1. Инфокоммуникации как сложные системы
Ранее были рассмотрены вопросы, относящиеся к методологии системного анализа. При этом значительная часть из них пересекалась с проблематикой теории систем и моделирования процессов и явлений. Теперь рассмотрим инфокоммуникационные технологии как сложную систему. Назовем основные свойства таких систем.
1. Инфокоммуникационные системы представляют собой совокупность телекоммуникационной сети, средств хранения и обработки информации, а также источников и потребителей информации.
2. Инфокоммуникационные системы состоят из двух основных подсистем: технической и пользовательской. Взаимодействие этих различных по своей физической сущности подсистем определяет структуру и функции инфокоммуникационной системы.
3. Инфокоммуникационные системы являются «большими» системами, содержащими огромное количество компонентов, многие из которых — сами большие системы либо многофункциональные устройства. Компоненты инфокоммуникационной системы имеют различное устройство и выполняют различные функции.
4. Инфокоммуникационные системы многосвязные: их различные компоненты соединены между собой и имеют как прямые, так и обратные связи. Структура и топология инфокоммуникационных систем переменны, управляемы, зависят от пользователей.
5. Инфокоммуникационные системы являются крупномасштабными системами, охватывающими крупные территории и интегрирующимися в мировую систему инфокоммуникаций. Инфокоммуникационные системы взаимно проникающие. Процессы в таких системах могут проходить с различными скоростями.
6. Инфокоммуникационные системы являются пространственно-распределенными и содержат как дискретные, так и непрерывные (пространственно-протяженные) компоненты. Элементы системы могут быть стационарными (статическими) или движущимися (динамическими).
Такая природа инфокоммуникационных систем порождает особую специфику происходящих в них процессов.
7. Инфокоммуникационные системы являются эргатическими. Эргатическия система — сложная система управления, составным элементом которой выступает человек-оператор (или группа операторов).
8. Инфокоммуникационные системы являются немарковскими с точки зрения протекающих в них процессов. Это означает, что поведение системы определяется не только текущим состоянием, но и предысторией, причем довольно длительной, а также скрытыми возможностями, включающимися спонтанно в определенных условиях.
9. Инфокоммуникационные системы нелинейны. Важно отметить следующие моменты:
Телеметрические системы в процессе бурения
... повышения нефтегазоотдачи разбуриваемого месторождения. Телеметрические системы в процессе бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин позволяют получать на поверхности в реальном масштабе времени текущие ... -передатчик поступают в канал связи. На поверхности закодированная различными способами информация расшифровывается в обратном порядке и поступает на системы отображения и обработки ...
- нелинейная зависимость между различными видами оборудования в системе — техническая нелинейность;
- нелинейная зависимость между нагрузкой, создаваемой абонентами системы, и пропускной способностью системы.
Абонентская нагрузка существенно ситуационна, пропускная способность определяется инженерными решениями.
10. Инфокоммуникационные системы синергетичны, т.е. самоорганизуемы и склонны к самостоятельному автономному поведению, обладают способностями к самосохранению и противодействию внешним воздействиям, устранению произошедших изменений внутренними средствами (в определенных пределах), а также функциональной инертностью.
11. Инфокоммуникационные системы находятся в непрерывном развитии.
12. Инфокоммуникационные системы наукоемки и базируются на перспективных технических разработках.
13. Инфокоммуникационные системы являются сложными системами высокого уровня, т.е. сверхсложными. Сверхсложными называются системы, состоящие из нескольких сложных систем. Сложность образуется в результате взаимодействия ряда указанных выше факторов: многокомпонентности; нелинейности; большого числа степеней свободы; наличия памяти.
2. Стратифицированный подход в инфокоммуникациях
Стратификация
В инфокоммуникациях использование механизма стратификации вылилось в создание сетевой модели OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем).
Именно эта модель позволяет разбить все многообразие используемых в инфокоммуникационных системах операций (протоколов) на 7 взаимодействующих друг с другом слоев, внутри которых возможен их отдельный анализ и рассмотрение.
Уровни (слои) модели OSI представлены в таблице.
Таблица — Уровни модели OSI
|
Модель OSI |
||||||
|
Тип данных |
Уровень |
Функции |
||||
|
Данные |
Прикладной |
Доступ к сетевым службам |
Подсистема пользователя |
7 |
||
|
Поток |
Представительский |
Представление и шифрование данных |
6 |
|||
|
Сеансы |
Сеансовый |
Управление сеансом связи |
5 |
|||
|
Транспортная сеть |
Сегменты/ Дейтаграммы |
Транспортный |
Прямая связь между конечными пунктами и надежность |
4 |
||
|
Пакеты |
Сетевой |
Определение маршрута и логическая адресация |
Подсистема сети |
3 |
||
|
Кадры |
Канальный |
Физическая адресация |
2 |
|||
|
Биты |
Физический |
Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными |
1 |
|||
В литературе наиболее часто принято начинать описание уровней модели OSI с 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем — физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:
- тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.),
- тип модуляции сигнала,
- сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).
Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже — вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей. Каждому уровню с некоторой долей условности соответствует свой операнд — логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица — бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом — в пакеты (дейтаграммы), на транспортном — в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объедин?нных для передачи — кадр, пакет, дейтаграмма — считается сообщением. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней. К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.
Содержание семиуровневой модели OSI
Остановимся на назначении каждого из уровней эталонной модели. Начнем с верхнего уровня, т.к. именно на нем начинается активизация процесса передачи информации. Этот уровень наиболее близок к пользователю.
Прикладной уровень
Протоколы прикладного уровня: RDP (Remote Desktop Protocol), HTTP (HyperText Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), SNMP (Simple Network Management Protocol), POP3 (Post Office Protocol Version 3), FTP (File Transfer Protocol), XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol), OSCAR (Open System for CommunicAtion in Realtime), SIP (Session Initiation Protocol) и другие.
Представительный уровень
Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально. Уровень представлений обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями разнородных компьютерных систем прозрачным для приложений образом.
Протоколы уровня представления: AFP — Apple Filing Protocol, ICA — Independent Computing Architecture, LPP — Lightweight Presentation Protocol, NCP — NetWare Core Protocol, NDR — Network Data Representation, XDR — eXternal Data Representation, X.25 PAD — Packet Assembler/Disassembler Protocol. инфокоммуникационный стратифицированный сетевой эталонный
Сеансовый уровень
Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений.
Протоколы сеансового уровня: ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol), ASP (AppleTalk Session Protocol), H.245 (Call Control Protocol for Multimedia Communication), ISO-SP (OSI Session Layer Protocol (X.225, ISO 8327)), iSNS (Internet Storage Name Service), L2F (Layer 2 Forwarding Protocol), L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol), NetBIOS (Network Basic Input Output System), PAP (Password Authentication Protocol), PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol), RPC (Remote Procedure Call Protocol), RTCP (Real-time Transport Control Protocol), SMPP (Short Message Peer-to-Peer), SCP (Session Control Protocol), ZIP (Zone Information Protocol), SDP (Sockets Direct Protocol).
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня: ATP (AppleTalk Transaction Protocol), CUDP (Cyclic UDP), DCCP (Datagram Congestion Control Protocol), FCP (Fiber Channel Protocol), IL (IL Protocol), NBF (NetBIOS Frames protocol), NCP (NetWare Core Protocol), RTP (Real-time Transport Protocol), SCTP (Stream Control Transmission Protocol), SPX (Sequenced Packet Exchange), SST (Structured Stream Transport), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).
подсистемой пользователя
подсистемой сети
Сетевой уровень
Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства (маршрутизаторы) условно называют устройствами третьего уровня (по номеру уровня в модели OSI).
Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2), CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security).
Протоколы маршрутизации — RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First).
Канальный уровень
Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE802 разделяет этот уровень на два подуровня: MAC (англ. media access control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC(англ. logical link control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, шлюзы и другие устройства. Эти устройства используют адресацию второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).
Протоколы канального уровня — ARCnet, ATM, Controller Area Network (CAN), Econet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC), IEEE 802.2 (provides LLC functions to IEEE 802 MAC layers), Link Access Procedures, D channel (LAPD),IEEE 802.11 wireless LAN, LocalTalk, Multiprotocol Label Switching (MPLS), Point-to-Point Protocol (PPP), Point-to-Point Protocol over Ethernet (PPPoE), Serial Line Internet Protocol (SLIP, устарел), StarLan, Token ring, Unidirectional Link Detection (UDLD), x.25. В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы. В операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой. Это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS, UDI.
Физический уровень
В модели OSI одинаковые уровни различных систем сообщаются между собой посредством протоколов. Однако эти одинаковые уровни различных систем не связываются между собой непосредственно, а только через физический уровень, что обеспечивает полную совместимость любых систем различного типа. Введение модели OSI создало методологическую основу построения унифицированных телекоммуникационных сетей. Несмотря на то, что были разработаны и другие модели, именно модель OSI стала базой для объединения всего многообразия выпускаемых программно-аппаратных средств. В таблице 4.2 показано, как применяется эталонная модель для телефонной сети и сети Интернет.
