Architektura warstwowa

Plan prezentacji



Klasyfikacja sieci



Komutacja łączy i wiadomości



Komutacja pakietów



Elementy architektury sieci komputerowej



Model warstwowy ISO OSI – założenia



Zasady współpracy jednostek warstw



Model protokołu w architekturze warstwowej



Przepływ danych w architekturze OSI



Standardy



Tryby wymiany informacji



Warstwy - funkcje

Klasyfikacja sieci

sieci komunikacyjne

sieci komutowane

sieci rozgłoszeniowe

(switching)

(broadcasting)

z komutacją łączy

z komutacją pakietów

(circuit switching)

(packet switching)

zorientowane połączeniowo

zorientowane bezpołączeniowo

(connection oriented)

(connectionless oriented)

- Ethernet,
- radiowe,
- satelitarne

- X.25,
- ATM,
- Frame Relay,
- MPLS

- IP

4

Louis Pouzin
<[e-mail]> 



Dear TC6 friends,

Network architecture is TC6 cup of tea. We started from there in 1972, 40 years ago. It's been already

more than five years that some pioneers tried to ring the bell of a research gap in network

architecture, practically frozen with OSI. Actually it's even worse as we live today with internet, which

is not OSI, and internet has been frozen earlier with TCP-IP. It was an experimental network at the time,

and it still is.

Why it is so is an interesting brainstorming topic, which I shall avoid opening here. The bottom line is:

Future Internet = extended obsolescence, unless we open up our vision to future inter-networking.

The massive adoption of proprietary systems such as Facebook, Google, Twitter, portends the decline

of internet relevance on the applications market; it ends up providing pipes and remote access to

centralized services, a traditional role for communications operators. We're back in the 1960s with

airlines, banks, railways networks, hooked to each others by ad hoc crutches. In addition the peer-to-

peer hunting organized by governments complacent to mummified industries is a sure path to crushing

networking innovations.

It's about time to revive network architecture research and experiments. Disseminating and teaching

new concepts would be a way to raise our head out of the box. We need future designers and

engineers, we don't need more temple guardians.

To be more specific, I would suggest taking inspiration from one example of innovative thinking

brought up by John Day, with the RINA model. See some links below.

Cheers, Louis (Pouzin)

Komutacja łączy i wiadomości



Komutacja łączy (circuit switching):



abonent nawiązuje połączenia względnie rzadko, a czas rozmowy

jest względnie długi,



wymiana informacji jest poprzedzona fazą zestawiania połączenia

(rezerwacja zasobów),



Komutacja wiadomości (message switching):



transmisję danych charakteryzują względnie długie sesje

składające się z krótkotrwałych okresów aktywności (bursty traffic),



w sieciach z komutacją wiadomości nie ma wcześniej zestawianych

połączeń,



ponieważ nie istnieje połączenie, to może się zdarzyć, że

wiadomość będzie przechowywana w węźle do chwili zwolnienia

się odpowiednich zasobów (zasada „zapamiętaj i wyślij” – store-

and-forward),



metoda „zapamiętaj i wyślij” wymaga, aby każda wiadomość

zawierała pełną informację identyfikacyjną.

Komutacja łączy



każdej sesji przydzielana jest stała ilość zasobów każdego

kanału transmisyjnego na całej trasie,



dedykowanie zasobów,



stała trasa,



wyczerpanie zasobów powoduje odrzucenie zgłoszenia,



zalety:



stałość opóźnienia,



gwarancja kolejności transmisji,



wady:



zasoby nie są wykorzystywane w czasie „milczenia” źródła,



nieefektywne wykorzystanie zasobów w przypadku dużej

zmienności intensywności źródła,



nieefektywne w przypadku krótkich wiadomości (czas

transmisji do czasu zestawiania łącza).

Komutacja wiadomości - przykład

- l – długość w

iadom

ości,

-



- intensyw

ność napływ

u w

iadom

ości,

- r – szybkość transm

isji (bity/sekundę),

- d – opóźnienie transm

isji (d=

l/r),

o aby d było odpow

iednio m

ałe, to r m

usi być odpow

iednio

duże,

o dla ruchu charakterystycznego dla transm

isji danych

(bursty traffi

c)

