4_Podstawy_architektury_sieci

Sieci i Systemy Teleinformatyczne (SIST)

4. Podstawy architektury sieci logicznej

Sieci komputerowe, łączące róŜnorodne systemy operacyjne i platformy

sprzętowe przy uŜyciu róŜnych mediów transmisyjnych, musiały zostać w jakiś

sposób znormalizowane. Nie było to jednak łatwe. Do roku 1978 nie istniał Ŝaden

standard określający sposób komunikacji komputerowej, w związku z czym

powstawały róŜne modele zamknięte, wśród których były między innymi:

• Model SNA (System Network Architecture) opracowany przez firmę IBM.

Architektura ta słuŜyła głównie do komunikacji między produktami tej firmy, a w

szczególności między duŜymi i średnimi systemami komputerowymi.

• Model DNA (Digital Network Architecture) opracowany przez firmę DEC. W

ramach tej architektury zdefiniowany został zestaw protokołów oraz formaty i

mechanizmy wymiany komunikatów w sieci.

Modele te miały jedną, podstawową wadę - nie mogły współpracować między

sobą, były ze sobą niekompatybilne. O ile pozwalały na łączenie systemów

jednego producenta, o tyle połączenie róŜnych systemów było bardzo uciąŜliwe,

często wręcz niemoŜliwe (nie były jeszcze znane urządzenia sieciowe zwane

bramkami (gateway).

W roku 1978 zdecydowano się na opracowanie otwartego standardu, który

umoŜliwiałby komunikację zgodnych z nim systemów komputerowych.

Często wygodnym podejściem do problemu jest rozbicie go na mniejsze, juŜ

łatwiejsze do rozwiązania. Ta sprawdzona strategia znalazła takŜe zastosowanie w

przypadku sieci komputerowych (logicznych), a rezultatem takiego podejścia jest

model OSI

, który to skrót oznacza

Open Systems Interconnection

, czyli połączenie

systemów otwartych. Model ten jest normą komunikacji komputerowej, określoną

przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną ISO. Problem komunikacji

komputerowej został rozbity na 7 warstw, łączących w sobie logicznie powiązane

funkcje. KaŜda ze wspomnianych warstw funkcjonuje jako moduł. Teoretycznie

istnieje moŜliwość podmienienia dowolnej warstwy, nie wpływając na działanie

pozostałych.

Ostatecznie, model OSI (Open Systems Interconnection) składa się z

następujących siedmiu (7) warstw:

Warstwa fizyczna

(physical layer) - umoŜliwia przesyłanie pojedynczych bitów

między połączonymi stacjami z wykorzystaniem łącza. Usługi tej warstwy

polegają na przesłaniu informacji reprezentowanej przez ciąg bitów z

zachowaniem ich oryginalnej sekwencji oraz wykrywaniem nieprawidłowości

występujących w trakcie ich transmisji przez odbiorcę informacji. Warstwa ta

odpowiedzialna jest takŜe za wykrywanie stanów specjalnych łącza. Na poziomie

tej warstwy zdefiniowane są równieŜ cechy fizyczne interfejsu sieciowego: cechy

mechaniczne, elektryczne, złącza, poziomy napięć oraz inne aspekty elektryczne.

Warstwa fizyczna przesyła dane dla wszystkich wyŜszych warstw modelu.

Warstwa łącza danych

(data link layer) - na poziomie tym zdefiniowane są reguły

przesyłania i otrzymywania informacji. Warstwa ta zapewnia prawidłową

transmisję między węzłami sieci oraz umoŜliwia wykrywanie oraz korekcję

błędów powstałych na warstwie niŜszej, czyli w warstwie fizycznej. W przypadku

połączenia wielu węzłów sieci z wykorzystaniem jednego nośnika, do obowiązków

warstwy łącza danych naleŜy prawidłowe wykrywanie stanu łącza oraz organizacja

bezkolizyjnego dostępu do medium.

W przeciwieństwie do warstwy fizycznej przesyłającej bity informacji

warstwa

łącza danych przesyła ramki o określonej strukturze i jawnym określeniu początku

i końca porcji informacji

. Istnieje szeroka gama protokołów wykorzystywanych

przez warstwę łącza, a wybór konkretnego z nich uzaleŜniony jest od jakości łącza

i jego zastosowania. Na poziomie tej warstwy pracują mosty sieciowe (bridge).

