Методологія системного аналізу об’єкту дослідження. Еталонна модель взаємодій відкритих систем

1.1.1. Мета вивчення системного аналізу і його основні завдання.
Системний аналіз виник тоді, коли почалася епоха розробки комп'ютерної техніки. Успіх його застосування при вирішенні складних завдань багато в чому зумовлюється сучасними можливостями інформаційних технологій. М.М. Моісеєв приводить, за його висловом, досить вузьке визначення системного аналізу: «Системний аналіз - це сукупність методів, заснованих на використанні ЕОМ і орієнтованих на дослідження складних систем - технічних, економічних, екологічних і т.д. Результатом системних досліджень є, як правило, вибір цілком певної альтернативи плану розвитку регіону, параметрів конструкції і т.п. Тому витоки системного аналізу, його методичні концепції лежать в тих дисциплінах, які займаються проблемами прийняття рішень: теорії операцій і загальної теорії управління».

У багатьох літературних джерелах, системний аналіз розглядається як синонім терміна „системний підхід”.

Системний підхід – комплексне вивчення досліджуваного об’єкта, який сприймається єдиним цілим з позицій системного аналізу.

Значимість системного підходу полягає в тому, що розгляд категорій системного аналізу створює основу для логічного і послідовного підходу до проблеми прийняття рішень. Ефективність вирішення проблем за допомогою системного аналізу визначається структурою розв'язуваних проблем.[1,2]

Центральне місце в дослідженні займають два протилежних підходи: аналіз і синтез.

Завдання аналізу – процес поділу цілого на частини. Він дуже корисний у тому випадку, коли необхідно з'ясувати, з яких частин (елементів, підсистем) складається система. За допомогою аналізу здобуваються знання. Однак при цьому не можна зрозуміти властивості системи в цілому.

Синтезу передбачає побудову цілого з частин. За допомогою синтезу досягається розуміння.

Мета системного аналізу досягається через уявлення цих складних об'єктів як цілеспрямованих систем (системний підхід) та дослідження їх властивостей і взаємовідношень між метою і засобами її досягнення. Системний аналіз вирішує завдання правильної (адекватної) постановки задачі, вибору доцільних методів дослідження. Системний аналіз ефективно застосовується в теоретичних і прикладних дослідженнях при виборі варіантів розвитку, інвестицій практично в усіх сферах діяльності від ядерних та молекулярних досліджень до глобальних (планетарних і космічних) проблем.

Системний аналіз можна розглядати як наукову дисципліну, що на основі системно організованих, структурно взаємозалежних і функціонально взаємодіючих евристичних процедур, методологічних засобів, математичного апарата, програмного забезпечення та обчислювальних можливостей комп'ютерних систем і мереж забезпечує в умовах концептуальної невизначеності отримання і накопичення інформації про досліджуваний предмет

Основні етапи системного аналізу:

- визначення цілей системи і встановлення їхньої ієрархії до початку процесу ухвалення рішення;

- структуризація: виділення об'єкта дослідження і середовища його існування;

- розробка математичних моделей, що відбивають зміст цілей;

- визначення обмежень і вимог, що накладаються на систему середовищем;

- розробка різних (альтернативних) способів досягнення цілей;

- оцінка варіантів вирішень, яка базується на всьому прийнятому комплексі критеріїв;

- вибір кращого варіанту.

В порівнянні з традиційним підходом, при якому проблема вирішується в строгій послідовності вищенаведених етапів, системний підхід залежить від рішення багатозв'язного процесу: етапи розглядаються спільно, у взаємозв'язку і діалектичній єдності. При цьому можливий перехід до будь-якого етапу, в тому числі і повернення до постановки мети дослідження.

Системний підхід спрямовує дослідника на розкриття цілісності аналізованого об'єкта й виявлення всіх його зв'язків. Методи та засоби дослідження, що використовуються при системному вивченні об'єктів, є досить універсальними й застосовуються до систем будь-якої природи.

Предмет системного аналізу в теоретичному плані – це процедури вироблення рішень, які є предметом вивчення й для багатьох інших наукових дисциплін. Те саме можна сказати і про його методи. Оскільки ціллю системного аналізу не є відкриття нових закономірностей і він спрямований переважно на розробку конкретних практичних рекомендацій, його більш логічно віднести до прикладних дисциплін, ніж до точних (чистих) наук. Звернемо увагу ще на одну відмінність системного аналізу від точних дисциплін. Останні широко користуються формалізованим (математичним) апаратом дослідження, у той час як системний аналіз базується головним чином на евристичних (тих, що використовують узагальнення минулого досвіду) та імітаційних моделях. Отже, системний аналіз має ніби подвійну природу, тому що певною мірою він пов’язаний з теоретичним і прикладним напрямами досліджень. З іншого боку, він претендує на таку ж роль, як і мистецтво, оскільки кваліфіковане здійснення системного аналізу, подібно до мистецтва, крім знань, потребує певного таланту й досвіду, які треба тренувати.

