Каждая пара смежных уровней связана интерфейсом. Он определяет, какие базовые операции и службы предоставляет низший уровень высшему. После того как архитекторы сети задали количество и функции уровней сети, одна из важнейших задач — создание понятных интерфейсов между ними. Для этого необходимо, чтобы каждый уровень выполнял конкретный набор четко определенных функций. Помимо минимизации объемов передаваемой между уровнями информации, четко заданные интерфейсы упрощают перевод уровня на совершенно другой протокол или реализацию. Например, можно представить себе замену всех телефонных линий спутниковыми каналами, поскольку единственное, что требуется от нового протокола (или реализации), — предоставление «соседу» сверху прежнего набора служб. Хосты нередко используют разные реализации одного протокола (зачастую написанные различными компаниями). На самом деле протокол на каком-либо уровне может поменяться совершенно незаметно для уровней над и под ним.
Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. Спецификация архитектуры должна включать достаточное количество информации. Тогда тот, кто будет заниматься внедрением, сможет написать программу или создать аппаратное обеспечение для каждого уровня, должным образом следующие соответствующему протоколу. Впрочем, ни нюансы реализации, ни спецификация интерфейсов не являются составными частями архитектуры, поскольку они скрыты внутри устройств и не видны извне. Интерфейсы на всех компьютерах сети даже могут быть разными, главное, чтобы каждый компьютер мог правильно использовать все протоколы. Список используемых конкретной системой протоколов, по одному на уровень, называется стеком протоколов (protocol stack). Архитектуры сетей, стеки протоколов и сами протоколы являются основными темами данной книги.
Можно пояснить идею многоуровневой связи с помощью аналогии. Представьте себе двух философов (одноранговые процессы на уровне 3), один из которых разговаривает на урду и русском, а второй — на китайском и французском. Поскольку общего языка у них нет, они оба нанимают переводчиков (процесс на уровне 2), каждый из которых, в свою очередь, связывается с секретарем (процесс на уровне 1). Философ 1 хочет донести до коллеги свою любовь к oryctolagus cuniculus9. Для этого он передает своему переводчику сообщение (на русском языке) через интерфейс уровней 2/3: «Мне нравятся кролики» (илл. 1.26). Переводчики договорились насчет известного им обоим нейтрального языка, голландского, так что сообщение преобразуется в «Ik vind konijnen leuk». Выбор языка — протокол уровня 2, определяемый процессами уровня 2.
Далее переводчик отдает сообщение секретарю для дальнейшей передачи, например, по факсу (протокол уровня 1). Когда сообщение доходит до второго секретаря, он передает его второму переводчику, который переводит это сообщение на французский и передает через интерфейс 2/3 второму философу. Обратите внимание, что все протоколы совершенно не зависят от остальных, главное, чтобы интерфейсы не менялись. Переводчики могут в любой момент сменить голландский на, скажем, финский, если они оба согласны на это и ни один из них не меняет свои интерфейсы с уровнями 1 и 3. Аналогично секретари могут начать использовать вместо факса телефон, не затрагивая (и даже не оповещая) другие уровни. Любой процесс может добавлять какую-либо информацию, предназначенную только для одноуровневого с ним процесса. Эта информация не передается более высоким уровням.
Теперь рассмотрим более технический пример: как обеспечить связь для верхнего уровня пятиуровневой сети на илл. 1.27? Один из прикладных процессов, работающий на уровне 5, генерирует сообщение M и отдает его на уровень 4 для передачи. На уровне 4 перед сообщением вставляется заголовок (header) для его идентификации, а затем результат передается на уровень 3. Заголовок включает
Илл. 1.26. Архитектура «философ — переводчик — секретарь»
управляющую информацию (например, адрес), чтобы уровень 4 на целевом устройстве смог доставить сообщение. Среди других примеров управляющей информации, используемой в некоторых уровнях, — последовательные числа (на случай, если низший уровень не сохраняет порядок сообщений), размер и метки времени.