1



r



- stopień w

ykorzystania zasobów

jest niski,

- przykład:

o l =

1000 bajtów

(8000 bitów

),

o



=

1 w

iadom

ość na sekundę,

o d <

0.1 sekundy (w

ym

aganie),

o r >

8000/0.1 =

80000 (bitów

na sekundę),

o stopień w

ykorzystania zasobów

: 10%

Komutacja pakietów



Komutacja pakietów (packet switching):



zbliżona do komutacji wiadomości,



wiadomości generowane przez użytkowników (o długości

zmiennej oraz zależnej od aplikacji) są dzielone na bloki

informacji o standardowej długości (pakiety),



oprócz pełnej informacji identyfikacyjnej potrzebny jest

identyfikator położenia pakietu w wiadomości,



usługi sieci pakietowych: datagram (datagram) i połączenie

wirtualne (virtual circuit)



Zalety:



zmniejsza czas przetwarzania informacji w węzłach,



zmniejsza prawdopodobieństwo przekłamania informacji,



Wady:



konieczność segmentacji (segmentation) i odtwarzania

(reassembling) wiadomości.

Komutacja wiadomości i
komutacja pakietów

węzeł 1

węzeł 2

węzeł 3

węzeł 1

węzeł 2

węzeł 3

a) Komutacja wiadomości

a) Komutacja pakietów

czas

czas

opóźnienia

opóźnienia

zysk

Komutacja pakietów

Komutacja pakietów – datagram (datagram packet switching):

- trasy dla poszczególnych pakietów wybierane są niezależnie,

- różne pakiety mogą być przesyłane różnymi trasami,

- pakiety mogą dochodzić do ujścia w kolejności różnej od

kolejności nadawania,

- przykładem użycia tego trybu jest protokół IP (Internet)

Komutacja pakietów – połączenie wirtualne (virtual circuit packet

switching):

- wszystkie pakiety danej sesji są przekazywane tą samą trasą,

- trasa jest ustalana na początku sesji,

- pakiety są etykietowane identyfikatorem (numerem)

połączenia wirtualnego przypisanego do trasy,

- identyfikator połączenia musi być unikalny dla danego łącza,

ale może być różny w różnych łączach tej samej trasy,

- przykładem użycia tego trybu jest ATM (Asynchronous

Transfer Mode).

Optymalna długość pakietu I

ź r ó d ło

u j ś c ie

1 2 n - 1 n

.. .

p a k i e t m u s i b y ć w c a ł o ś c i o d e b r a n y p r z e d w y s ł a n i e m d o k o l e j n e g o w ę z ł a ,

- o p ó ź n ie n ie n p a k ie tó w p r z e k a z y w a n y c h p r z e z m p o łą c z o n y c h

s z e r e g o w o k a n a łó w tr a n s m is y jn y c h w y n o s i:

o k a ż d y p a k ie t z a w ie r a k b itó w d a n y c h i n a g łó w e k ( p o le

k o n tr o ln e , p o le s te r o w a n ia , a d r e s y , fl a g i, itd . ) o d łu g o ś c i

h ,

o c a łk o w ita d łu g o ś ć p a k ie tu – k + h ,

o tr a n s m is ji w ia d o m o ś c i o d łu g o ś c i l b itó w w y m a g a





k

l /

p a k ie tó w ,

o c z a s p o tr z e b n y n a tr a n s m is ję w ia d o m o ś c i p r z e z m

k a n a łó w ( s z y b k o ś ć tr a n s m is ji r ) :











 





r

h

k

m

k

l

d

)

1

(

Optymalna długość pakietu II











 





r

h

k

m

k

l

d

)

1

(

-

k ró tk ie p a k ie ty re d u k u ją o p ó ź n ie n ie „s z e re g o w a n ia ” ( p ip e lin in g

e ff e c t), a le z w ię k s z a ją o p ó ź n ie n ie tra n s m is ji z e w z g lę d u n a

d o d a tk o w e n a g łó w k i,

-

d łu g ie p a k ie ty z w ię k s z a ją o p ó ź n ie n ie „s z e re g o w a n ia ”, a le

re d u k u ją n a d m ia ro w o ś ć n a g łó w k ó w ,

-

o p ty m a ln a d łu g o ś ć p a k ie tu :

1





m

lh

k

opt

-

o p ty m a liz a c ja z a s a d n a w p rz y p a d k u s z y b k ic h s ie c i i d łu g ic h ,

w ie lo e le m e n to w y c h tra s a c h ( m u lti h o p ),

-

in n e p o d e jś c ie – o p ty m a liz a c ja d łu g o ś c i p a k ie tu m in im a liz u ją c a

p ra w d o p o d o b ie ń s tw o k o n ie c z n o ś c i re tra n s m is ji (im d łu ż s z y

p a k ie t, ty m w ię k s z e p ra w d o p o d o b ie ń s tw o w y s tą p ie n ia b łę d u ).