Головною ознакою системного підходу є наявність домінуючої ролі складного, а не простого, цілого, а не складових елементів. Якщо при традиційному підході до дослідження думка рухається від простого до складного, від частин - до цілого, від елементів - до системи, то в системному підході, навпаки, думка рухається від складного до простого, від цілого до складових частин, від системи до елементів. При цьому ефективність системного підходу тим вище, чим до більш складній системі він застосовується.[3-5]

1.1.2. Сутність системного аналізу. Існує два різні підходи до трактування суті (предмету) системного аналізу. Прихильники першого наголошують на формальних (найчастіше математичних) засобах опису системи: блок-схеми, мережеві графіки, математичні рівняння тощо. Другий підхід базується на логіці системного аналізу; при цьому підкреслюється нерозривний зв’язок останнього з прийняттям рішень, які полягають у виборі певного оптимального напрямку дій серед декількох можливих альтернатив. У цьому випадку, системний аналіз розглядається передусім як методологія пізнання й упорядкування, тобто так звана структуризація проблеми, котру необхідно вирішувати з використанням формальних методів та застосуванням комп’ютерної техніки або без них.

Отже, сутність системного аналізу полягає не у використанні математичних методів і процедур, а у співставленні альтернатив, по можливості, у кількісній формі, на основі певної логічної послідовності кроків, котрі можуть бути повторені та перевірені іншими дослідниками. При цьому системний аналіз дозволяє суттєво поглибити і розширити осмислення сутності системи, її структури, організації, цілей і завдань функціонування, закономірностей розвитку, визначити оптимальні шляхи і методи управління.

Системний аналіз базується на методологічних принципах:

- органічна єдність об’єктивного та суб’єктивного в процесі наукового дослідження;

- структурність системи, котра визначає цілісність і усталеність її характеристик;

- динамізм системи;

- міждисциплінарний характер системних досліджень;

- органічна єдність формального та неформального при проведенні аналізу.

До основних особливостей системного аналізу можна віднести наступні:

- розглядаються всі теоретично можливі альтернативні шляхи і засоби досягнення мети, оптимальна комбінація та сполучення різних методів і засобів;

- альтернативи оцінюються з позицій перспективи, зокрема для систем, котрі мають стратегічне значення;

- відсутні стандартні, строго детерміновані рішення;

- чітко розмежовуються різні точки зору при вирішенні однієї проблеми;

- застосовується підходи до вирішення проблем, для яких не повністю визначені вимоги щодо термінів реалізації та вартості;

- визнається принципове значення організаційних і суб’єктивних чинників у процесі прийняття рішень і відповідно до цього, розробляються процедури широкого застосування якісних (логічних) міркувань в аналізі й узгодженні різних точок зору;

- особлива увага приділяється факторам ризику і невизначеності, їх врахуванню й оцінці при виборі оптимального рішення серед декількох можливих варіантів.

У процесі будь-якого наукового або практичного дослідження, виникає потреба у розв’язанні проблем трьох видів:

1. добре структуровані або кількісно визначені проблеми, в яких суттєві залежності виявлені та виражені у числах і символах (методологія дослідження операцій, математичні методи і моделі тощо);

2. неструктуровані або якісно визначені проблеми, що містять лише опис основних ресурсів, ознак і характеристик, кількісні залежності між якими зовсім не визначені (евристичні методи, інтуїтивні рішення);

3. слабко структуровані або змішані проблеми, котрі містять якісні та кількісні елементи, причому домінують якісні, мало визначені та невизначені сторони проблеми, до яких належать більшість соціальних, економічних, політичних, управлінських, технічних проблем.

Типовими проблемами системного аналізу є:

- перспективні (стратегічні) проблеми, що повинні вирішуватись у майбутньому;

- проблеми, які характеризуються широким набором альтернатив;

- проблеми, котрі вимагають значних ресурсів і містять елементи ризику;

- проблеми, котрі мають складну внутрішню структуру;

- проблеми, для яких не повністю визначені вимоги щодо вартості і часу.

Саме ці проблеми є основною сферою застосування системного аналізу. Системний аналіз як сукупність методів і засобів розробки, прийняття й обґрунтування рішень у процесі дослідження, утворення та управління системою передбачає:

- прийняття оптимального рішення, на основі багатьох альтернатив;

- оцінювання кожної альтернативи з позицій довготривалої перспективи;

- поглиблене розуміння й упорядкування (структуризація) проблеми;

- спрямування на розробку і прийняття нових принципів наукового мислення, яке враховує взаємозв’язки елементів цілого та суперечливі тенденції.