Warstwa sieciowa

(network layer)- warstwa ta ma za zadanie umoŜliwienie

utworzenia drogi między stacją nadawczą, a odbiorczą oraz wybór

najkorzystniejszej z moŜliwych dróg transmisji (routing) i uniknięcie przeciąŜenia

sieci. Na poziomie warstwy sieciowej pracują routery. Warstwa ta musi pozwalać

na fragmentację ramek, w przypadku gdy wykorzystywana sieć posiada mniejszą

maksymalną wartość MTU (Maximum Transmission Unit). Sfragmentowane

ramki muszą zostać poprawnie złoŜone po dotarciu do stacji docelowej. Warstwa

sieciowa odpowiada takŜe za rozwijanie nazwy komputera (z warstwy sieciowej)

do adresu NIC (Network Interface Card) wykorzystywanego w warstwie łącza

danych. Warstwa sieciowa komputera nadającego musi stworzyć swój nagłówek w

taki sposób, by inne systemy wykorzystywane w sieci mogły rozpoznać ją w

prawidłowy sposób, co umoŜliwia przesłanie informacji do stacji docelowej.

Dzięki tej warstwie wyŜsze warstwy nie muszą posiadać wiedzy na temat

wykorzystywanych technologii przesyłania danych oraz innych technologii

wykorzystywanych przy łączeniu poszczególnych stacji. Nawiązywanie,

utrzymywanie oraz przerywanie połączeń z innymi systemami naleŜy do zadań

warstwy sieciowej.

Warstwa transportowa

(transport layer) - obowiązkiem warstwy tej jest

zapewnienie transmisji zgodnie z wymaganymi charakterystykami, do których

zalicza się m.in.: przepustowość, stopę błędów, opóźnienia transmisji. Warstwa

transportowa powinna realizować transmisję w sposób najbardziej efektywny,

czyli spełniać wymagane warunki techniczne w sposób najbardziej ekonomiczny

(

uzgodniony poziom jakości

W realizacji swych zadań warstwa ta wykorzystuje usługi oferowane przez

wcześniej omówione warstwy i ukrywa je przed warstwami wyŜszymi oferując im

ustalony interfejs, przez co wyŜsze warstwy nie muszą wnikać w strukturę

konkretnej sieci. Warstwa ta ponadto gwarantuje dostarczenie danych do odbiorcy

oraz niezawodność transmisji o ile nie są one realizowane przez niŜsze warstwy.

Warstwa ta oferuje usługi połączeniowe, a więc zestawiane jest łącze, którym

wędrują

pakiety

danych

docierające

odbiorcy

sekwencyjnie,

lub

bezpołączeniowe (łącze nie jest zestawiane). Typowo wykorzystywanymi

protokołami pracującymi w tej warstwie są: TCP, UDP, SPC lub NetBEUl.

Warstwa sesji

(session layer) - rolą tej warstwy jest rozszerzenie warstwy

transportowej o środki umoŜliwiające synchronizację sieciowego dialogu oraz

zarządzanie wymianą danych między aplikacjami. W warstwie tej mogą być

tworzone punkty synchronizacji, które w przypadku wystąpienia błędów transmisji

(na przykład w przypadku awarii łącza) umoŜliwiają cofnięcie dialogu i

kontynuowanie synchronicznej transmisji.

Głównym zadaniem tej warstwy jest sprawdzanie, kiedy uŜytkownik moŜe

wysłać lub odebrać dane, zaleŜnie od tego, czy dane moŜna wysyłać i odbierać

jednocześnie, czy na przemian.

Warstwa prezentacji

(presentation layer)- warstwa ta ma za zadanie

przekształcenie róŜnorodnych sposobów reprezentacji danych, jakie spotykane są

w róŜnych systemach operacyjnych na jednorodną formę sieciową, w taki sposób

by wymiana danych moŜliwa była między wszystkimi istniejącymi systemami

implementującymi model OSI. Warto podkreślić, Ŝe przekształcenie to dotyczy

jedynie sposobu reprezentacji informacji, nie ingeruje w jej treść. W warstwie tej

dokonywane jest takŜe szyfrowanie danych (translacja kodów znaków) oraz ich

konwersja i kompresja.

Warstwa aplikacji

(application layer) - jest to najwyŜsza warstwa omawianego

modelu. Oferuje ona całość usług komunikacyjnych procesom uŜytkowników.

Udostępniane w warstwie tej funkcje to: ustalenie protokołu transmisji,

nawiązywanie i zawieszanie połączenia, synchronizacja transmisji, autentykacja

połączeń, monitorowanie i zarządzanie połączonymi systemami oraz uŜywanymi

przez zasobami.

