Просмотрев оглавление этой книги, вы можете увидеть, что последовательность изложения материала соответствует направлению от прикладного уровня к физическому. Таким образом, мы реализуем заявленный нами ранее подход «сверху вниз».

Канальный уровень использует специальный протокол, ориентированный на используемую линию связи. Иногда протоколы канального уровни обеспечивают надежную передачу между узлами. Обратите внимание на различие надежной передачи на транспортном и канальном уровнях: протокол TCP обеспечивает надежность на всем пути следования сообщения, а протокол канального уровня — лишь между парой узлов. К протоколам канального уровня относятся Ethernet и РРР; иногда аналогичные функции несут технологии асинхронной передачи данных (ATM) и ретрансляции кадров. Поскольку путь от отправителя до адресата обычно состоит из цепочки разнородных линий связи, передача дейтаграммы может осуществляться различными канальными протоколами.

Протокол транспортного уровня (TCP или UDP) передает сегмент и адрес назначения протоколу IP сетевого уровня подобно тому, как вы опускаете письмо в почтовый ящик, а протокол IP сетевого уровня доставляет сегмент конечному хосту и передает его обратно транспортному уровню.

Поддержка протоколов может быть аппаратной, программной или смешанной. Протоколы прикладного уровня, такие как HTTP и SMTP, а также протоколы транспортного уровня практически всегда поддерживаются программно. Напротив, протоколы физического и канального уровней, тесно связанные со средой передачи данных, поддерживаются аппаратно сетевой интерфейсной картой. Сетевой уровень, находящийся в центре коммуникационной модели, может поддерживаться как аппаратно, так и программно. Далее даны характеристики каждого из пяти уровней коммуникационной модели Интернета.

□ Контроль ошибок обеспечивает повышение надежности логического канала между смежными уровнями сетевой модели.
□ Контроль потока позволяет избегать переполнения единицами обмена более медленного хоста.
□ Разбиение и сборка пакетов предназначены для изменения размеров единиц обмена на разных уровнях.
□ Мультиплексирование позволяет нескольким подключениям совместно использовать одно подключение более низкого уровня.
□ Установка соединения есть выполнение процедуры рукопожатия между участниками обмена.

Снабжение каждого уровня коммуникационной модели собственным протоколом наряду с достоинствами имеет и несколько недостатков. Первый связан с нередко встречающейся ситуацией дублирования одних и тех же функций различными уровнями (например, контроль ошибок). Другой потенциальный недостаток заключается в том, что функциям одного уровня может понадобиться информация, хранящаяся на другом уровне (например, время). Это нарушает принцип изолированности уровней многоуровневой структуры.

Сначала сообщение М передается с четвертого уровня на третий, где происходит расщепление исходного сообщения на две единицы обмена уровня 3, М1 и М2. При этом к сообщениям присоединяются так называемые заголовки третьего уровня Н3, содержащие дополнительную информацию; необходимую для обслуживания сообщения М. Аналогичным образом полученные единицы обмена «спускаются» вниз по стеку протоколов с присоединением новых заголовков на каждом уровне. Единицы обмена уровня 1 передаются по линии связи хосту В, где снова поступают в стек протоколов. Далее происходит передача полученных единиц обмена «вверх» с отсоединением заголовков, и затем единицы обмена М1 и М2 объединяются в исходное сообщение М, которое принимается приложением.

Приведенный пример наглядно демонстрирует концепцию службы в коммуникационной модели: каждый уровень выполняет собственные обслуживающие функции, используя результаты обслуживания более высоких уровней.

Интересно заметить, что описанным выше образом обслуживание производится не только в компьютерных сетях. Рассмотрим, например, работу почтовых служб. Когда вы намереваетесь отправить письмо, на конверте вы указываете служебную информацию, включающую адреса получателя и отправителя. В данном случае вы являетесь наивысшим уровнем почтовой модели. Опуская письмо в почтовый ящик, вы посылаете его на более низкий уровень — уровень почтового отделения. Там на конверте будет поставлен штамп отделения и, возможно, добавлена какая-либо иная информация. Эти действия аналогичны присоединению заголовка уровня.

Опуская конверт в почтовый ящик, вы задействуете обслуживающие функции (услуги) почтовой службы, которая обязана обеспечить доставку письма адресату за определенное время. Вас не интересуют технические аспекты процесса доставки, которые целиком находятся в компетенции почтовой службы. Кроме того, почтовая служба сама является многоуровневой по структуре, и каждый уровень использует обслуживающие функции уровней, «младших» по иерархии.