Основне практичне значення системного аналізу полягає не стільки у кількісній визначеності шляхів та способів вирішення проблеми, скільки у збільшенні ступеню її розуміння спеціалістами та експертами, котрі беруть участь у вирішенні цієї проблеми, і визначенні альтернативних шляхів досягнення певної мети особами, відповідальними за ухвалення та здійснення управлінських рішень.[5,6]

1.1.3. Методологія системного аналізу. Методологія – сукупність прийомів дослідження, котрі застосовують у будь-якій науці відповідно до специфіки об’єкту її пізнання.

Методологія системного аналізу включає визначення використовуваних понять, принципи системного підходу, а також постановку і загальну характеристику основних проблем організації системних досліджень.

Визначення у методології зазвичай даються на словесно-інтуїтивному рівні і, як правило, є конструктивними. Загальноприйняті визначення створюють мову даної науки, впливають на наукове мислення. В системному аналізі, процес створення єдиних формулювань не є закінченим, і є досить актуальним у зв'язку з міждисциплінарним характером досліджень.

У центрі методології системного аналізу знаходиться операція кількісного і якісного порівняння альтернатив, яка виконується з метою вибору альтернативи, котра підлягає реалізації. Якщо вимога рівноякісності альтернатив виконана, тоді можуть бути отримані і кількісні оцінки. Цього можна досягти, якщо враховані всі альтернативи і є правильні оцінки кожного елемента. Так реалізується ідея виділення „всіх елементів пов’язаних з даною альтернативою”, тобто ідея, яка на побутовій мові виражається як „всебічне урахування усіх обставин”. Виділювана цим визначенням цілісність і називається в системному аналізі повною системою або просто системою.

Системний аналіз – це методологія розв’язання проблем, яка заснована на концепції систем. Об’єкт пізнається як система тоді і тільки тоді, коли відносно нього вирішується задача певного (системного) типу.

Але як виділити цю цілісність, „систему”, як встановити, входить даний елемент в дану альтернативу чи ні? Єдиним критерієм може бути участь даного елемента у процесі, що призводить до появи вихідного результату даної альтернативи. Тому, поняття процесу виявляється центральним поняттям системного аналізу.

Таким чином, те, що передусім повинно бути виділено, якщо ми намагаємось думати і діяти „системно”, є процес. Не може бути системного мислення без ясного розуміння процесу.[7]

1.1.4. Еталонна модель взаємодії відкритих мереж та систем. Комп'ютерні мережі будуються за багаторівневим принципом. Для організації зв'язку між комп'ютерами, необхідно спочатку розробити набір правил їх взаємодії, визначити мову їх "спілкування", тобто визначити зміст сигналів, що посилають комп'ютери. Ці правила та визначення називаються протоколом.

Для коректної роботи мережі використовується цілий ряд протоколів: наприклад, протокол управління фізичним зв'язком, встановлення зв'язку в мережі, доступу до ресурсів, тощо. Багаторівневу систему було створено з метою спрощення і впорядкування такої величезної кількості протоколів та зв'язків. Багаторівнева модель взаємодії передбачає реальну взаємодію (інтерфейси) лише із сусідніми рівнями (верхнім та нижнім) і віртуальну - виключно із аналогічним рівнем приймача лінії зв'язку.

Під реальною взаємодією будемо розуміти безпосередню взаємодію - передачу інформації. В такому випадку інформація залишається незмінною - в пункт призначення вона надходить у вигляді, ідентичному вигляду у пункті відправлення. Віртуальна взаємодія передбачає опосередковану передачу даних, коли останні можуть обумовленим способом змінюватись.

Наведемо приклад для ілюстрації процесів реальної та віртуальної взаємодії. Нехай директор однієї фірми (директорі) написав лист директорові іншої фірми (директор_2). Секретарі вкладає цей лист у конверт, пише адресу і передає на пошту. Пошта здійснює доставку за зазначеною адресою. Конверт отримує секретар_2, розкриває його і кладе лист на стіл директорові_2. Реальною в даній схемі є лише взаємодія на рівні поштового транспорту - тобто в процесі перевезення листа з однієї точки в іншу. Всі інші - віртуальні, починаючи із взаємодії поштових відділень і закінчуючи найвищим рівнем директорі <-> директор_2. В такій моделі взаємодії директора не хвилюють проблеми відправлення листа, а секретар не повинен знати про тонкощі перевезення поштової кореспонденції.