Wymagania stawiane architekturom
sieci



mechanizmy identyfikacji nadawców i odbiorców

(adresacja),



zasady transferu danych,



zarządzanie kanałami logicznymi: współdzielenie

zasobów pomiędzy współzawodniczące żądania,



strategie kontroli błędów – detekcja i korekcja,



protokoły poprawnej kolejności transferu jednostek

danych,



regulacja szybkości transferu – dopasowywanie

szybkości źródła do możliwości odbioru,



fragmentacja i odtwarzanie wiadomości,



strategie wyboru tras

Elementy architektury sieci
komputerowej

komunikacja

użytkowników

komunikacja

komputerów

podsystem

komunikacji

podsystem

komunikacji

aplikacja

aplikacja

sieć transmisji danych

komputer A

komputer B

Model warstwowy ISO OSI
- założenia



International Standard Organization Open Systems

Interconnection



modularność (wymienność i otwartość),



zagnieżdżanie usług,



tworzenie oddzielnej warstwy może mieć miejsce, gdy wymaga

tego poziom abstrakcji w prezentacji lub przekształcaniu

informacji,



każda warstwa winna realizować właściwie zdefiniowane funkcje,



funkcje realizowane przez poszczególne warstwy winny

uwzględniać powszechnie akceptowane standardy,



liczba warstw powinna minimalizować ilość informacji

przepływającej przez styki międzywarstwowe,



liczba warstw nie powinna być jednocześnie zbyt mała, by

wyraźnie różnych funkcji nie umieszczać w tej samej warstwie.

Zasady współpracy jednostek
warstw

N+1 - obiekt

N-1 - SAP

N - obiekt

N-1 - obiekt

N - SAP

N+1 - obiekt

N-1 - SAP

N - obiekt

N-1 - obiekt

N - SAP

N

-t

a

w

ar

st

w

a

(N

+1

)-

w

sz

a

w

ar

st

w

a

(N

-1

)-

w

sz

a

w

ar

st

w

a

protokół

N-tej

warstwy

punkty

dostępu do usług

N-tej warstwy

punkty

dostępu do usług

(N-1)-wszej warstwy

obiekty

N-tej warstwy

obiekty

(N-1)-wszej warstwy

obiekty

(N+1)-wszej warstwy

Protokół



protokół - „porozumienie” pomiędzy komunikującymi się obiektami

dotyczące zasad skutecznego zrealizowania komunikacji,



protokoły są podstawowymi elementami oprogramowania sieci,



oprogramowanie sieci jest wynikiem złożenia ogólnych koncepcji

warstw i inżynierii oprogramowania,



w każdej, danej warstwie realizowany jest niewielki zbiór dobrze

zdefiniowanych funkcji (usług) żądanych przez warstwy ponad

daną warstwą,



protokół danej warstwy jest zbiorem reguł i ustaleń wspierających

konwersację pomiędzy obiektami warstw,



komunikacja pomiędzy warstwami jest wirtualna - nie ma żadnej

(poza warstwą fizyczną) fizycznej komunikacji pomiędzy obiektami

zlokalizowanymi w warstwach,



złożenie warstw i odpowiednich protokołów warstw daje w efekcie

architekturą warstwową.

Model protokołu w architekturze
warstwowej

N+1 - obiekt

N - obiekt

SAP

N-tej warstwy

N+1 - obiekt

N - obiekt

N-ta

warstwa

(N+1)-wsza

warstwa

protokół

N-tej warstwy

żą

da

ni

e

(r

eq

ue

st

)

po

tw

ie

dz

en

ie

(c

on

f

rm

)

w

sk

az

an

ie

(i

nd

ic

at

e)

od

po

w

ie

dz

(

re

sp

on

se

)

prymitywy

protokół

(N+1)-wszej warstwy

Przepływ danych w architekturze
OSI

aplikacji

prezentacji

sesji

transportowa

sieciowa

łącza danych

fizyczna

aplikacji

prezentacji

sesji

transportowa

sieciowa

łącza danych

fizyczna

sieciowa

łącza danych

fizyczna

stacja końcowa
źródłowa

stacja końcowa
ujściowa

zo

ri

en

to

w

an

ie

n

a

ob

sł

ug

ę

uż

yt

ko

w

ni

ka

tr

an

sf

er

in

fo

rm

ac

ji

w

p

od

si

ec

i

ko

m

un

ik

ac

yj

ne

j

węzeł
pośredniczący

Modele ISO i TCP/IP

Łączenie w modelu TCP

FTP
client

TCP

IP

Ethernet
driver

FTP
server

TCP

IP

Token Ring
driver

FTP protocol

TCP protocol

IP

protocol

IP

protocol

IP

Ethernet
driver

Token Ring
driver

TR

protocol

Ethernet

protocol

router

Standardy

n aplikacji

m technologii komunikacyjnych

n x m standardów

Standardy

aplikacji

prezentacji

sesji

transportowa

sieciowa

łącza danych

fizyczna

standardy zależne

od aplikacji

(application dependent

standards)

