Organizacja i architektura sieci komputerowej

Organizacja i architektura

sieci komputerowej

Podsumowanie

Topologie sieci

Adresowanie

Komunikacja między procesami

Multipleksacja statystyczna

Protokoły i architektura sieci

Parametry wydajności

Wstęp

• Sieć stanowi kluczowy składnik współczesnych

systemów obliczeniowych (computing systems).

• Rozważając system obliczeniowy jako zbiór

stacji roboczych i serwerów to sieć komputerowa

stanowi magistralę takiej konfiguracji.

• Głównym zadaniem sieci cyfrowych jest

współdzielenie zasobów komputerowych w

możliwie:

– najprostszy,
– najszybszy,
– najtańszy sposób.

Sieć komputerowa

• Sieć komputerowa to grupa komputerów stanowiących elementy

końcowe i urządzeń pośredniczących połączonych ze sobą w celu

wymiany danych lub współdzielenia zasobów.

• Sieć tworzy zespół urządzeń transmisyjnych:

– karta sieciowa,
– koncentrator, most, przełącznik, router, itp.,

połączonych ze sobą medium transmisyjnym:

– kablem koncentrycznym,
– skrętką UTP,
– światłowodem,
– radiowo

i sterowanych za pomocą oprogramowania w celu przesyłania

danych pomiędzy poszczególnymi komputerami wchodzącymi w

skład sieci.

Cel tworzenia sieci

• Sieć umożliwia efektywne wykorzystanie zasobów

sprzętowych i programowych będących w dyspozycji

rozproszonych użytkowników:

– współdzielenie zasobów logicznych:

• baz danych,
• programów zainstalowanych na innych komputerach,

– współdzielenie zasobów fizycznych:

• drukarek,
• ploterów,
• pamięci masowych, itp..

– Przesyłanie poczty elektronicznej.
– Dostęp do portali informacyjnych i społecznościowych.
– Przesyłanie informacji; tekstu, obrazu, dźwięku w postaci

cyfrowej na nieokreślone odległości.

Części składowe sieci

• Węzły:

– Host,
– Koncentrator (Hub),
– Most (Bridge),
– Przełącznik (Switch),
– Router.

• Łącza:

– kabel koncentryczny,
– światłowód,...

Odmiany topologii sieci

Topologie magistrali

• Połączenie Point-

to-Point

• Wszystkie

elementy sieci

podłączone do

jednej magistrali.

– Bus

• Zastosowania:

– Ethernet
– Token-Bus

Topologie pierścienia

• Topologie:

– pierścienia
– i podwójnego pierścienia.

• Zastosowania:

– Token-Ring
– FDDI

Topologia gwiazdy

• Komputery są

podłączone do

koncentratora lub

przełącznika,

– który tworzy fizyczną

topologię gwiazdy,

– ale logiczną magistralę.

• Zastosowania:

– Np. Ethernet

• Topologia gwiazdy i

gwiazdy rozszerzonej

jest podstawową

topologią LAN.

Topologia hierarchiczna

• W topologii drzewa

(hierarchicznej)
urządzenia aktywne
sterują dostępem
do sieci.

Topologia siatki

• Topologia siatki jest

typową dla sieci MAN

i WAN.

• Każdy z węzłów

połączony jest z

więcej niż jednym

urządzeniem.

• Zapewnienia to

redundancję połączeń

między

poszczególnymi

węzłami.

Topologie sieci komputerowej

• Segmenty LAN mogą

być połączone za

pomocą szkieletu, który

umożliwia komunikację

pomiędzy segmentami.

– Segmentacja pozawala

na lokalizację ruchu np.

wewnątrz firmy.

– Każdy segment LAN

podłączony jest do

szkieletu via most (bridge)

lub przełącznik (switch).

Topologie sieci komputerowej

• Podstawą konstrukcji

topologii rozszerzonej

gwiazdy jest topologia

gwiazd.

• Topologia ta stosowana

jest głównie w

przypadku

rozbudowanych sieci

lokalnych oraz sieci

WAN.

• Sieci LAN są

podłączone do sieci

WAN poprzez bramy

(gatway’e)

Sieci przełączane (komutowane)

– Dwa lub więcej

węzłów połączonych
nośnikiem

– Dwie lub więcej sieci

połączonych przez

dwa lub więcej

węzły

• Sieć można zdefiniować jako:

Topologia Internetu

Strategie przełączania (komutacji)

• Przełączanie Obwodów.

– Transmisja strumieni bitów.
– Circuit Switched Network (CSN) ustanawia w sieci połączenie, które

może być używane jedynie przez dwu korespondentów. PSTN jest

siecią CSN.

• Np. Sieć telefoniczna

• Przełączanie Pakietów,

– Przechowywanie i przekazywanie komunikatów.
– Packet Switched Network (PSN) dzieli wiadomość na pakiety, które są

opatrzone adresem odbiorcy.

– Pakiety te przesyłane są przez sieć wraz wieloma innymi i po przybyciu

na miejsce są lokalnie dystrybuowane.

• Np. zwykła poczta.

