать любой индивидуальный пользователь или любая организация, которая заключила соответствующий коммерческий договор на предоставление той или иной телекоммуникационной услуги.
Корпоративные сети предоставляют услуги только сотрудникам предприятия, которое владеет этой сетью
Персональные сети находятся в личном использовании

42

В зависимости от функциональной роли, которую играют некоторые части сети, ее относят к сети доступа, магистральной сети или сети агрегирования трафика.
Сети доступа — это сети, предоставляющие доступ индивидуальным и корпоративным абонентам от их помещений (квартир, офисов) до первого помещения (пункта присутствия) оператора сети связи или оператора корпоративной сети. Другими словами, это сети, ответственные за расширение глобальной сети до помещений ее клиентов.
Магистральные сети — это сети, представляющие собой наиболее скоростную часть (ядро) глобальной сети, которая объединяет многочисленные сети доступа в единую сеть.
Сети агрегирования трафика — это сети, агрегирующие данные от многочисленных сетей доступа для компактной передачи их по небольшому числу каналов связи в магистраль.

43

Сети доступа, сети агрегирования трафика и магистральная сеть

44

Различают также первичные и наложенные телекоммуникационные сети:
Первичные сети занимают особое положение в мире телекоммуникационных сетей, их можно рассматривать как вспомогательные сети, позволяющие гибко создавать постоянные физические двухточечные каналы для других компьютерных и телефонных сетей.
Наложенные сети в этой классификации — это все остальные сети, которые предоставляют услуги конечным пользователям и строятся на основе каналов первичных сетей — «накладываются» поверх этих сетей

45

Если применить к Интернету признаки, описанные в классификации, можно сказать, что это:
сеть операторов связи, предоставляющая публичные услуги — как информационные, так и транспортные;
сеть с коммутацией пакетов;
сеть, состоящая из магистральных сетей, сетей агрегирования трафика и сетей доступа

46