Во многих сетях размер сообщения, передаваемого по протоколу уровня 4, не ограничивается, но протокол уровня 3 налагает ограничения практически всегда. Вследствие этого уровню 3 приходится разбивать входящие сообщения на меньшие куски (пакеты), добавляя перед каждым из них заголовок уровня 3. В нашем примере сообщение M разбивается на две части, M1 и M2, пересылаемые отдельно.
Уровень 3 выбирает используемую исходящую линию связи и передает пакеты уровню 2. Уровень 2 добавляет в каждую часть сообщения не только заголовок, но и концевую метку, после чего передает полученный результат уровню 1 для физической передачи. На принимающем устройстве сообщение движется снизу вверх, с уровня на уровень, с удалением заголовков по мере продвижения. На уровень n не попадает ни один заголовок расположенных ниже n уровней.
Илл. 1.27. Пример потока данных при гипотетическом обмене информацией между уровнями 5
Глядя на илл. 1.27, важно понимать взаимосвязь между виртуальным и фактическим обменом данными, а также разницу между протоколами и интерфейсами. Например, одноранговые процессы на уровне 4 концептуально «считают», что обмениваются информацией «горизонтально», по протоколу уровня 4. В каждом из них, вероятно, есть процедуры с названиями наподобие SendToOtherSide (ОтправитьНаДругуюСторону) и GetFromOherSide (ПолучитьОтДругойСтороны), хотя на самом деле эти процедуры взаимодействуют с низшими уровнями через интерфейс 3/4, а не с другой стороной.
Абстракция однорангового процесса играет ключевую роль во всей сетевой архитектуре. С ее помощью неподъемную в целом задачу проектирования сети можно разбить на несколько меньших посильных задач проектирования отдельных уровней. Поэтому во всех реальных сетях применяется разделение на уровни или слои.
Стоит отметить, что низшие уровни иерархии протоколов часто реализуются в аппаратном обеспечении или его прошивках. Однако при этом используются сложные алгоритмы протоколов, пусть даже вшитые (полностью или частично) в аппаратное обеспечение.
1.5.3. Соединения и надежность
Нижележащие уровни предоставляют расположенным выше уровням два типа служб: с соединениями и без. Степень надежности также может отличаться.
Службы, ориентированные на установление соединения
Службы, ориентированные на установление соединения (connection-oriented service), строятся по принципу телефонных систем. Чтобы с кем-то пообщаться, необходимо поднять трубку телефона, набрать номер, поговорить, а затем повесить трубку. Аналогично работает и служба: сначала она устанавливает соединение, затем использует и, наконец, освобождает его. Соединение ведет себя подобно трубе: отправитель вставляет объекты (биты) с одного ее конца, а получатель вытаскивает их с другого. В большинстве случаев очередность сохраняется, так что биты приходят в том порядке, в каком были отправлены.
В некоторых случаях при установке соединения отправитель, получатель и подсеть проводят согласование (negotiation) используемых параметров, например максимального размера сообщения, требуемого QoS и других вопросов. Обычно при этом одна сторона выдвигает предложение, а вторая может его принять, отвергнуть или внести встречное предложение. Соединение вместе с соответствующими ему ресурсами также называется каналом или линией (circuit). Это название пошло от телефонных сетей, где линией (каналом) связи назывался путь по медным проводам, по которым передавался телефонный разговор.
Службы без установления соединений
В противоположность службам, ориентированным на установление соединения, службы без установления соединений (connectionless) строятся по принципу работы обычной почты. Каждое сообщение (письмо) содержит полный адрес назначения и проходит через промежуточные узлы внутри системы независимо от всех последующих сообщений. В различных контекстах такие сообщения называются по-разному; сообщение на сетевом уровне называется пакетом. Вариант, при котором промежуточные узлы получают сообщение полностью, прежде чем отправлять его следующему узлу, называется коммутацией с промежуточным хранением данных (store-and-forward switching). Альтернативный вариант, при котором узел начинает передачу сообщения далее вплоть до полного его получения, называется сквозной коммутацией (cut-through switching). Когда два сообщения отправляются в один пункт назначения, то обычно первое отправленное первым и прибывает. Впрочем, оно может задержаться в пути, тогда первым прибудет второе.