• Komunikacja w sieciach komputerowych i w Internecie oparta jest

na modelu, PSN.

– Zaletą PSN jest lepsze wykorzystanie kanału komunikacyjnego.

Adresowanie i routing

• Adres: łańcuch bajtów (string), który identyfikuje

określony węzeł.

– Zwykle w sposób jednoznaczny

• Routing: proces przekazywania komunikatu do

węzła odbiorczego na podstawie jego adresu

• Rodzaje adresów:

– unicast, unikalny dla danego węzła,
– broadcast, dotyczący wszystkich węzłów w

sieci,

– multicast, dotyczący wybranej grupy węzłów.

Multipleksacja

• Z podziałem czasu dostępu (Time-Division

Multiplexing TDM).

• Z podziałem częstości kanału (Frequency-

Division Multiplexing FDM).

Switch 1

Switch 2

Multipleksacja z Podziałem

Częstości Kanału

• Frequency-Division Multiplexing (FDM):

– np. multipleksacja stosowana w tradycyjnych głosowych

połączeniach telefonicznych, przydziały częstości dla stacji

radiowych.

• W przypadku sieci komputerowych FDM stosowana jest

w systemach telekomunikacyjnych opartych na

technologii WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Multipleksacja Statystyczna TDM

• Charakterystyka statystycznej TDM:

– multipleksacja TDM obsługiwać może sygnały

cyfrowe,

– multipleksacja TDM następuje na żądanie klienta,
– pakiety pochodzące z różnych źródeł są wymieszane

w łączu,

– konieczne jest buforowanie pakietów, które rywalizują

o dostęp do łącza.

• hot-potato-routing,

– możliwość wystąpienia przepełnienie bufora (kolejki)

nazywane jest zatorem (congestion)

Multipleksacja Statystyczna TDM

• Pakiety różnych użytkowników są buforowane w

kolejności zależnej do przyjętej polityki
kolejkowania.

– Np. FI-FO

…

bufor

Podział sieci komputerowych ze

względu na zasięg

• Local area networks (LAN).

– Sieci tego rodzaju łączą komputery i terminale zlokalizowane na

ograniczonym obszarze np. campusie uniwersyteckim, biurze

czy fabryce. Komputery połączone są zazwyczaj za pomocą

kabla lub światłowodu, którego długość określa rozmiary LAN.

• Metropolitan area networks (MAN).

– Sieci tego rodzaju łączą kilka sieci typu LAN rozłożonych w tym

samym mieście. Ten rodzaj sieci wykorzystuje szkielet

światłowodowy charakteryzujący się dużą prędkością transmisji.

• Wide area networks (WAN).

– Sieci tego rodzaju łączą komputery na dużych odległościach.

Zwykle wymagają wielu połączeń komunikacyjnych takich jak

mikrofalowe łącza radiowe i łącza satelitarne.

Komutowane sieci publiczne

• Sieci WAN często korzystają z komutowanych sieci

publicznych takich jak np. system telefoniczny

• Istnieją trzy rodzaje tego typu sieci:

– Public switched telephone network (PSTN). Czyli zwykły system

telefoniczny do transmisji głosu, cyfrowych sygnałów "voice-

like".

– Public switched data network (PSDN). System przeznaczony do

transmisji danych w postaci cyfrowej.

• Powstał on z sieci WAN, które wymagały większej szybkości

transmisji niż oferowana przez PSTN.

– Integrated Services Digital Network (ISDN) termin ten określa

wszystkie rodzaje sieci o transmisji cyfrowej, które mogą

przenosić równocześnie głos i dane komunikacyjne oraz oferuje

inne usługi teletekstowe.

Sieci MAN

• Sieci MAN przejmują obecnie niektóre z

ról spełnianych przez sieci WAN.

– Dzięki dużej szybkości transmisji stanowią

one szczególnego rodzaju środowisko dla
połączeń typu LAN – LAN.

– Np.

• FDDI oferuje szybkość transmisji 100Mb/s,
• Podczas gdy linia PSTN z szybkim modemem

jedynie 19.2Kb/s.

Warstwa Internetu

• Usługi Warstwy Internetu składają się z dwóch części :

– Schematu adresowania i translacji adresów warstwy 2 (Media

Access Control MAC) na adresy warstwy 3 (IP) i odwrotnie.

Prefiksy statycznych adresów przydzielane przez IEEE

http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt

– pakietowego modelu dostawy danych

• Odpowiada za to Protokół Internetu IP (dosłowne

znaczenie tej nazwy). Zapewnia on:

– Heterogeniczność - niezależność intersieci od architektury warstw

łącza danych i fizycznej.

– Skalowalność sieci

• Protokół IP jest protokołem bezpołączeniowym-

urządzenia kierujące ruchem pakietu w sieci mogą

samodzielnie ustalać trasę przejścia dla każdego pakietu.

Nie występują tu żadne potwierdzenia, sterowanie

strumieniem danych etc. Funkcje te wykonują protokoły

warstw wyższych jak TCP.

Protokół IP

• Najniższą warstwę Internetu stanowi

Internet Protocol (IP).