Prace nad modelem OSI wciąŜ trwają. Dla pewnych warstw opracowano juŜ

specjalne standardy dopasowane do wymogów modelu, natomiast standardy dla

pozostałych warstw są dopiero formułowane. Model OSI miał i wciąŜ ma wielki

wpływ na zagadnienia związane z przesyłaniem danych - szczególnie w kontekście

sieci lokalnych. Wiele standardów stosowanych w sieciach lokalnych pochodzi

właśnie z modelu OSI. Na przykład

dwie pierwsze warstwy modelu (fizyczna i

łącza danych) bardzo wpłynęły na opracowanie i zdefiniowanie standardów sieci

lokalnych

. Największą zasługę ma tu Projekt 802, który skoncentrował się na tych

właśnie warstwach modelu, podczas gdy funkcje wyŜszych warstw modelu OSI

pozostawiono do opracowania autorom implementacji sieci.

IEEE Projekt 802

W lutym roku 1980 organizacja IEEE powołała komitet standardów, którego

zadaniem miały być prace w zakresie modelu odniesienia OSI. Projekt 802

wprowadził jedną (zasadniczą) zmianę: warstwę łącza danych podzielono na dwie

podgrupy.

NiŜsza podwarstwa nosi nazwę MAC (Media Access Control) i

zapewnia wspólny dostęp do fizycznej warstwy sieci. WyŜsza warstwa nazywa się

LLC (Logical Link Control) i zapewnia usługi dotyczące łącz danych dla

wyŜszych poziomów modelu OSI

Komitet 802 opublikował serię dokumentów opracowanych przez jego grupy

robocze, w tym m.in.:

802.1 - przegląd prac projektu definiującego model odniesienia dla sieci

lokalnej. Dotyczy równieŜ takich zagadnień, jak formaty, zarządzanie siecią,

oraz łączenie sieci.

802.2 - opisuje usługi warstwy LLC oraz pojęcia pierwotne uŜywane we

wszystkich specyfikacjach sieci opracowanych przez IEEE.

802.3

- definiuje standardy dla warstwy MAC i fizycznej w sieciach

magistralowych działających zgodnie z algorytmem CSMA/CD.

802.4 - definiuje standardy dla warstwy MAC i fizycznej w sieciach

magistralowych z przesyłaniem znaczników.

802.5

- definiuje standardy dla warstwy MAC i fizycznej w sieciach

pierścieniowych z przesyłaniem znaczników w paśmie podstawowym.

802.7 - dokument opracowany przez grupę doradczą, dotyczący sieci

szerokopasmowych. Zawiera materiały informacyjne dla innych grup, dotyczące

transmisji szerokopasmowych.

502.5 - dokument opracowany przez grupę doradczą, dotyczący sieci światłowo-

dowych, zawierający analizę wpływu technologii światłowodowych na

pozostałe grupy tematyczne.

Wśród wymienionych wyŜej dokumentów, dwa mają zasadnicze znaczenie dla

dzisiejszych sieci lokalnych:

802.3

802.5

Znaczenie grupy 802.3 wynika z tego, Ŝe opracowane prze nią dokumenty

wyjaśniają zasady podstawowej metody dostępu

CSMA/CD

(omówionej dalej) do

sieci.

Grupa ta sformułowała równieŜ standard dla sieci pracujących w paśmie

podstawowym. Specyfikacja opracowana przez grupę 802.3 bardzo przypomina

architekturę Ethemet, jedno z podstawowych rozwiązań stosowanych we

współczesnych sieciach lokalnych.

Grupa 802.5 jest równieŜ waŜna, a to na skutek opublikowanej przez nią

definicji sposobu

przesyłania znaczników

w sieci o topologii pierścieniowej. Dziś

uŜywa się tej metody w architekturze Token Ring.

Podsumowując, najczęściej obecnie stosowane sieci Ethemet i Token Ring - mają

swój początek w Projekcie 802.

Metody dostępu

Sieć lokalną składającą się z wielu stacji roboczych moŜna zestawiać na wiele

róŜnych sposobów, stosując róŜne topologie. KaŜda topologia moŜe mieć

odmienny układ okablowania i fizycznego ustawienia stacji i zawsze powstaje

pytanie, w jaki sposób stacje robocze mają uzyskiwać dostęp do okablowania w

celu wysyłania i odbierania informacji.

Węzły sieci uzyskują dostęp do sieci lokalnej korzystając z metod dostępu do

nośnika (ang. Media Access Method) - z góry zdefiniowanego zestawu reguł lub

protokołów.

