Стеки протоколов

Если признаки четырех верхних уровней модели OSI — прикладного, презентационного, сеансового и транспортного, — кратко описанных в предыдущей статье, можно обнаружить в каждом оконечном устройстве, то три нижних уровня — сетевой, канальный и физический — присутствуют во всех промежуточных (транзитных) точках соединения между оконечными устройствами.

Поэтому уровни модели OSI могут быть разделены на две функционально различающиеся группы: верхних и нижних уровней. Первые — называемые также «сквозные» (end-end) — отвечают за работу приложений и выполняются только в виде программных продуктов, а вторые — «связные» (chained) — обеспечивают транспорт информации. Причем физический и канальный уровни содержат как программные, так и аппаратные компоненты.

Общая особенность трех нижних уровней состоит в том, что они способны поддерживать любой тип информации (включая служебную), формируемый четырьмя верхними уровнями. Иначе говоря, нижние уровни совершенно индифферентны к передаваемым ими данным и занимаются исключительно тем, чтобы доставить их из одной точки в другую.

Сетевой уровень (Network Layer) маршрутизирует блоки данных (пакеты или сообщения) через сложные составные сети. Для анализа сетевого уровня даже есть специальные приборы – сетевые анализаторы. Для решения этой главной задачи в протоколе сетевого уровня должны быть определены структура адресов сетевого уровня, формат блоков данных, вид услуг (с предварительным установлением соединения или без него), которые он предоставляет вышележащему транспортному уровню. Протокол должен иметь встроенные механизмы запроса и обеспечения требуемого качества предоставляемых услуг, а также функции управления загруженностью канала связи.

От степени сложности сетевого уровня зависит простота реализации транспортного уровня. Если протокол сетевого уровня предусматривает предварительное установление соединения, то нет необходимости встраивать в транспортный уровень механизмы для упорядочивания блоков данных и контроля ошибок, а значит, он оказывается более простым.

Вместе с тем, сетевые протоколы с предварительным установлением соединения, в отличие от протоколов без установления соединения, должны включать описание процедур установления, обслуживания и завершения соединения. Однако эта сложность окупается за счет того, что предварительное установление соединения предоставляет более широкие возможности контроля за его качеством.

Тип применяемого сетевого протокола зависит от типа сетевого трафика. Сетевой трафик можно разделить на два вида: один чувствителен к ошибкам и толерантен к задержке, а второй чувствителен к задержке и толерантен к ошибкам. К трафику первого типа принад-лежит практически весь трафик данных, а ко второму — весь речевой и видеотрафик.

В сетях с предварительным установлением соединения сетевые узлы перенаправляют сообщения в соответствии с номером виртуального соединения. Причем сообщения — за исключением тех, которые посылаются при настройке логического соединения, — не содержат информации о конечном пункте соединения.

В сетях без установления соединения каждый пакет содержит необходимую информацию о пункте его назначения. Решение о том, куда направить этот пакет дальше, принимает маршрутизатор. Процесс маршрутизации состоит из двух операций — построения таблицы маршрутизации и перенаправления отдельных пакетов.

Наибольшей популярностью сегодня пользуется Internet Protocol (IP) — это типичный протокол без предварительного установления соединения.

В условиях конвергенции трафика, когда пакеты протокола IP должны нести в одном потоке речь и данные (технология VoIP), самым серьезным его недостатком является отсутствие приоритезации трафика. Поэтому основные усилия по развитию протокола IP направлены на введение в него соответствующего механизма и придание ему свойств типичного протокола с предварительным установлением соединения, что позволит успешно транспортировать оба основных типа сетевого трафика. В качестве средства адаптации протокола IP к современным требованиям предлагается использовать метод многопротокольной коммутации меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS).

Канальный уровень (Data Link Layer) должен обеспечить доставку данных без ошибок для сетевого уровня. Таким образом, его основная задача — выявление и устранение ошибок физического уровня. Информация на канальном уровне, в отличие от физического, передается в структурированном ви-де — кадрами. Способ исправления ошибок канальным уровнем зависит от типа физического канала. Прямое исправление основано на включении в кадр дополнительной информации. Этот метод обычно используется в каналах передачи с многочисленными ошибками (линии доступа абонентских сетей) или большой задержкой (спутниковые каналы). Некоторые современные протоколы канального уровня ошибки не исправляют, а только обнаруживают и отбрасывают поврежденные кадры. Ошибки устраняются посредством протоколов верхних уровней. Протоколы, использующие такой метод, рассчитаны на высококачественные физические каналы с малой вероятностью ошибок, к которым, в частности, относится волоконно-оптический кабель.