Саме такий підхід і є перевагою багаторівневої моделі взаємодії відкритих систем ISO/OSI (International Standards Organization, ISO; Open System Interconnection, OSI), і саме він дозволяє встановлювати зв'язок із будь-яким комп'ютером мережі Інтернет, довільної конфігурації, і яку би ОС на ньому не було встановлено. Розглянемо детальніше зазначену модель із характеристикою рівнів (рис.1.1):

Рис.1.1. Схема еталонної модель відкритих систем ІSО/ОSІ

Рівень 0 (канал зв'язку) пов'язаний із фізичним середовищем - передавачем сигналу і містить характеристики посередників, що з'єднують кінцеві пристрої: кабелі, радіолінії і т.п. Як правило, рівень 0 не зазначається в моделі ISO/OSI, проте, знання його особливостей дозволяє налагодити стабільний зв'язок з точки зору фізичних з'єднань.

Рівень 1 (фізичний) містить фізичні аспекти передачі двійкової інформації лінією зв'язку. Детально описує, наприклад, напругу, частоту, природу середовища передачі. Відповідає за підтримку зв'язку та приймання/передачу бітового потоку.

Рівень 2 (канальний) забезпечує безпомилкову передачу пакетів через рівень 1, що може спотворювати дані (використовується завадостійке кодування). Визначає початок та кінець пакету в бітовому потоці.

Рівень 3 (мережний) використовує можливості, що надаються рівнем 2 для забезпечення зв'язку двох довільних точок в мережі. Маршрутизація пакетів та обробка адрес відбувається на цьому ж рівні.

Рівень 4 (транспортний) завершує організацію передачі даних - контролює правильність передачі пакетів, правильність доставки в потрібний пункт призначення, їх збереженість та послідовність надходження. Відновлює повідомлення шляхом злиття пакетів. Містить надійну схему адресації для забезпечення зв'язку через величезну кількість мереж та шлюзів.

Шлюз - станція зв'язку із довільною мережею. Забезпечує зв'язок несумісних мереж, а також взаємодію несумісних компонентів у рамках однієї мережі.

Транспортний рівень відповідає за всі деталі та проблеми передачі даних. Забезпечує взаємодію вищих рівнів моделі з інформацією незалежно від технічної реалізації самого процесу передачі.

Рівень 5 (сеансовий) координує взаємодію користувачів - встановлює зв'язок, відновлює аварійно завершені сеанси. Відповідає за картографію мережі - перетворює регіональні (доменні) комп'ютерні імена у числові адреси і навпаки. Підтримує процеси в мережі та їх взаємодію.

Рівень 6 (представлення даних) оперує синтаксисом та семантикою інформації, що передається, тобто встановлює "порозуміння" між двома комп'ютерами. Тут вирішуються задачі перекодування (всім, напевно, траплялись повідомлення у вигляді набору незрозумілих символів -наприклад, при передачі українського тексту без перетворення кодом Windows CP1251); підтримка зображень, стиск та розпакування файлів, підтримка мережних файлових систем (Network File System, NFS), тощо.

Рівень 7 (прикладний) забезпечує інтерфейс між користувачем і мережею, підтримує доступ користувача до різноманітних послуг мережі. На цьому рівні реалізуються, як мінімум, п'ять прикладних служб: передача файлів, віддалений термінальний доступ, електронна передача повідомлень, довідкова служба та управління мережею. Визначається користувачем відповідно до його потреб, можливостей та фантазії.[8]

1.1.5. Функції рівнів моделі OSI/ISO. Модель ISO/OSIвизначає функції рівнів у такий спосіб:

Фізичний рівень. Цей рівень описує:

- усі фізичні середовища передачі даних (кабель, оптоволокно, хвилі радіо й інших діапазонів);

- мережні рознімання;

- топологію мережі;

- методи передачі й кодування сигналу;

- пристрій передачі даних;

- мережні інтерфейси;

- методи розпізнавання помилок при передачі сигналів.

Цей рівень має справу з передачею бітів по фізичних каналах, таких, наприклад, як коаксіальний кабель, кручені пари або оптоволоконний кабель. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних середовищ передачі даних, такі, як смуга пропущення, перешкодозахищеність, хвильовий опір і інші. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, такі, як вимоги до фронтів імпульсів, рівнів напруги або струму переданого сигналу, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Крім цього, тут стандартизуються типи рознімань і призначення кожного контакту.

Функції фізичного рівня реалізуються у всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережним адаптером. Повторювачі є єдиним типом устаткування, що працює тільки на фізичному рівні.

Прикладом протоколу фізичного рівня може служити специфікація 10 Base-T технології Ethernet, що визначає як використовуваний кабель неекрановану кручену пару категорії 3 із хвильовим опором 100 Ом, рознімання RJ- 45, максимальну довжину фізичного сегмента 100 метрів, манчестерський код для подання даних на кабелі, і інші характеристики середовища й електричних сигналів.