Koncepcję metod dostępu łatwiej wyjaśnić stosując analogię do ruchu na

autostradzie. Jeśli przyjmie się, Ŝe okablowanie odpowiada autostradzie, to

serwery i stacje robocze moŜna porównać do startowych i docelowych punktów

podróŜy. Stacja robocza komunikuje się z serwerem wysyłając do niego Ŝądanie,

które dociera do serwera „podróŜując” przez kabel (autostradę). WjeŜdŜając na

autostradę i opuszczając ją naleŜy przestrzegać pewnych reguł: wjazdy słuŜą do

przyspieszenia i dopasowania się do szybkiego ruchu na autostradzie, natomiast

zjazdy pozwalają zwolnić po opuszczeniu głównego ciągu szybkiego ruchu na

autostradzie.

Metody dostępu do nośnika określają sposoby, na jakie stacje robocze

wprowadzają i odbierają dane z okablowania. Największą popularność zdobyły

dwie: CSMA/CD i Przekazywanie znacznika.

Metoda CSMA/CD

CSMA/CD

- to skrót od angielskiego terminu Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection (

dostęp wielokrotny z wykrywaniem nośnej i detekcją kolizji

Zasadnicza idea polega na tym, Ŝe stacje robocze (karty sieciowe) „przysłuchują"

się ruchowi w sieci i transmitują dane tylko wtedy, kiedy wykryją ciszę,

„rywalizując” o dostęp do sieci z innymi stacjami.

Metodę CSMA/CD najprościej opisać przez analogię do staromodnego telefonu

towarzyskiego. Dopóki dostęp do linii komunikacyjnych był utrudniony, ludzie

musieli korzystać ze wspólnych linii. Kiedy ktoś chciał gdzieś zadzwonić, musiał

najpierw podnieść słuchawkę i sprawdzić, czy ktoś inny właśnie nie rozmawia.

Oczywiście moŜna podnieść słuchawkę i po prostu zacząć mówić, ale głosy na linii

będą ze sobą kolidowały i rozmowa stanie się kompletnie niezrozumiała. Przy

załoŜeniu przychylnego nastawienia wszystkich uŜytkowników wspólnej linii moŜna

ustalić pewne reguły (protokoły), opisujące sposoby postępowania podczas takich

wypadków.

Podobnie działa metoda CSMA/CD. Po ustaleniu protokołów węzły sieci mogą

bez zakłóceń wysłać swoje dane. Metodę tą po raz pierwszy wdroŜono w sieci

rozległej

ALOHA na Uniwersytecie Hawajskim w latach sześćdziesiątych.

Metoda Przekazywanie znacznika

Przekazywanie znacznika

- to deterministyczna metoda dostępu, gdyŜ węzeł (karta

sieciowa) moŜe wysyłać informacje do sieci tylko wtedy, kiedy jest w posiadaniu

znacznika. Znacznik podróŜuje przez sieć zatrzymując się przy kaŜdym węźle w

celu sprawdzenia, czy dany węzeł nie ma czegoś do wysłania. Jeśli nie ma nic do

wysłania, znacznik przechodzi do następnego węzła i sprawdza jego stan. Ten

proces jest kontynuowany, aŜ znacznik natrafi na stację, która chce coś wysłać do

sieci.

Powiedzmy, Ŝe węzeł l musi porozumieć się z węzłem 3. Kiedy znacznik dotrze do

węzła l i sprawdzi jego stan, wtedy ten węzeł zaznaczy znacznik jako zajęty,

dołączy do niego dane i informacje o adresie docelowym i wyśle go na powrót do

sieci. Znacznik podróŜuje przez sieć i zatrzymuje się przy miejscu przeznaczenia

(węzeł 3). Następnie znacznik powraca do węzła początkowego (l), który usuwa

znacznik zajętości i wysyła aktywny znacznik z powrotem do sieci, w celu

kontynuowania sprawdzania stanu innych węzłów

Metoda Odpytywanie

Odpytywanie

(ang. polling) stosuje się głównie w duŜych systemach

komputerowych i sieciach minikomputerowych. Protokoły wykorzystywane

podczas odpytywania wymagają uŜycia „inteligentnego" urządzenia centralnego.

To urządzenie komunikuje się w określonej kolejności oddzielnie z kaŜdą stacją

roboczą. Jeśli jakaś stacja chce przekazać Ŝądanie do serwera plików, to zostanie

ono wysłane do sieci przy najbliŜszym cyklu odpytywania tej stacji. Jeśli stacja nie

ma Ŝadnych Ŝądań w stosunku do serwera, to urządzenie centralne przechodzi do

odpytywania następnej stacji. Stacja uzyskuje dostęp do sieci tylko wtedy, kiedy

jest odpytywana. Ta metoda dostępu nie jest dziś tak popularna, jak CSMA/CD

czy przekazywanie znacznika, ale jest nadal często wykorzystywana w sieciach

duŜych systemów komputerowych i pracujących z komputerem centralnym.