• Spełnia on funkcję podstawowego

mechanizmu obsługi danych i definiuje
dwie bardzo istotne elementy:

– budowę pakietów danych,
– tworzenia adresów hostów w Internecie.

Model usługi IP

• Protokół bezpołączeniowy

(datagram-based)

• Dostarczanie pakietów typu

Best-effort (unreliable service)

– Pakiety bywają tracone
– Pakiety nie są dostarczane w

kolejności

– Dostarczane są podwójne

kopie pakietów

– Pakiety mogą być opóźnione

• Format datagramu Internet

Protocol, RFC 791:

Version

HLen

TOS

Length

Ident

Flags

Offset

TTL

Protocol

Checksum

SourceAddr

DestinationAddr

Options (variable)

Pad

(variable)

Data

Schemat adresowania IP

• Adres IP zwykło się przedstawiać jako cztery liczby

dziesiętne (4x8=32) oddzielone kropkami np. 200.1.2.3,

reprezentującymi dziesiętne wartości każdego z czterech

bajtów.

• Adresy IP zawarte są w zakresie od 0.0.0.0 do

255.255.255.255, daje to w sumie około 4.3 miliarda

adresów.

• Adresy IP podzielone są na klasy, kilka pierwszych bitów

adresu wskazuje klasę, do której adres należy:

Klasa Prefiks Numer Sieci Numer Hosta

bity 0-7

bity 8-31

bity 1-15

bity 16-31

110

bity 2-24

bity 25-31

1110

N/A

1111

N/A

Schemat adresowania IP

• Adresy klasy D używane są do multicastingu adresy klasy E nie są

wykorzystywane.

• Klasowa struktura adresów powoduje nieefektywność przydziału

adresów (trzy różniące się od siebie rozmiary):

– dla dwu komputerów w klasie C 2/255=0.78%,
– dla 256 komputerów w klasie B jest jeszcze gorzej 256/65535=0.39%.

• Problem wyczerpywania się adresów dotyczy głównie klasy B.

1 1

Routing IP, a maska podsieci

• Obok przypisania do każdego węzła sieci adresu

IP konieczne jest również przypisanie

odpowiedniej Maski Sieci (Netmask).

– Określa ona, która część adresu jest numerem sieci,

a która numerem hosta (patrz klasy adresów IP).

• Tej partycji dokonuje się za pomocą logicznej

operacji AND przeprowadzonej na bitach adresu

IP i Maski Sieci. Wynik określa numer sieci:

– dla klasy C maska sieci

255.255.255.0,

– dla klasy B, Maska Sieci

255.255.0.0

– etc.

Pozaklasowe adresowanie klasy C

• Protokół bezklasowego trasowania między domenowego

(Classless Interdomain Routing CIDR ) [RFC 1517,

1518, 1519]:

• Aby bardziej efektywnie wykorzystać adresy IP w

Internecie wykorzystuje się adresy pozaklasowe.

– Dowolna liczba bitów na adres sieci,
– Maska sieci staje się wyjątkowo ważna, gdy stosuje się

adresowanie pozaklasowe.

– Maski podsieci pozwalają kompensować ogromne odstępy w

liczbie adresów pomiędzy klasami adresowymi. Dostosowując

długość adresów hosta i/lub sieci.

• Zapis adresu dla podejścia bezklasowego np:

192.9.205.22 /18

– IP/ liczbę bitów maski sieci.

• Możliwe agregowanie adresów sieci i hierarchiczne

określanie trasy (super sieci);

Programy i procesy.

Co je odróżnia?

• Program stanowi statyczną jednostkę np.

uporządkowany zbiór lub sekwencję:

– instrukcji,
– definicji.

• Program jest przechowywany:

– na dysku,
– na kawałku papieru albo w czyjejś głowie.

• Program ma zwykle formę tekstu „English-like”, może to

być także zapis binarny lub coś pośredniego jak kod

assemblerowy

• Gdy program zostanie wprowadzony (skopiowany) do

pamięci komputera (procesora) i gdy rozpocznie się jego

wykonywanie staje się on programem działającym

(running program) albo procesem.

Hosty i aplikacje

• Gdy przez Internet komunikują się ze sobą takie

aplikacje, jak np. serwery FTP i przeglądarki
WWW nie mają one dostępu do pakietów IP,
które są wysyłane do hostów, a nie do aplikacji.

– Jeśli na danym hoście funkcjonuje kilka aplikacji

sieciowych, nie ma na tym poziomie możliwości
jednoznacznej ich identyfikacji,

– Nie jest wiadomo czy dany pakiet IP jest kierowany

do serwera WWW czy FTP.

Identyfikacja procesów

• Bezpośrednia identyfikacja procesów.

– Procesy mogą identyfikować się wzajemnie w sposób

bezpośredni za pomocą identyfikatora procesu (process

identifier - pid), przydzielonego przez system operacyjny.

• Rozwiązanie takie nożna zastosować jedynie w przypadku gdy

jeden system operacyjny jest uruchomiony na wszystkich

komputerach.