Канальний рівень. Цей рівень кодує дані у вигляді фреймів, після чого відформатовані фрейми надходять на Фізичний рівень, де вузол, що передає може відправити їх у комунікаційне середовище (наприклад, у кабель). Приймаючий вузол одержує фрейм від Фізичного рівня, декодує електричний сигнал, що представляє розряди даних, перетворює окремі розряди у фрейм і перевіряє наявність помилок у фреймі.

Канальний рівень представляє інформаційні розряди у вигляді "фрейму" канального рівня, що містить поля з адресною й керуючою інформацією.

Таким чином, фрейм містить:

- ознаку початку фрейму (start of frame, SOF);

- адресу пристрою або передавального вузла, що відправляє фрейм (адресу джерела);

- адресу пристрою або приймаючого вузла, що одержує переданий фрейм (адресу призначення);

- адміністративну або керуючу інформацію (для контролю комунікаційного процесу);

- дані;

- інформацію для виявлення помилок (контрольні дані);

- трейлер (кінець) або ознаку кінця фрейму (end of frame, EOF).

На фізичному рівні просто пересилаються біти. При цьому не враховується, що в деяких мережах, у яких лінії зв'язку використовуються (розділяються) поперемінно декількома парами взаємодіючих комп'ютерів, фізичне середовище передачі може бути зайняте. Тому одним із завдань канального рівня є перевірка доступності середовища передачі. Іншим завданням канального рівня є реалізація механізмів виявлення й корекції помилок. Для цього на канальному рівні біти групуються в набори, які називаються кадрами (frame). Канальний рівень забезпечує коректність передачі кожного кадру, поміщаючи спеціальну послідовність біт у початок і кінець кожного кадру, щоб відзначити його, а також обчислює контрольну суму, підсумовуючи всі байти кадру певним способом і додаючи контрольну суму до кадру. Коли кадр приходить, одержувач знову обчислює контрольну суму отриманих даних і порівнює результат з контрольною сумою з кадру. Якщо вони збігаються, кадр уважається правильним і приймається. Якщо ж контрольні суми не збігаються, то фіксується помилка.

У локальних мережах протоколи канального рівня використовуються комп'ютерами, мостами, комутаторами й маршрутизаторами. У комп'ютерах функції канального рівня реалізуються спільними зусиллями мережних адаптерів і їхніх драйверів.

Мережний рівень. Мережний рівень аналізує адресну інформацію протоколу передачі пакетів і посилає їх по найбільш підходящому маршруту – фізичному або логічному, забезпечуючи максимальну ефективність мережі. Також цей рівень забезпечує пересилання пакетів між мережами через маршрутизатори.

Контролюючи проходження пакетів, Мережний рівень виступає в ролі "керуючого трафіком": він маршрутизує (направляє) пакети по найбільш ефективному з декількох можливих трактів передачі даних. Для визначення найкращого маршруту Мережний рівень постійно збирає інформацію (метрики) про розташування різних мереж і вузлів, цей процес називається виявленням маршруту (discovery).

Протокол канального рівня забезпечує доставку даних між будь-якими вузлами тільки в мережі з відповідною типовою топологією. Це дуже жорстке обмеження, що не дозволяє будувати мережі з розвиненою структурою, наприклад, мережі, що поєднують кілька мереж підприємства в єдину мережу, або високонадійні мережі, у яких існують надлишкові зв'язки між вузлами. Для того, щоб, з однієї сторони, зберегти простоту процедур передачі даних для типових топологій, а, з іншої сторони, допустити використання довільних топологій, вводиться додатковий мережний рівень. На цьому рівні вводиться більш вузьке поняття "мережа". У цьому випадку під мережею розуміється сукупність комп'ютерів, з'єднаних між собою відповідно до однієї зі стандартних типових топологій і тих, що використовують для передачі даних один із протоколів канального рівня, визначений для цієї топології.

Таким чином, усередині мережі доставка даних регулюється канальним рівнем, а доставкою даних між мережами займається мережний рівень. Повідомлення мережного рівня прийнято називати "пакетами" (packet). При організації доставки пакетів на мережному рівні використовується поняття "номер мережі". У цьому випадку адреса одержувача складається з номера мережі й номера комп'ютера в цій мережі.

Мережі з'єднуються між собою спеціальними пристроями, які називаються маршрутизаторами.

Маршрутизатор – це пристрій, що збирає інформацію про топологію міжмережних з'єднань і на її підставі пересилає пакети мережного рівня в мережу призначення. Для того, щоб передати повідомлення від відправника, що перебуває в одній мережі, одержувачеві, що перебуває в іншій мережі, потрібно зробити деяку кількість транзитних передач (hops) між мережами, щораз вибираючи підходящий маршрут. Таким чином, маршрут становить послідовність маршрутизаторів, через які проходить пакет.