standardy zależne

od medium

(medium dependent

standards)

standardy niezależne
od aplikacji i medium

(application and medium

independent standards)

Jednostki danych w warstwach

aplikacji

prezentacji

sesji

transportowa

sieciowa

łącza danych

fizyczna

wiadomość

PDU WP

PDU WS

segment

pakiet

ramka

blok

Enkapsulacja

dane

użytkownika

dane

użytkownika

nagłówek

aplikacji

dane aplikacji

nagłówek

TCP

dane aplikacji

nagłówek

TCP

nagłówek

IP

dane aplikacji

nagłówek

TCP

nagłówek

IP

nagłówek

Ethernet

segment TCP

datagram IP

ramka Ethernet (od 46 do 1500 bajtów)

APLIKACJA

ETHERNET

INTERNET

PROTOCOL

TRANSPORT

CONTROL

PROTOCOL

STEROWNIK

ETHERNET

Tryby wymiany informacji
– tryb połączeniowy

użytkownik A

użytkownik B

warstwa

N+1 N

N N+1

connect request

connect indication

connect response

connect confirmation

data request

data indication

data request
(data response)

data indication
(data confirmation)

data request

data indication

disconnect request

disconnect indication

disconnect response

disconnect confirmation

Tryby wymiany informacji
– tryb bezpołączeniowy

użytkownik A

użytkownik B

warstwa

N+1 N

N N+1

data request

data indication

użytkownik A

użytkownik B

warstwa

N+1 N

N N+1

data request

data indication

- bezpołączeniowy:

- bezpołączeniowy z powiadamianiem:

data confirmation



transparentna transmisja strumienia bitów poprzez
fizyczne (przewodowe lub bezprzewodowe) połączenie
elementów sieci (przeźroczystość dla inteligencji
zarządzania i protokołów warstw powyżej fizycznej),



transmisja punkt - punkt lub punkt – wielopunkt,



tryb transmisji: simpleks (simplex), półdupleks (half-
duplex) lub pełny dupleks (full-duplex) ,



transmisja szeregowa lub równoległa,



specyfikacja warstwy – charakterystyki: elektryczne,
mechaniczne, operacyjne i sygnalizacji.



specyfikacja DTE (Data Terminal Equipment) i DCE (Data
Circuit Terminating Equipment)

Warstwa fizyczna I

Warstwa fizyczna II



odpowiedzialność za transmisję bitów w kanale

transmisyjnym (randomizacja, równoważenie,

kodowanie transmisyjne),



opóźnienie propagacji:



przykłady:



system naziemny (d= 1000 km – 3,3 milisek),



system satelitarny (d=40000 km – 0,125 sek)



Ethernet (d = 1 km – 3 mikrosek.)



błędy transmisji:



utrata mocy z powodu tłumienia sygnału,



nakładanie się szumów,



model kanału transmisyjnego (model Shanona)

DTE i DCE

- ogólna konfiguracja systemu transmisji danych:

Data Circuit

Terminating

Equipment

Data

Terminal

Equipment

Data Circuit

Terminating

Equipment

Data

Terminal

Equipment

Data

Circuit

Tryby transmisji

- simplex

terminal A

terminal B

czas

- half-duplex

terminal A

terminal B

czas

- full-duplex

terminal A

terminal B

czas

Interfejsy X.21 i V.24

Frame Graund

Signal Graund

Send Data

Receive Data

Request for Sending

Connected for Sending

Data Set Ready

Connect Data Set to Line

Equipment Ready

Carrier Detect

Send Timing

Send Timing

Receive Timing

Call Indication

D

T

E

D

C

E

(

m

o

d

e

m

)

V.24

Transmit

Receive

Control

Indication

Element Timing

Byte Timing

Signal Ground

DTE Common Earth Return

D

T

E

D

C

E

X.21

Warstwa łącza danych



ramkowanie, detekcja błędów i korekcja błędów

(retransmisja),



zestawienie niezawodnego interfejsu (detekcja lub

korekcja błędów) protokołu poprzez warstwę

fizyczną,



wymiana ściśle zdefiniowanych jednostek danych

protokołu warstwy (ramek),



ograniczony zakres adresowy umożliwiający

multipleksację (zwielokrotnianie) na pojedynczym

interfejsie warstwy fizycznej,



możliwa implementacja funkcji sterowania

przepływem (np. spowalnianie przepływu).