Канальный уровень должен предоставлять следующие услуги:

• управление доступом к каналу связи, которое определяет очередность передачи кадров станциями;
• синхронизацию кадров, устанавливающую начало и конец каждого кадра;
• разграничение данных, когда принимающая станция разделяет данные и управляющую информацию, которую канальный уровень добавляет к передаваемому кадру;
• выявление ошибок и восстановление данных. Наиболее распространенным методом поиска ошибок является код Cyclic Redundancy Check (CRC);
• управление потоком данных, поскольку принимающая станция должна иметь возможность, если она занята, остановить передачу. Естественно, что после освобождения ресурсов принимающая станция должна быть способна вновь подать сигнал о готовности к приему данных;
• адресацию для многоточечных связей более чем с двумя станциями для указания получателя и идентификации отправителя;
• установление и разъединение соединения.

Необходимо отметить, что с улучшением качества физического уровня потребность во всех функциях канального уровня уменьшается. В этой ситуации разумно ограничиться контролем несвоевременной доставки кадров только на конечных узлах. Задача восстановления потерянных кадров может быть возложена на вышележащие уровни (например, транспортный).

Пожалуй, наиболее распространенным протоколом канального уровня является протокол прямого, или двухточечного, соединения (Point-to-Point Protocol, PPP). Этот протокол взаимодействия равноправных (peer-to-peer) систем предполагает использование полнодуплексного физического канала — выделенного или коммутируемого. Интересно, что с учетом новых реалий физического уровня в нем предусмотрена только проверка ошибок в соответствии с процедурой CRC, но не заложена их коррекция. Протокол РРР просто отбрасывает ошибочные кадры и не занимается упорядочиванием кадров, полагаясь на физический уровень.

Физический уровень (Physical Layer) выполняет передачу бит данных. Главное его отличие от остальных уровней модели OSI заключается в том, что только он одновременно как необходим, так и достаточен для обмена данными между двумя точками.

Физический уровень характеризуется несколькими важнейшими особенностями.

1. Архитектура физического уровня предусматривает симплексную, полудуплексную и дуплексную схемы взаимодействия устройств. Кроме топологии «точка–точка» возможна топология «точка–много точек», частными случаями которой являются «звезда» и «шина». Весьма распространена и топология «кольцо», по сути — это замкнутая структура множества соединений «точка–точка». Кроме того, к архитектуре физического уровня следует отнести параллельную и последовательную схемы передачи. При параллельной схеме между взаимодействующими устройствами организуется множество идентичных каналов связи, один из которых резервируется для передачи синхронизирующей информации. Таким образом, общая пропускная способность соединения равна сумме пропускных способностей всех каналов связи, занятых передачей информационных сигналов. На практике дальность параллельной передачи ограничена разбросом времени задержки (skew) компонентных каналов связи.
2. В качестве среды передачи данных могут использоваться витая пара, коаксиальный кабель и волоконно-оптический кабель, радиоэфир, беспроводная оптическая передача в пределах прямой видимости и сеть переменного тока. Все они различаются пропускной способностью, помехозащищенностью, особенностями инсталляции, широтой использования.
3. Передача сигналов включает в том числе транспортировку аналоговых сигналов через цифровые системы (пример — системы ИКМ) или цифровых сигналов через аналоговые системы (модемы телефонных линий).
4. Синхронизация необходима при последовательной передаче. Сигнал данных обычно представляется в виде линейного кода без возврата к нулю (Non Return to Zero Level, NRZ-L), где двоичной единице соответст-вует импульс положительной полярности с плоской вершиной и амплитудой V Вольт, а двоичному нулю — импульс такой же формы с нулевой амплитудой. Код NRZ-L имеет два недостатка: присутствие в нем постоянной составляющей и его неспособность передавать сигнал синхронизации вместе с данными. Так, сигнал NRZ-L, представляющий собой последовательность единиц, не может быть передан реальной линией связи, которая содержит конденсаторы и трансформаторы. Синхронизация сигнала на приеме возможна только при раздельной передаче состояний (нулей и единиц) цифрового сигнала. Очевидно, что при длинной последовательности единиц такое разделение будет невозможно, и, следовательно, нужна отдельная передача синхросигнала. Задача решается путем преобразования для передачи по линии двоичного кода NRZ-L, например в квазитроичный код по типу AMI или HDB-3.
5. Мультиплексирование бывает двух видов — частотное FDM и временное TDM. Оба позволяют экономить пропускную способность физических линий, в отличие от инверсного мультиплексирования, которое, напротив, основано на использовании избыточных физических линий там, где такая возможность имеется.

В качестве примеров популярных интерфейсов физического уровня укажем два интерфейса — интерфейс DTE-DCE и интерфейс DSU-CSU.