Табл.
|
Модель эталонной сети OSI для сети Интернет и телефонной сети |
|||
|
Уровень |
Сеть интернет |
Телефонная сеть |
|
|
7 |
Определяет наличие партнеров и необходимые ресурсы, синхронизирует работу прикладных программ, устанавливает соглашения по процедурам устранения ошибок и управляет целостностью перемещения данных |
Проявляется в свойствах линии связи, без учета ее внутренней схемы построения. К таковым свойствам относятся: диапазон рабочих частот (0,3 — 3,4 кГц), уровень шумов, АЧХ |
|
|
6 |
Отвечает за представление данных, посылаемых из прикладного уровня одной системы в адрес другой, для чего согласует формат и синтаксис перемещаемых данных. В случае необходимости могут выполняться алгоритмы шифрования для защиты перемещаемых данных |
Проявляет себя при необходимости согласования совместной работы методов дискретизации или когда требуется согласовать алгоритмы сжатия речевой информации |
|
|
5 |
Устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между двумя или более прикладными задачами, а также синхронизирует и управляет перемещением информации между ними. Устанавливает класс услуг и уведомляет об исключительных ситуациях, обеспечивает соответствие символьного представления адреса с двоичным представлением в соответствии с протоколами DNS и др. |
Управляет вызовом и сигнализацией при наборе и передаче номера на АТС. Осуществляет контроль исполнения системы расчетов с абонентами. В сетях подвижной связи обеспечивает слежение за изменением местоположения абонента и переадресацией вызова. В интеллектуальных сетях выполняет набор дополнительных функций обработки вызовов и сеансов |
|
|
4 |
Обеспечивает перенос информации по надежным или ненадежным соединениям, реализует качество обслуживания трафика, запрашиваемое сеансовым уровнем, с целью предотвращения переполнения одной системы данными из другой системы |
Реализует методы мультиплексирования речевого трафика, а также дополнительные методы мультиплексирования для объединения речевого трафика с другими видами трафика |
|
|
3 |
Обеспечивает установление требуемого типа соединения между двумя конечными системами путем выбора маршрута через множество подсетей. Протоколы маршрутизации осуществляют синхронизацию маршрутных таблиц, по которым алгоритмы маршрутизации вычисляют маршруты |
Устанавливает соединения между вызывающим и вызываемым абонентами посредством системы сигнализации. (Например, организует тракт передачи через узлы коммутации всего множества подсетей) |
|
|
2 |
Обеспечивает транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, решаются вопросы физической адресации, топологии сети, линейной дисциплины (способ использования канала передачи), упорядоченной доставки блоков данных, уведомление о неисправностях и управление потоком данных |
||
|
1 |
Определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи сообщений, максимальные расстояния передачи, физические соединители и другие аналогичные характеристики |
||
Соответствие уровней модели OSI стеку протоколов TCP/IP
Сегодня сети с коммутацией пакетов преимущественно базируются на стеке протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol).
Модель сети, построенной на протоколах TCP/IP, является четырехуровневой. Однако ее можно представить в виде эталонной семиуровневой модели OSI, которая появилась позднее, и по сути является развитием четырехуровневой системы.
Рис. Модель системы TCP/IP
Как видно из рис.4.1, три высших уровня эталонной модели OSI (прикладной, представительный и сеансовый) соответствуют прикладному уровню модели сети, построенной на протоколах TCP/IP. Два низших уровня (канальный и физический) эталонной модели OSI в модели сети с пакетной коммутацией объединены в уровень сетевых интерфейсов. Рассмотрим их более подробно.
Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке.
Рисунок — Стек протоколов TCP/IP
Наиболее низкий уровень (уровень IV) отвечает физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня. Для локальных сетей — это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей — протоколы соединений «точка-точка» SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, Frame Relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро подключается к стеку TCP/IP за счет разработки соответствующей спецификации, что определяет метод инкапсуляции пакетов IP в ее тело.
Следующий уровень (уровень ІІІ) — это уровень межсетевого взаимодействия, занимающийся передачей пакетов с использованием разных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т.п. В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол ІР, который с самого начала проектировался, как протокол передачи пакетов для составных сетей, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно тратя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть, он обеспечивает негарантированную доставку пакетов в узел назначения. К уровню межсетового взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие, как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Pouting internet Protocol) и OSPF (Open Shortest First) , а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol).
Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом — источником пакета.
Следующий уровень (уровень ІІ) называется транспортным. На этом уровне функционирует протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol).
Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между отдаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, и , как и IP, выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.
И наконец, уровень І соответствует уровням 6 и 7 модели OSI.
Как видим, существует два варианта стратификации:
- четырехслойный (модель TCP/IP),
- семиуровневый (модель OSI).
Второй вариант является более приемлемым для анализа, поскольку содержание слоев (уровней) оказывается более простым.