Warstwa łącza danych – sieci
lokalne

802.2 Logical Link Control

8

0

2

.3

(E

th

e

rn

e

t)

8

0

2

.4

(T

o

ke

n

B

u

s)

8

0

2

.5

(T

o

ke

n

R

in

g

)

8

0

2

.6

(D

B

D

Q

)

8

0

2

.1

1

(W

L

A

N

)

...

...

warstwa
łącza
danych

warstwa
fizyczna

warstwa
sieciowa

warstwa
sieciowa

podwarstwa
sterowanie łączem
(Logical Link Control)

podwarstwa
dostępu do medium
(Medium Access Control)

podwarstwa
fizyczna
(Physical)

Warstwa łącza danych – inne
sieci

802.2 Logical Link Control

8

0

2

.3

(E

th

e

rn

e

t)

8

0

2

.4

(T

o

ke

n

B

u

s)

8

0

2

.4

(T

o

ke

n

R

in

g

)

8

0

2

.6

(D

B

D

Q

)

8

0

2

.1

1

(W

L

A

N

)

...

...

warstwa
łącza
danych

warstwa
fizyczna

warstwa
sieciowa

A

sy

n

ch

ro

n

o

u

s

Tr

a

n

sf

e

r M

o

d

e

(A

T

M

)

In

te

g

ra

te

d

S

e

rv

ic

e

s

D

ig

ita

l N

e

tw

o

rk

(I

S

D

N

)

Fr

a

m

e

R

e

la

y

(F

R

)

Warstwa sieciowa



niezawodne, zachowujące kolejność dostarczanie

jednostek danych pomiędzy obiektami warstwy

transportowej,



jednoznaczny system adresowania,



funkcje wyznaczania tras (routing) składające się z

aktywności kontrolnych (control) i przekazywania

(forwarding),



jednostka danych protokołów warstwy sieciowej to

pakiet,



możliwa (opcjonalnie) realizacja funkcji sterowania

dostępem, przepływem i kształtowaniem ruchu

oraz segmentacji i odtwarzania,

Warstwa transportowa



połączenie obiektów warstwy sesji,



segmentacja, odtwarzanie i multipleksacja ruchu

(sesji) w jednym połączeniu warstwy sieciowej,



odtwarzanie kolejności,



umożliwia obiektowi warstwy sesji żądania klasy

usług poprzez ich mapowanie w jedną z dostępnych

usług warstwy sieciowej,



sterowanie i zarządzanie przepływem (np.

przeciwdziałanie przeciążeniom),



często realizacja funkcji detekcji i korekcji błędów

(zwłaszcza wtedy, gdy protokół warstwy sieciowej

jest bezpołączeniowym).

Warstwa sesji



interfejs użytkownika do sieci, którego niektóre dane

są (mogą być) przekształcane w warstwie prezentacji,



realizacja wirtualnych połączeń typu koniec – koniec

(end-to-end) pomiędzy użytkownikami,



w niektórych przypadkach bezpośrednie łączenie

użytkowników aplikacji,



negocjacje wartości parametrów i wymiana informacji

o użytkownikach końcowych aplikacji,



inne funkcje: zarządzanie przepływem, zarządzanie

dialogiem, sterowanie kierunkami przepływu

informacji oraz wspomaganie transakcji, funkcje

taryfowania,

Warstwa prezentacji



decyduje o tym, jak dane prezentowane są

użytkownikowi,



rozwiązania oparte na standardach i/lub

fabrycznych,



zarządzanie urządzeniami zewnętrznymi,



przykładowe protokoły warstwy prezentacji,

to formaty wyświetlania obrazu i tekstu,



kody konwersji pomiędzy różnymi

programami,



implementacja kryptografii, kompresji,

Warstwa aplikacji



zarządzanie programami lub urządzeniami

generującymi dane (ruch w sieci),



funkcje warstwy są zależne od protokołów

obsługi urządzeń (equipment-dependent),



przykłady standardów protokołów aplikacji:



X.400,



X.500,



ODA (Office Document Architecture),



TP (Transaction Processing).

Architektura warstwowa – jakość
usług