• Pośrednia identyfikacja procesów.

– Procesy identyfikują się wzajemnie za pomocą abstrakcyjnego

wskaźnika - portu (port lub mail box).

• Port stanowi etap pośredni w komunikacji.
• Proces nadawczy przekazuje komunikat do portu a proces

odbiorczy odbiera stamtąd tenże komunikat.

Porty i procesy c.d.

• IETF (Internet Engineering Task Force) przypisało

niektórym najczęściej stosowanym aplikacjom stałe

numery portów z przedziału: 0-255 mają one

zastosowanie publiczne np. :

•

• Innym aplikacjom przydziela się po prostu dostępny

numer portu.

Port

Protokół

Zadanie

20+21 FTP

Transmisja danych

TELNET

Wiersz poleceń zdalnego hosta

SMTP

Nadawanie przesyłek e-mailowych

DNS

Odwzorowywanie nazw domen na adresy IP

GOPHER Usługa wyszukiwawcza dla Archive

HTTP

World Wide Web

110

POP3

Pobieranie przesyłek e-mailowych

119

NNTP

Usenet

161

SNMP

Zdalne administrowanie urządzeniami sieciowym

194

IRC

Internet Chat

Porty i procesy c.d.

• Numery portów z przedziału: 255-1024

wykorzystanie komercyjne:

– 517 Talk w UNIX
– 666

DOOM

• Numery portów powyżej, 1023 brak uregulowań

– 27000 QuakeWorld; Internetowa wersja Quake'a

• Assigned Numbers: RFC 1700

– Dokument ten zawiera między innymi numery portów

przypisane dobrze znanym usługom.

Nagłówek demultipleksera

•

Nagłówek protokołu końcowego realizujący funkcje demultipleksacji

zawiera porty źródła i odbiorcy.

•

Port jest pojęciem abstrakcyjnym. Jego implementacja jest zależna od

systemu operacyjnego.

•

Proces w określonym komputerze jest identyfikowany przez parę

port, komputer

– Para ta jest kluczem procesy demultipleksacji dla UDP.

•

Pola portów w nagłówku UDP mają długość 16 bitów, co umożliwia
obsługę 64

⋅

103 portów.

Port Nadawcy

Port Odbiorcy

Suma kontrolna

Długość

Dane

Jak działa UDP?

• UDP dołącza komunikat skierowany do

określonego portu do kolejki

• Brak jest sterowania przepływem
• Gdy kolejka jest przepełniona komunikat jest po

prostu odrzucany

• Proces aplikacji odbiera komunikaty z początku

kolejki (1st.in-1st.out) i po kolei usuwa je z

kolejki

• Jeżeli kolejka jest pusta proces jest

zablokowany do momentu nadejścia następnego

komunikatu.

TCP - niezawodny strumień danych

• TCP protokół sterowania transmisją jest najszerzej znanym

protokołem transportowym oferującym połączeniową usługę

niezawodnego strumienia danych.

– Usługa ta uwalnia aplikacje od konieczności samodzielnego nadzoru

nad transmisją danych.

• Charakterystyka TCP:

– Protokół połączeniowy (Connection-oriented)
– TCP jest protokołem znakowym - strumień bajtów (Byte-stream)

• Aplikacja nadawcy wypisuje bajty
• Protokół TCP przesyła segmenty
• Aplikacja odbiorcy odczytuje bajty

– Komunikacja dupleksowa
– Sterowanie przepływem: protokół nie pozwala nadawcy na przeciążanie

możliwości odbiorcy – algorytm przesuwnwgo okna.

– Kontrola zatorów: protokół nie pozwala nadawcy na przeciążanie sieci

Sposób zarządzania strumieniem

bajtów

•

TCP w komputerze nadawczym

– buforuje pewną liczbę bajtów

generowanych przez proces

nadawczy, aby wypełnić pakiet

o ustalonym (dla danej

aplikacji) rozmiarze, a

następnie przesłać ten pakiet

do procesu odbiorczego.

•

TCP w komputerze odbiorczym

– pobiera zawartość pakietu do

bufora odbiorczego, a proces

odbierający w dogodnym

czasie ją odczytuje.

•

Wyzwalanie transmisji

segmentu następuje:

– na życzenie procesu

nadawczego

– z uwzględnieniem wartości

zmiennej progowej

– za pomocą zegara

Process aplikacji

Pisanie
bajtów

TCP

Bufor nadawcy

Segment

TRansmisja segmentów

Process aplikacji

Czytanie
bajtów

TCP

Bufor odbiorcy

…

Format nagłówka segmentu TCP

Opcje (zmienne)

Dane

Suma kontrolna

Por nadawcy

Port odbiorcy

HdrLen

Flagi

Wskaźnik pilnych danych

Zalecane okno

Numer sekwencyjny

Potwierdzenie

Multipeksacja i demultipleksacja

• Multipleksacja.

– Połączenie wyróżnionych kanałów komunikacyjnych w

pojedynczy kanał na niższym poziomie.

• Na przykład, oddzielne kanały TCP i UDP są poddane multipleksacji

do jednego kanału IP między węzłami sieci.

