Взаимодействие двух систем, понятие протоколаи стека протоколов

Многоуровневое представление сетевых средств имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе взаимодействия участвуют два компьютера. Для их согласованной работы требуется наличие одних и тех же компонентов в обоих взаимодействующих компьютерах. Компоненты каждого уровня одного компьютера обмениваются служебной информацией с компонентами другого компьютера, лежащими на таком же уровне. Это объясняется тем, что для успешного взаимодействия обоим участникам обмена приходится принять множество соглашений. Они должны согласовать методы кодирования информации, длину сообщений, принятые схемы адресации, методы обнаружения ошибок передачи и т.д. Правила обмена информацией компонентов взаимодействующих систем, лежащих на одном уровне, называются протоколом. Набор протоколов всех уровней называется стеком протоколов.

Уровень 4

Уровень 3

Уровень 2

Уровень 1

Компьютер 1

Уровень 4

Уровень 3

Уровень 2

Уровень 1

Компьютер 2

Протокол 4

Протокол 3

Протокол 2

Протокол 1

Средапередачи

Физическое взаимодействие

Взаимодействие двух компьютеров

Целью функционирования стека протоколов является обеспечение передачи сообщений между процессами. В качестве процесса рассматривается любая прикладная программа - например, браузер, текстовый редактор, программа для работы с электронной почтой и др. Сообщением может являться запрос, файл, набор записей базы данных или любой другой блок информации, в зависимости от того, какие функции выполняет процесс. Наряду с термином сообщение (message) для обозначения единиц передаваемых данных могут использоваться и другие термины. На разных уровнях сообщения могут именоваться: пакет (packet), кадр (frame), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).

Все уровни каждой из взаимодействующих систем участвуют в процессе передачи сообщения. При этом сообщение передается от одного уровня другому на передающем компьютере вниз, а на принимающем – вверх. Каждый уровень передающего компьютера добавляет к полученному сообщению заголовок стандартного формата, определяемого соответствующим протоколом, и передает сообщение на нижележащий уровень. Заголовок содержит служебную информацию, необходимую для обработки сообщения соответствующим уровнем на принимающем компьютере. На принимающем компьютере сообщение обрабатывается в обратном порядке. Каждый уровень, прочитав «свой» заголовок, удаляет его, и передает сообщение вышележащему уровню. Так происходит пока сообщение не достигнет процесса-адресата. Таким образом, количество заголовков, которые дописываются к сообщению, всегда равно количеству уровней, которые используются в системе.

Передача сообщений между компьютерами

Когда компонент какого-либо уровня получает сообщение от вышележащего уровня, то ему недоступна информация, содержащаяся в заголовках всех вышележащих уровней. Компонент не в состоянии различить заголовки тех протоколов, которые он не поддерживает, поэтому он рассматривает все сообщение, как непрерывный блок данных, помещая его в поле данных своего протокола. Таким образом, сообщения разных уровней являются вложенными друг в друга, как вкладываются друг в друга куклы-матрешки. Процесс помещения сообщения одного уровня в поле данных сообщения нижележащего уровня называется инкапсуляцией.

Уровень n

Уровень n+1

n

Поледанных

Заголовок n

n

Поледанных

Заголовок n+1

n+1

Инкапсуляция сообщений

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств – в виде сетевого адаптера и его драйвера. Протоколы верхних уровней – как правило, чисто программными средствами, в виде компонентов ОС.

Следует заметить, что физически взаимодействуют только нижние уровни систем, так как именно эти уровни выполняют работу по формированию и приему электрических сигналов, которые распространяются в среде передачи. Взаимодействие всех остальных уровней заключается в формировании и чтении соответствующих заголовков. Таким образом, формат заголовка в некоторой степени является синонимом слова протокол, так как определяет вид информации, которой обмениваются соответствующие уровни компьютеров.

Для иллюстрации понятий интерфейса и протокола можно привести пример, не имеющий отношения к вычислительным сетям. Рассмотрим процесс взаимодействия двух предприятий, одно из которых поставляет некоторую продукцию другому. В соответствии с договоренностью начальник отдела сбыта первого предприятия ежемесячно посылает начальнику отдела закупок второго предприятия официальное сообщение о количестве и типе продукции, которая может быть поставлена в этом месяце. В ответ на это сообщение начальник отдела закупок второго предприятия посылает заявку установленного образца. Такой порядок взаимодействия можно считать «протоколом уровня начальников». Начальники посылают сообщения через своих секретарей. Порядок взаимодействия начальника и секретаря соответствует понятию межуровневого интерфейса «начальник-секретарь». На каждом предприятии может быть по-разному организовано взаимодействие начальника и секретаря. Например, при помощи телефона или при личной встрече. После того, как сообщение передано секретарю, оно попадает на уровень компетенции секретарей. Секретари сами решают, каким образом они будут обмениваться сообщениями – по факсу, электронной почте или каким-либо иным образом. Этот способ обмена является протоколом «секретарь-секретарь». Секретарей не интересует напрямую содержание сообщения, равно как и начальников не интересует способ передачи, который используют секретари.

Пример многоуровневого взаимодействия предприятий

Модель OSI

В начале 1980-х годов несколько международных организаций по стандартизации, таких как ISO (InternationalStandardsOrganization), ITU (InternationalTelecommunicationsUnits) и др., разработали модель, которая сыграла большую роль в развитии компьютерных сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (OpenSystemInterconnection, OSI). Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

МодельOpen System Interconnection (ISO/OSI)