SIECI KOMPUTEROWE
Doc. Dr inŜ. Jarosław Szymańda
Podstawy architektury logicznej
SIECI KOMPUTEROWE
Doc. Dr inŜ. Jarosław Szymańda
Podstawy architektury logicznej
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Podstawy architektury 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:
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Podstawy architektury logicznej
•
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
pierwszy zestaw protokołów oraz
formaty i mechanizmy wymiany komunikatów w sieci.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Systemy otwarte ? TAK
•
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 syste-
mów było bardzo uciąŜliwe, często wręcz
niemoŜliwe.
• nie były jeszcze znane urządzenia sieciowe zwane
bramkami (gateway).
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Podstawy modelu ISO
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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – SIEDEM WARSTW
Model ten jest normą komunikacji komputero-
wej, określoną przez
Międzynarodową Organiza-
cję 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 podmie-
nienia dowolnej warstwy, nie wpływając na
działanie pozostałych.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – SIEDEM (7) WARSTW
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – 1. WARSTWA FIZYCZNA
Warstwa fizyczna (physical layer)
–
umoŜliwia przesyłanie pojedynczych bitów między
połączonymi stacjami z wykorzystaniem łącza. Usługi tej
warstwy polegają na przesłaniu informacji reprezento-
wanej przez ciąg bitów z zachowaniem ich oryginalnej
sekwencji oraz wykrywaniem nieprawidłowości wystę-
pujących
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
(pracują tutaj karty sieciowe !!!)
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – 2. WARSTWA ŁĄCZA DANYCH
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 odróŜnieniu od warstwy fizycznej przesyłającej bity
informacji, warstwa łącza danych przesyła ramki o
określonej strukturze i jawnym określeniu początku i
końca porcji informacji
(pracują tutaj mosty sieciowe (bridge)
.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – 3. WARSTWA SIECIOWA
Warstwa sieciowa (network layer)-
W
arstwa 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.
D
zięki tej warstwie,wyŜsze warstwy nie muszą posiadać
wiedzy na temat wykorzystywanych technologii
przesyłania danych.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – 4. WARSTWA TRANSPORTOWA
Warstwa transportowa (transport layer) –
o
bowiązkiem tej warstwy 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
).
Warstwa ta oferuje usługi połączeniowe, a więc
zestawiane jest łącze, którym wędrują pakiety danych
docierające do odbiorcy sekwencyjnie, lub bezpołą-
czeniowe (łącze nie jest zestawiane).
Typowo wykorzystywanymi protokołami pracującymi w
tej warstwie są: TCP, UDP, SPC lub NetBEUl.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – 5. WARSTWA SESJI
Warstwa sesji (session layer) –
R
olą tej warstwy jest rozszerzenie warstwy transporto-
wej 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 synchro-
nicznej 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
.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – 6. WARSTWA PREZENTACJI
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 implemen-
tującymi 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
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – 7. WARSTWA APLIKACJI
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
.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – przesyłanie danych
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – otwarta architektura
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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Model ISO – IEEE Projekt 802
• W lutym roku 1980 organizacja IEEE powołała
komitet standardów, którego zadaniem miały
być prace w zakresie modyfikacji modelu
OSI
(
Open Systems Interconnection)
.
• Projekt 802 wprowadził jedną (zasadniczą)
zmianę:
warstwę łącza danych podzielono na
dwie podgrupy
.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Projekt 802 – podział warstwy łącza
• NiŜsza podwarstwa nosi nazwę
MAC (Media
Access Control)
i zapewnia wspólny dostęp
do
fizycznej warstwy sieci
.
WyŜsza
podwarstwa nazywa się
LLC (Logical Link
Control)
i zapewnia usługi dotyczące łącz
danych dla wyŜszych poziomów modelu OSI
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Komitet 802
1/4
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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Komitet 802
2/4
• 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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Komitet 802
3/4
• 802.7 - dokument opracowany przez grupę
doradczą, dotyczący sieci szerokopasmo-
wych.
• 502.5 - dokument opracowany przez grupę
doradczą,
dotyczący
sieci
ś
wiatło-
wodowych, zawierający analizę wpływu
technologii światłowodowych na pozostałe
grupy tematyczne. I
• Itp...
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Komitet 802
4/4
• Wśród wymienionych wyŜej dokumentów,
dwa mają
zasadnicze znaczenie dla
dzisiejszych sieci lokalnych:
• 802.3
- opracowane prze nią dokumenty
wyjaśniają zasady podstawowej metody
dostępu
CSMA/CD
do sieci (Ethernet)
• 802.5
- opublikowanej przez nią definicji
sposobu
przesyłania znaczników
w sieci o
topologii pierścieniowej (Token Ring).
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Metody dostępu do sieci
• 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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Metody dostępu do sieci
• 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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Metody dostępu do sieci
• Metody dostępu do nośnika określają sposoby, na
jakie stacje robocze wprowadzają i odbierają
dane z okablowania. Największą popularność
zdobyły dwie:
•
CSMA/CD
•
Przekazywanie znacznika
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Metoda CSMA/CD
Metodę CSMA/CD najprościej opisać przez analogię do
tzw. 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.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Metoda Przekazywania znacznika
Przekazywanie znacznika
– jest metodą zaliczaną
do deterministycznych
metod dostępu,
tzn.
takich,w których dany 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
.
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Przekazywania znacznika
scenariusz:
Powiedzmy, Ŝe węzeł
1
musi porozumieć się z
węzłem
3
. Kiedy znacznik dotrze do węzła
1
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 (
1
), który usuwa znacznik
zajętości i wysyła aktywny znacznik z
powrotem do sieci, w celu kontynuowania
sprawdzania stanu innych węzłów
1
2
3
Doc. Dr in
Ŝ
. J.Szyma
ń
da
Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny
Metoda odpytywania
- wariant metody przekazywania znacznika
Metoda
Odpytywania
(ang. polling) wykorzystywana była w termi-
nalowych systemach minikomputerowych (np. „MINIMOP”, „RIAD” ).
Wymaga „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.
Idea tej metody jest jeszcze wykorzystywana w duŜych centrach
sieciowo-komputerowych z tzw. serwerami centralnymi
.