• Demultipleksacja.

– Operacja odwrotna do multipleksacji.

• Na podstawie informacji zawartej w nagłówku pakietu jest on

kierowany w górę w stosie protokołów.

• Na przykład , IP wykorzystuje zawartość pola Protokół w nagłówku

do skierowania pakietu do jednego z protokołów warstwy

transportowej TCP lub UDP,

• a te protokoły korzystając z numeru portu kierują segment do

właściwego procesu aplikacji.

LP1

LP2

LP3

ZP1

ZP2

ZP3

Komunikacja pomiędzy procesami

• Problem zamiany połączenia

host-to-host na połączenie

komunikacyjne process-to-

process.

• Procesy na poziomie aplikacji

porozumiewają się poprzez

kanał logiczny, który najczęściej

jest realizowany przez sieć

komutowaną łączącą komputery

na których te procesy są

uruchomione.

• Jedna aplikacja umieszcza dane

w kanale komunikacyjnym,

oczekując, że zastaną one

dostarczone przez sieć do

aplikacji działającej po drugiej

stronie kanału.

Host

Aplikacja

Host

Aplikacja

Host

Kanał logiczny

Funkcje kanału komunikacyjnego

• Niezawodność dostarczenia komunikatu.
• Dostarczanie komunikatów w tej samej

kolejności w jakiej zostały nadane.

• Uniemożliwić podsłuchiwanie kanału poprzez

procesy postronne, etc.

• Istnieją różne odmiany kanałów

komunikacyjnych, najczęściej spotykane to:

– żądanie – odpowiedź,
– strumień komunikatów.

Niezawodność, a błędy

występujące w sieci

• Rodzaje błędów:

– Błędy na poziomie bitów:

• zakłócenia elektryczne, kablu miedzianym 1/10

– 1/10

• 1/10

– 1/10

w światłowodzie.

– Błędy na poziomie pakietów

• przeciążenia buforów komutatorów,
• awarie łączy i węzłów.

• Skutki:

– opóźnienie komunikatów,
– dostarczanie komunikatów w zmienionej kolejności,
– uszkodzenie zawartości komunikatu.

Parametry określające wydajność sieci

• Pasmo-przepustowość (bandwidth, throughput)

– Szerokość pasma lub przepustowość – liczba bitów, które mogą być

przesłane przez łącze w jednostce czasu, np. 10Mb/s, (10Mbps).

• Notacja:

– KB = 2

bajtów.

– Kb = 10

bitów.

• Bity przesyłane w paśmie o danej szerokości mają różny czas

trwania:

1Mb/s -> 1

2Mb/s -> 0.5

Parametry określające wydajność sieci

• Opóźnienie (Latency, delay) - dotyczy czasu w którym pojedynczy

bit przemieszcza się z jednego końca kanału komunikacyjnego na

drugi.

• Mierzymy je w sekundach.

– One-Way Time,
– Round-Trip Time (RTT)

• Definicja:

Opóźnienie = Propagacja + Transmisja + Kolejkowanie

gdzie:

– Propagacja = odległość/v, gdzie v = (3.0 – 2.3) ·10

m/s.

– Transmisja = czas potrzebny do transmisji przyjętej jednostki danych

datagramu.

• Opóźnienie transm. = rozmiar datagramu/szerokość pasma.

– Opóźnienie wynikające z kolejkowania datagramów przez komutatory w

sieci.

Produkt Opóźnienie

Pasmo

• Ilość danych „w locie” lub “in the pipe”

– Przykład: 100ms x 45Mb/s = 560KB

• Wielkość ta odpowiada liczbie bitów, które wyśle

nadajnik zanim pierwszy z bitów dotrze do odbiornika.

• Wielkość ta jest szczególnie istotna w przypadku gdy

nadajnik oczekuje na sygnał z odbiornika lub gdy

odbiornik nakazuje nadajnikowi wstrzymanie nadawania.

Pasmo, Bandwidth

Opóźnienie, Delay

Opóźnienia w funkcji RTT

• Szerokość pasma i

opóźnienie określają

charakterystykę

efektywności danego

łącza.

• w przypadku:

– dużej odległości, opóźnienie

dominuje nad szerokością

pasma.

• Wykres przedstawia

opóźnienia w funkcji RTT

dla różnych rozmiarów

datagramu i szerokości

pasma łącza.

Opóźnienie niezależne od RTT

Dominacja RTT

Architektura sieci

• Korzystając z abstrakcji warstw można prościej

przedstawić złożony proces transmisji sieciowej.

– Tworzenie abstrakcji w sposób naturalny prowadzi do

uwarstwienia.

– Każdej warstwie odpowiada inne pojęcie abstrakcyjne.

• Każda z warstw świadczy usługi na rzecz innej,

idąc w górę usługi te mają coraz bardziej

abstrakcyjny charakter.

Program aplikacji

Kanały między procesami

Łączność między komputerami

Sprzęt

Architektura sieci

• Należy pamiętać, że obraz liniowej sekwencji

warstw stanowi pewne uproszczenie.