Проблема вибору найкращого шляху називається маршрутизацією, і її рішення є головним завданням мережного рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що самий короткий шлях не завжди найкращий. Часто критерієм при виборі маршруту є час передачі даних по цьому маршруту; він залежить від пропускної здатності каналів зв'язку й інтенсивності трафіка, що може змінюватися із часом.

На мережному рівні визначається два види протоколів. Перший вид відноситься до визначення правил передачі пакетів з даними кінцевих вузлів від вузла до маршрутизатора й між маршрутизаторами. Саме ці протоколи звичайно мають на увазі, коли говорять про протоколи мережного рівня. Однак часто до мережного рівня відносять і інший вид протоколів, які називають протоколами обміну маршрутною інформацією. За допомогою цих протоколів маршрутизатори збирають інформацію про топологію міжмережних з'єднань.

Протоколи мережного рівня реалізуються програмними модулями операційної системи, а також програмними й апаратними засобами маршрутизаторів.

Прикладами протоколів мережного рівня є протокол міжмережної взаємодії IP стека TCP/IP і протокол міжмережного обміну пакетами IPX стека Novell.

Транспортний рівень. Транспортний рівень (transport layer), подібно Канальному й Мережному рівням, виконує функції, що забезпечують надійне пересилання даних від передавального вузла до приймаючого. Наприклад, Транспортний рівень гарантує, що дані передаються й приймаються в тому самому порядку. Крім цього, після завершення пересилання приймаючий вузол може послати підтвердження (яке іноді називається квитанцією).

На шляху від відправника до одержувача пакети можуть бути перекручені або загублені. Хоча деякі додатки мають власні засоби обробки помилок, існують і такі, які воліють відразу мати справу з надійним з'єднанням. Робота транспортного рівня полягає в тому, щоб забезпечити додаткам або верхнім рівням стека – прикладному й сеансовому – передачу даних з тим ступенем надійності, що їм потрібен. Модель OSI визначає п'ять класів сервісу, які надаються транспортним рівнем. Ці види сервісу відрізняються якістю послуг, які надаються: терміновістю, можливістю відновлення перерваного зв'язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне – здатністю до виявлення й виправлення помилок передачі, таких як перекручування, втрата й дублювання пакетів.

Вибір класу сервісу транспортного рівня визначається з однієї сторони тим, у якому ступені завдання забезпечення надійності вирішується самими додатками й протоколами більш високих, чим транспортний, рівнів, а з іншого боку, цей вибір залежить від того, наскільки надійної є вся система транспортування даних у мережі. Так, наприклад, якщо якість каналів передачі зв'язку дуже висока, і ймовірність виникнення помилок, не виявлених протоколами більш низьких рівнів, невелика, то розумно скористатися одним з полегшених сервісів транспортного рівня, не обтяжених численними перевірками, квантуванням і іншими прийомами підвищення надійності. Якщо ж транспортні засоби споконвічно дуже ненадійні, то доцільно звернутися до найбільш розвиненого сервісу транспортного рівня, що працює, використовуючи максимум засобів для виявлення й усунення помилок – за допомогою попереднього встановлення логічного з'єднання, контролю доставки повідомлень за допомогою контрольних сум і циклічної нумерації пакетів, установлення тайм-аутів доставки й т. п.

Починаючи із транспортного рівня, всі вищерозміщені протоколи реалізуються програмними засобами, включаються звичайно в склад мережної операційної системи. Як приклад транспортних протоколів можна навести протоколи TCP і UDP стека TCP/IP і протокол SPX стека Novell.

Сеансовий рівень. Сеансовий рівень (session layer) відповідає за встановлення й підтримку комунікаційного каналу між двома вузлами, він забезпечує черговість роботи вузлів: наприклад, визначає, який з вузлів першим починає передачу даних. Крім цього, сеансовий рівень визначає тривалість роботи вузла на передачу, а також спосіб відновлення інформації після помилок передачі. Якщо сеанс зв'язку був помилково перерваний на більш низькому рівні, сеансовий рівень намагається відновити передачу даних.

Сеансовий рівень забезпечує керування діалогом для того, щоб фіксувати, яка зі сторін є активною в даний момент, а також надає кошти синхронізації. Останні дозволяють вставляти контрольні точки в довгі передачі, щоб у випадку відмови можна було повернутися назад до останньої контрольної точки, замість того, щоб починати все з початку. На практиці деякі додатки використовують сеансовий рівень, і він рідко реалізується.

Рівень подання. Представницький рівень (presentation layer) управляє форматуванням даних, оскільки прикладні програми нерідко використовують різні способи подання інформації. У деякому сенсі Представницький рівень виконує функції програми перевірки синтаксису. Він гарантує, що числа й символьні рядки передаються саме в такому форматі, який зрозумілий Представницькому рівню приймаючого вузла.

