Sieci i Systemy Teleinformatyczne (SIST)

4. Podstawy architektury sieci logicznej

Sieci komputerowe, łączące różnorodne systemy operacyjne i platformy

sprzętowe przy użyciu różnych mediów transmisyjnych, musiały zostać w jakiś

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

standard określający sposób komunikacji komputerowej, w związku z czym

powstawały różne modele zamknięte, wśród których były między innymi:

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

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

szczególności między dużymi 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 różnych systemów było bardzo uciążliwe,

często wręcz niemożliwe (nie były jeszcze znane urządzenia sieciowe zwane

bramkami (gateway).

W roku 1978 zdecydowano się na opracowanie otwartego standardu, który

umożliwiałby komunikację zgodnych z nim systemów komputerowych.

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

łatwiejsze do rozwiązania. Ta sprawdzona strategia znalazła także 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. Każda ze wspomnianych warstw funkcjonuje jako moduł. Teoretycznie

istnieje możliwość 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) - umożliwia 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 także za wykrywanie stanów specjalnych łącza. Na poziomie

tej warstwy zdefiniowane są również cechy fizyczne interfejsu sieciowego: cechy

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

Warstwa fizyczna przesyła dane dla wszystkich wyższych 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 umożliwia wykrywanie oraz korekcję

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

połączenia wielu węzłów sieci z wykorzystaniem jednego nośnika, do obowiązków

warstwy łącza danych należy 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 uzależniony jest od jakości łącza

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

Warstwa sieciowa

(network layer)- warstwa ta ma za zadanie umożliwienie

utworzenia drogi między stacją nadawczą, a odbiorczą oraz wybór

najkorzystniejszej z możliwych dróg transmisji (routing) i uniknięcie przeciążenia

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 złożone po dotarciu do stacji docelowej. Warstwa

sieciowa odpowiada także 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 umożliwia przesłanie informacji do stacji docelowej.

Dzięki tej warstwie wyższe 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 należy 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 wyższymi oferując im

ustalony interfejs, przez co wyższe 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 niższe warstwy.

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

wędrują

pakiety

danych

docierające

do

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 umożliwiające 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) umożliwiają cofnięcie dialogu i

kontynuowanie synchronicznej transmisji.

Głównym zadaniem tej warstwy jest sprawdzanie, kiedy użytkownik może

wysłać lub odebrać dane, zależnie od tego, czy dane można wysyłać i odbierać

jednocześnie, czy na przemian.

Warstwa prezentacji

(presentation layer)- warstwa ta ma za zadanie

przekształcenie różnorodnych sposobów reprezentacji danych, jakie spotykane są

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

by wymiana danych możliwa była między wszystkimi istniejącymi systemami

implementującymi model OSI. Warto podkreślić, że przekształcenie to dotyczy

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

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

konwersja i kompresja.

Warstwa aplikacji

(application layer) - jest to najwyższa warstwa omawianego

modelu. Oferuje ona całość usług komunikacyjnych procesom użytkowników.

Udostępniane w warstwie tej funkcje to: ustalenie protokołu transmisji,

nawiązywanie i zawieszanie połączenia, synchronizacja transmisji, autentykacja

połączeń, monitorowanie i zarządzanie połączonymi systemami oraz używanymi

przez zasobami.

Prace nad modelem OSI wciąż trwają. Dla pewnych warstw opracowano już

specjalne standardy dopasowane do wymogów modelu, natomiast standardy dla

pozostałych warstw są dopiero formułowane. Model OSI miał i wciąż 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 wyższych 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.

Niższa podwarstwa nosi nazwę MAC (Media Access Control) i

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

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

wyższych 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 również takich zagadnień, jak formaty, zarządzanie siecią,

oraz łączenie sieci.

802.2 - opisuje usługi warstwy LLC oraz pojęcia pierwotne używane 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 wyżej dokumentów, dwa mają zasadnicze znaczenie dla

dzisiejszych sieci lokalnych:

802.3

i

802.5

.

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

wyjaśniają zasady podstawowej metody dostępu

CSMA/CD

(omówionej dalej) do

sieci.

Grupa ta sformułowała również 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 również ważna, a to na skutek opublikowanej przez nią

definicji sposobu

przesyłania znaczników

w sieci o topologii pierścieniowej. Dziś

używa 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 można zestawiać na wiele

różnych sposobów, stosując różne topologie. Każda topologia może 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, że okablowanie odpowiada autostradzie, to

serwery i stacje robocze można porównać do startowych i docelowych punktów

podróży. Stacja robocza komunikuje się z serwerem wysyłając do niego żądanie,

które dociera do serwera „podróżując” przez kabel (autostradę). Wjeżdżając na

autostradę i opuszczając ją należy przestrzegać pewnych reguł: wjazdy służą 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, że 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 można podnieść słuchawkę i po prostu zacząć mówić, ale głosy na linii

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

założeniu przychylnego nastawienia wszystkich użytkowników wspólnej linii można

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 wdrożono w sieci

rozległej

ALOHA na Uniwersytecie Hawajskim w latach sześćdziesiątych.

Metoda Przekazywanie znacznika

Przekazywanie znacznika

- to deterministyczna metoda dostępu, gdyż węzeł (karta

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

znacznika. Znacznik podróżuje przez sieć zatrzymując się przy każdym 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, aż znacznik natrafi na stację, która chce coś wysłać do

sieci.

Powiedzmy, że 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 podróżuje 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 dużych systemach

komputerowych i sieciach minikomputerowych. Protokoły wykorzystywane

podczas odpytywania wymagają użycia „inteligentnego" urządzenia centralnego.

To urządzenie komunikuje się w określonej kolejności oddzielnie z każdą stacją

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

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

ma żadnych żądań 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

dużych systemów komputerowych i pracujących z komputerem centralnym.