• Często na danym poziomie systemu istnieje

wiele abstrakcji świadczących odmienne usługi

w oparciu o tę samą abstrakcję niższego

poziomu,

– np. dwa typy kanałów itp..

Kanał

Żądanie/Odp.

Kanał

Potoku bajtów

Program aplikacji

Sprzęt

Połączenie Host-to-host

Model OSI

• Protokoły realizujące funkcje sieciowe na rozmaitych poziomach

abstrakcji – w rozmaitych warstwach można zaprezentować za

pomocą Modelu Współpracy Systemów Otwartych OSI (Open

Systems Interconnection).

• Model OSI:

– jest funkcjonalnym modelem opisującym sposób w jaki informacja jest

przekazywana poprzez sieć z aplikacji działającej na jednym

komputerze do aplikacji uruchomionej na innym komputerze.

– dzieli całość zadań związanych z przekazywaniem informacji pomiędzy

połączonymi siecią komputerami na siedem mniejszych, a tym samym

łatwiejszych do wykonania grup.

– został opracowany przez International Organization for Standardization

(ISO) in 1984, i stanowi obecnie podstawowy model komunikacji

międzykomputerowej.

Charakterystyka warstw modelu

OSI

• Każde zadanie lub grupa zadań

jest przypisana jednej warstwie

modelu OSI.

• Każda z warstw stanowi

samodzielną jednostkę, a

przypisane jej wybrane funkcje

sieci mogą być realizowane

niezależnie.

• Taka struktura sprawia

wprowadzanie modyfikacji

rozwiązań dotyczących jednej z

warstw bez konieczności

modyfikowania pozostałych

warstw modelu.

Warstwa aplikacji

Warstwa prezentacji

Warstwa sesji

Warstwa transportowa

Warstwa

sieciowa

Warstwa

łącza danych

Warstwa fizyczna

Aplikacja

Transport

danych

Warstwy górne i dolne modelu OSI

• Warstwy górne mają do czynienia z aplikacjami i zwykle są

implementowane jedynie programowo.

– Najwyższa warstwa aplikacji znajduje się najbliżej użytkownika systemu.
– Zarówno użytkownik jak i procesy warstwy aplikacji oddziałują z

oprogramowaniem aplikacji, które zawiera składnik komunikacyjny np.

przeglądarka, klient FTP etc.

• Warstwy niższe modelu OSI zajmują się problemami transportu

danych.

– Warstwa fizyczna i warstwa łącza danych są implementowane zarówno

sprzętowo jak też programowo.

– Najniższa warstwa fizyczna znajduje się najbliżej nośnika sieciowego

(np. okablowania) i jest odpowiedzialna za umieszczanie informacji w

nośniku.

• Należy pamiętać, że określenie warstwy wyższe odnosi się również

do każdej z warstw znajdującej się powyżej danej warstwy w

modelu OSI.

Protokoły komunikacyjne

• Protokoły komunikacyjne stanowią

elementy składowe architektury sieci.

– Są to obiekty abstrakcyjne, działające w

poszczególnych warstwach modelu systemu

sieciowego.

• Protokół definiuje usługę komunikacyjną,

wraz z regułami rządzącymi

komunikatami, które wymienia ze swym

odpowiednikiem, aby implementować

dana usługę.

• Z wyjątkiem poziomu

sprzętowego, na którym stacje

protokoły komunikują się ze

sobą bezpośrednio,

komunikacja między

pozostałymi stacjami jest

pośrednia - poprzez protokoły

niższych rzędów.

• Każdy protokół posiada dwa

różne interfejsy:

– service interface, są to

operacje wykonywane przez

protokół,

– peer-to-peer interface, są to

komunikaty wymieniane z

protokołem równorzędnym

działającym na drugim krańcu

kanału komunikacyjnego.

Proces enkapsulacji

• W procesie

komunikacji każda

warstwa modelu OSI

po stronie nadawcy

dołącza do PDU

odpowiednią

informację.

• Natomiast kolejne

warstwy systemy

adresata usuwają te

sterujące procesem

informacje z PDU

Porównanie modeli

referencyjnych OSI i TCP/IP

Nazwa warstwy

modelu OSI

Numer

warstwy OSI

Nazwa warstwy

modelu TCP/IP

Aplikacji

Prezentacji

Sesji

Transportu

Sieci

Łącza danych

Fizyczna

Procesu/Aplikacji

Host-z-Hostem

Internetu

Technologia

Dostępu do sieci

Adresowanie, routowanie,

multipleksacja

• Funkcje spełniane w tym

celu przez TCP(UDP)/IP:

– Adresowanie - adresy IP

jednoznacznie identyfikują

komputer w Internecie,

• pozwalają na doręczenie

danych do właściwego hosta.

– Rutowanie - gateway'e

dostarczają dane do

właściwej sieci.

– Multipleksacja – łączenie

kanałów komunikacyjnych

dla poszczególnych

procesów we wspólny

kanał datagramowy

obsługiwany przez protokół

IP.