Представницький рівень також відповідає за шифрування даних. Шифрування (encryption) – це процес засекречування інформації, що не дозволяє неавторизованим користувачам прочитати дані у випадку їхнього перехоплення. Наприклад, у локальній мережі може шифруватися пароль облікового запису комп'ютера, або ж номер кредитної картки може шифруватися за допомогою технології Secure Sockets Layer (SSL) (протокол захищених сокетів) при передачі по глобальній мережі.

Цей рівень забезпечує гарантію того, що інформація, передана прикладним рівнем, буде зрозуміла прикладному рівню в іншій системі. У випадках необхідності рівень подання виконує перетворення форматів даних у деякий загальний формат подання, а на прийомі, відповідно, виконує зворотне перетворення. У такий спосіб прикладні рівні можуть перебороти, наприклад, синтаксичні розходження в поданні даних. На цьому рівні може виконуватися шифрування й дешифрування даних, завдяки якому таємність обміну даними забезпечується відразу для всіх прикладних сервісів. Прикладом такого протоколу є протокол Secure Socket Layer (SSL), що забезпечує секретний обмін повідомленнями для протоколів прикладного рівня стека TCP/IP.

Прикладний рівень. Цей рівень безпосередньо управляє доступом до додатків і мережних служб. Прикладом таких служб є передача файлів, керування файлами, вилучений доступ до файлів і принтерів, керування повідомленнями електронної пошти й емуляція терміналів. Саме цей рівень програмісти використовують для зв'язку робочих станцій з мережними службами (наприклад, для надання деякій програмі послуг електронної пошти або доступу до бази даних через мережу).

Прикладний рівень – це набір різноманітних протоколів, за допомогою яких користувачі мережі одержують доступ до поділюваних ресурсів, таких, як файли, принтери або гіпертекстові Web-сторінки, а також організують свою спільну роботу, наприклад, за допомогою протоколу електронної пошти. Одиниця даних, якою оперує прикладний рівень, звичайно називається повідомленням (message).

Існує дуже велика розмаїтість сервісів прикладного рівня. Наведемо як приклади протоколів прикладного рівня найпоширеніші реалізації файлових сервісів: NCP в операційній системі Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP і TFTP, що входять у стек TCP/IP. [9]

1.1.6. Критичний аналіз встановленої кількості рівнів еталонної моделі взаємодії відкритих систем. Безпроводові комп’ютерні мережі є відносно новим типом комп’ютерних систем, вони характеризуються різнотипністю і великою щільністю інформаційного трафіку, в умовах потужного потоку завад, неоднорідною структурою і великою кількістю інтегрованих мережевих засобів із обмеженою пропускною здатністю. Класичні методи підвищення продуктивності, основані на буферизації, організації потоку сигнальних повідомлень для регулювання швидкості передавання даних та використанні вікон, не є достатніми в умовах обмеженої пропускної здатності каналів передавання сигналів: маємо знайти інші способи підвищення продуктивності безпроводових комп’ютерних мереж.

В силу ряду об’єктивних причин, в тому числі і географічних особливостей, одним із суттєвих показників розвитку народного господарства визначено існування сучасної інформаційно-телекомунікаційної інфраструктури: сучасної системи телекомунікацій і побудованих на них комп’ютерних систем і мереж. Серед різноманітних класів комп’ютерних систем і мереж особливе місце займають мережі, транспортна служба яких побудована на використанні радіоефіру в якості середовища передачі даних (безпроводові мережі). Прийнято й реалізується ряд програм по забезпеченню створення такого роду об’єктів. Одним з видів такого забезпечення є створення наукових основ побудови продуктивних безпроводових мереж на основі модифікації існуючої класичної еталонної моделі взаємодії відкритих систем (ЕМ OSI/ISO), згідно з якою проектуються, створюються і експлуатуються більшість безпроводових мереж.

Особливістю об’єкта дослідження є протиріччя між високими вимогами до показників QoS на верхніх рівнях ЕМ OSI/ISO і реально дуже обмеженими значеннями показників нижніх рівнів, які утворюють транспортну службу безпроводової комп’ютерної мережі.

Іншою особливістю безпроводових комп’ютерних мереж є обмеженість обчислювальної можливості абонентських систем, що обумовлено вимогою до їх мобільності.

Реальне значення продуктивності, спроможності підтримувати відповідні показники QoS безпроводової комп’ютерної мережі, залежить від вибраних стратегій (технологій) підготовки даних і передавання їх в радіоефірі. В разі вибору неефективної стратегії в мережі, що використовує радіоефір, можливе перевантаження і, як наслідок, зростання кількості пакетів, переданих з помилками, що створює додаткові перешкоди в радіоканалі.