Для успешного взаимодействия соседних уровней необходимо четкое определение интерфейса между ними. Обычно такое взаимодействие описывается документированными стандартами, рекомендуемыми к применению разработчиками аппаратного и программного сетевого обеспечения. Это несколько ограничивает «свободу творчества» разработчиков, однако позволяет защитить структуру коммуникационной модели.

Один из способов описать организацию — это перечислить те действия, которые вы (или сотрудники организации) совершаете при ее использовании. К примеру, вы заказываете билет, проходите багажный контроль, регистрируетесь и попадаете на борт самолета. Затем вы совершаете перелет, достигаете пункта назначения, снова регистрируетесь, получаете багаж и, если рейс был некомфортным, подаете жалобу в отдел продажи билетов. Последовательность ваших действий графически иллюстрирует рис. 1.20.

Здесь мы без труда можем увидеть аналогию с принципами функционирования компьютерных сетей. Вы путешествуете на самолете от пункта отправления до пункта назначения, а пакет передается от хоста-отправителя к хосту-адресату. Однако более глубокая аналогия заключена в структурах действий. Взглянем на рис. 1.20 чуть внимательнее. Как легко видеть, оба ваших конечных действия обращены к отделу продажи билетов, второе и предпоследнее действия связаны с багажом и т. д. Структура действий является симметричной, где «осью симметрии» служит перелет. Таким образом, процесс путешествия на самолете можно представить в виде совокупности горизонтальных уровней, как показано на рис. 1.21.

Приведенная горизонтальная структура является главным предметом нашего дальнейшего рассмотрения. Нам удалось определить место каждого компонента путешествия относительно других компонентов. Например, говоря о регистрации пассажиров, мы знаем, что эта процедура происходит после проверки багажа перед посадкой на борт самолета. Заметим, что каждый выделенный уровень обладает собственной функциональностью, то есть службами, предоставляющими услуги пассажирам. Ниже билетного уровня пассажир проходит через все этапы обслуживания от получения билета до приема жалобы, ниже багажного уровня — все этапы от проверки и сдачи багажа до его получения, и т. д. При этом на багажном уровне обслуживаются лишь те пассажиры, которые прошли обслуживание на билетном уровне. То же самое справедливо и в отношении остальных уровней. Таким образом, обслуживание на каждом из уровней производится путем выполнения функций, относящихся к этому уровню, с использованием результатов обслуживания на всех предыдущих уровнях.

Итак, многоуровневая структура позволяет детально оценивать элементы большой и сложной системы, что уже является ее значительным достоинством. Кроме того, с использованием многоуровневой структуры легче модифицировать функции системы — для этого лишь нужно внести изменения в соответствующий уровень, при этом структурно-функциональная организация системы останется прежней. Так, например, усовершенствование системы регистрации будет сведено к внутренним изменениям регистрационного уровня, что никак не отразится на его функциях и не изменит структуру в целом.

Теперь давайте вернемся к компьютерным сетям и рассмотрим организацию сетевых протоколов. Как некоторые, возможно, уже догадались, протоколы, а следовательно, и все сетевое программное и аппаратное обеспечение организованы в виде уровней.

Каждый протокол относится к определенному уровню сетевой коммуникационной модели. Обратите внимание на то, что протоколы распределены между сетевыми компонентами, включающими оконечные системы и маршрутизаторы, подобно тому как функции обслуживания пассажиров распределены между аэропортами. Таким образом, каждое сетевое устройство взаимодействует с несколькими уровнями сети.

Взаимодействие между компонентами на уровне п осуществляется с помощью специальных сообщений уровня п, которые называются единицами обмена (Protocol Data Unit, PDU) данного уровня. Содержание и формат подобных сообщений, а также правила их передачи определяются протоколом уровня п. Совокупность протоколов всех уровней коммуникационной модели называется стеком протоколов.

Когда уровень п хоста А посылает сообщение уровню п хоста В, внутри хоста А происходит передача сообщения уровню n – 1, который осуществляет обмен с уровнем n – 1 хоста В. Таким образом, обмен внутри сетевого уровня п всегда обеспечивается уровнем n – 1. Ключевым понятием для нас будет являться модель обслуживания уровня. Говорят, что уровень n – 1 предоставляет услуги уровню n. Например, в перечень услуг могут входить гарантированная доставка сообщений уровню п в течение одной секунды, безошибочная доставка сообщения и т. п.