Urządzenia i protokoły w modelu OSI

Like Morse

Code

Cables,

Connectors,

NIC Cards

Hubs,

Repeaters

Bits

Physical

MAC

address

BIA address,

Flow Control

FR, TR, ATM,

FDDI, Ethernet,

SDLC, ISDN,

SNA

Bridges,

Switches

Frame

Data Link

Routed or

routing

protocols

Logical

Addressing,

Best path

IP IPX

Routers,

PCs

Packet

Network

Reliable or

unreliable

Windowing,

Buffering

TCP UDP

Segment

Transport

Negotiate a

session set

Establish,

manage and

terminate

sessions

NFS SQL

NetBios RPC

Session

Standardize

d format

Syntax,

Compression,

Formatting

.doc .xls .midi
.ppt .jpg .bmp

.gif .mp3 .ascii

.ebcdic

Presentation

Ideas,

Thoughts

Checks

availability

with comm.

partner

Pictures, Writing,

Sound

Software

PCs

Raw Data

Application

NOTES

PROTOCOLS

DEVICES

ENCAPS /

PDU

NAME

NO.

Warstwa

Funkcja

Protokoły

Składnik

i sieci

Aplikacji
Interfejs
użytkownika

•

obsługuje aplikacje przeznaczona do pracy

sieciowej

•

udostępnia aplikacji usługi sieciowe

•

umożliwia dostęp do sieci, steruje

przepływem oraz detekcja i korekcja
błędów

•

przykładowe aplikacje to: przesyłanie

plików, e-mail, aplikacje korzystające z
NetBIOS etc.

DNS,FTP,TF
TP,
SNMP,
SMTP,FING
ER,
TELNET,SM
B

Host,
Serwer

Prezentacji

Translacja

•

tłumaczy formaty aplikacji na formaty

sieciowe i odwrotnie

•

różnorodne formaty źródłowych aplikacji

są zamieniane na standardowy format
rozumiany przez pozostałe warstwy
modelu OSI

•

odpowiedzialna za konwersje protokołów,

znaków, szyfrowanie/deszyfrowanie,
obsługę formatów graficznych, kompresja
danych

•

ustanawia standardy dla różnych systemów

umożliwiając jednolity schemat
komunikacji dla różnych stosów
protokołów

•

nie zawsze implementowany w

protokołach sieciowych

XDR, ASN-1

Host,
Serwer

Warstwa

Funkcja

Protokoły

Składnik

i sieci

Sesji

Synchronizacja i
sesja

•

ustanawia, utrzymuje i kończy sesje

sieciową

•

odpowiedzialna za identyfikację

(rozpoznawanie nazw) uczestników sesji

•

Dostarcza usług synchronizacji

umieszczając w punkty kontrolne w
strumieniu danych, gdy sesja pada jedynie
dane znajdujące za ostatnim punktem
kontrolnym musza być retransmitowane.

•

Zarządza kto i jak długo może

transmitować dane w określonym czasie.

•

Przykłady: Interaktywne logowanie,

połączenie przy transmisji plików,
nawiązywanie i ponowne nawiązywanie
połączenia, rozpoznawanie i rejestracja
nazw podczas sesji

NetBIOS
Named
Pipes***,
Mail slots**,
RPC

Host,
Serwer,
Gatway

Transportu

Segmenty,
Obsługa błędów,
Sterowanie
przepływem

•

Zapewnia dodatkowe połączenie poniżej

warstwy sesji

•

Steruje przepływem danych poprzez sieć

•

Dzieli strumień danych na fragmenty lub

segmenty i składa je ponownie w
komunikaty

•

Dobrą analogią jest „pociąg” dane sa

dzielone na podobne jednostki

•

Dostarcza mechanizmu kontroli błędów,

gwarantuje dostarczanie komunikatów, bez
strat i duplikatów

•

Dostarcza potwierdzenia skutecznej

transmisji lub żąda retransmisji pakietów

TCP, UDP,
SPX,
NetBIOS
NetBEUI
ATP
(AppleTalk
Transaction
Protocol),

Host,
Serwer
Gatway

Warstwa

Funkcja

Protokoły

Składnik

i sieci

Sieciowa

Adresowanie
routing

•

Dokonuje translacji logicznych adresów

sieciowych i nazw na ich odpowiedniki
fizyczne (Nazwa komp.

→

MAC)

•

Odpowiedzialna za:

Adresowanie
Wybór trasy

•

Zarządzanie problemami sieci jak

przełączanie pakietów, zatory etc.