Класичні методи підвищення продуктивності передавання даних, основані на буферизації, організації потоку сигнальних повідомлень для регулювання швидкості передавання даних та використанні вікон, не є достатніми в умовах обмеженої пропускної здатності каналів передавання сигналів: маємо знайти інші способи підвищення продуктивності безпроводових комп’ютерних мереж.

Природно, що стек протоколів стандарту IEEE 802.11[5] відповідає загальній структурі стандартів комітету 802, тобто складається з фізичного і канального рівнів з підрівнями управління доступом до середовища MAC (Media Access Control) і логічного передавання даних LLC (Logical Link Control). Як і у всіх технологій сімейства 802, технологія 802.11 визначається двома нижніми рівнями, тобто фізичним рівнем і рівнем MAC, а рівень LLC виконує свої стандартні загальні для всіх технологій LAN функції (рис.1.2)

Рис.1.2. Стек протоколів ІЕЕЕ 802.11

На фізичному рівні існує декілька варіантів специфікацій, які відрізняються робочими частотним діапазоном, методом кодування і як наслідок – швидкістю передавання даних. Всі варіанти фізичного рівня працюють з одним і тим же алгоритмом рівня MAC, але деякі тимчасові параметри рівня MAC залежать від фізичного рівня.

Відомо, що фізичному рівню еталонної моделі OSI притаманні задачі генерації та відправки потоку бітів, а також визначення фізичного середовища самої мережі. Останнє, відносно безпроводових мереж, включає в себе визначення стану якості сигналу в мережі, в радіусі якої здійснюється передавання. Існують, як це зображено в таблиці 1, наступні рівні стану якості сигналу:

Таблиця 1.1.

Рівні якості сигналу

Параметри рівнів стану якості сигналуПоказник якості сигналу	Характеристика якості сигналу
	відмінно
	дуже добре
	добре
	нижче
	низький
	дуже низький
	відсутність сигналу

В ІМ враховано два методи запобігання помилок при передаванні PDU канального рівня:

- канальний рівень не формує пакети доти, доки не знайдеться вільний канал передавання;

- фізичний рівень не відправляє потік бітів доти, доки стан зв’язку відповідає рівню відсутність сигналу.

Та практика показує, що у так званих зонах невпевненого прийому, даних правил не завжди буває достатньо і помилки мають місце. В цих зонах, у більшості випадків, максимальний рівень сигналу відповідає стану 3, а мінімальний - стану 6 відповідно. В таких зонах зміна станів якості сигналу, в залежності від різних чинників, відбувається досить часто. Тоді, коли якість сигналу знижується, імовірність помилок у відправлених PDU значно зростає.

Саме для даного випадку і пропонується технологія «моніторинг стану якості зв’язку». У даному методі використовується поєднання повноважень мережевого рівня при використанні інформації фізичного рівня. Ідея методу витікає з перерозподілу функцій рівнів ЕМ OSI/ISO (фактично введення нових функцій – функцій межрівневої взаємодії). В даному способі – це введення нової функції взаємодії між канальним і фізичним рівнями (рис.1.3).

Рис.1.3. Схема методу «моніторинг стану якості сигналу»

Практично спосіб реалізується контролюванням бітів, PDU фізичного рівня. У даному методі мережевий рівень через певні проміжки часу відсилає запити на фізичний про стан сигналу на даний момент. Інформація про стан сигналу міститься у полі, в якому перші біти тримають у собі інформацію про швидкість передавання, а інші про стан сигналу. Можлива структура фрейма подана в описі стандарту ІЕЕЕ 802.11.

Зазвичай кожному з вищеперелічених станів сигналу відповідає число n від 0 до 6. На основі одержаних даних мережевий рівень формує уявлення про зміну станів зв’язку, постійно порівнюючи теперішній та попередній стани (n < n0 чи n ≥ n0). У випадку, коли зміна станів відповідає n < n0, мережевий рівень відсилає повторний запит. Даний цикл буде відбуватися до тих пір, доки ситуація не стане протилежною (n≥ n0). Лише тоді мережевий рівень направить до канального PDU і віддасть наказ на його передавання. Потім канальний рівень, при наявності вільного каналу, надасть наказ на генерацію бітів фізичному рівню, у відповідності до конкретного PDU.

Таким чином, вдалося реалізувати ідею удосконалення технології безпроводового транспортування даних за рахунок перерозподілу функцій міжрівневої взаємодії, в рамках системи мережевого управління. Запропоновано метод підвищення продуктивності для безпроводових мереж, що функціонально мережевий і фізичний рівні покращують продуктивність мережі. [10]

Дата добавления: 2015-12-07