•

Fragmentacja pakietów stosownie do MTU

technologii sieciowej i ponowne ich
składanie

•

Zaopatrywanie pakietu w odpowiedni

adres. Analogia z tablicami miejsc
przeznaczenia na poszczególnych
wagonach

ARP, RARP,

IP, ICMP,
IGMP*,

RIP, OSFP,
BGP,

IPX
NetBEUI

Router
Frame
Relay
Device,
ATM
Switch,

Warstwa

Funkcja

Protokoły

Składnik

i sieci

Łącza danych

Ramki i bity

•

Oprawia pakiety w ramki opatrując je

adresem fizycznym

•

Zamienia ramki na ciągi bitów i przekazuje

je do warstwy fizycznej i vice versa

•

Odpowiada za bezbłędna transmisję ramek

poprzez warstwę fizyczną do innego
komputera

•

Definiuje metody transmisji i odbioru

danych sieciowych

•

Korekcja błędów i sterowanie strumieniem,

zarządzanie połączeniem

•

Definiowanie ASP

LLC
MAC

802.1 OSI
802.2 LLC

Mosty
Przełącz-
niki w.2
Inteligen-
tne huby,
NIC

Fizyczna

Sprzęt,
Strumienie bitów

•

Transmituje strumienie bitów poprzez

fizyczne medium

•

Definiuje kable, karty i inne fizyczne

aspekty sieci

•

Definiuje połączenie NIC do kabla

•

Definiuje techniki transmisji bitów w

nośniku

IEEE 802
IEEE 802.2
ISO 2110
ISDN

Wzmac-
niak,
Koncen-
trator,
Medium

*IGMP Internet Group Management Protocol - służy do zarządzania grupami multicastowymi w sieciach opartych na
protokole IP.

**A MailSlot is a type of interprocess communication that allows communication between processes both locally and over a
network. The use of MailSlots is generally simpler than named pipes or sockets, but they are more limited.

***Named pipe is one of the methods of inter-process communication. MacOS calls it a socket, which should not be confused
with a TCP socket. The concept is also found in Microsoft Windows, although the semantics differ substantially. A traditional
pipe is "unnamed" because it exists anonymously and persists only for as long as the process is running. A named pipe is
system-persistent and exists beyond the life of the process and must be deleted once it is no longer being used.

Interfejs usługi i interfejs stacji

protokołu

Host 1

Protokół

Host 2

Protokół

Obiekt wyższego

poziomu

Interfejs usługi

Interfejs stacji

protokołu peer-to-peer

Obiekt wyższego

poziomu

Termin „protokół”

• Termin “protokół” może być interpretowany na dwa różne sposoby:

– jako specyfikacja interfejsu usługi lub peer-to-peer,
– jako moduł, który stanowi implementacje tych interfejsów.

• W celu rozróżnienia pomiędzy interfejsami, a modułem je

implementującym odwołujemy się do tych pierwszych jako do

specyfikacji protokołu.

– Specyfikacje są ogólnie rzecz biorąc wyrażone za pomocą kombinacji

tekstu i pseudokodu, diagramów przejść stanów, rysunków formatów

datagramów etc.

• Może się zdarzyć, że dany protokół będzie implementowany na

różne sposoby, pod warunkiem, że stosują się one do specyfikacji.

– Obie implementacje powinny skutecznie wymieniać pomiędzy sobą

komunikaty.

– Te zagadnienia podlegają normalizacji przez ISO i IETF.

Graf protokołu

• W danej warstwie modelu

może istnieć wiele

różnych protokołów, z

których każdy świadczy

inną usługę

komunikacyjną.

• Z tego powodu wygodnie

jest przedstawić zestaw

protokołów tworzących

system sieciowy za

pomocą grafu protokołów.

– Węzły grafu przedstawiają

protokoły

– Krawędzie przedstawiają

relację

File

application

Digital

library

application

Video

application

RRP

MSP

HHP

Host 1

File

application

Digital

library

application

Video

application

RRP

MSP

HHP

Host 2

Graf protokołu

File

application

Digital

library

application

Video

application

RRP

MSP

HHP

Host 1

File

application

Digital

library

application

Video

application

RRP

MSP

HHP

Host 2

• Typy protokołów:

– RRP- protokół żądanie-

odpowiedź (Request-Replay
Protocol)

– MSP – protokół strumienia

komunikatów (Message
Streem Protocol)

– HHP- protokół między

komputerami (Host-to-Host
Protocol)

Mechanizm działania stosu

protokołów

•

Kapsułkowanie

(Encapsulation)

– Nagłówek / dane

(header/body)

– Nagłówek dołączany

do komunikatu przez
protokół zawiera
identyfikator aplikacji
do której należy dany
komunikat (klucz
demultipleksacji).

RRP

Data

HHP

Application

program

Application

program

Host 1

Host 2

Data

RRP

Data

HHP

Data

RRP

Data

HHP

Realizacja multipleksacji i

demultipleksacji

• Idea komutacji pakietów

polega na umieszczaniu

wielu przepływów danych na

jednym łączu fizycznym.

– Podobna idea stosowana

jest w przypadku wędrówki

datagramów w górę i w dół

stosu protokołów.

• Protokół RRP realizuje

logiczny kanał

komunikacyjny, zawierający

komunikaty dwóch aplikacji

multipleksowanych w

komputerze nadawczym i

demultipleksowanych do

właściwej aplikacji w

komputerze odbiorczym.

File

application

Digital

library

application

Video

application

RRP

MSP

HHP

Host 1

File

application

Digital

library

application

Video

application

RRP

MSP

HHP

Host 2

Usługi sieciowe

Systemu Operacyjnego

• O.S. dostarcza jednolity zestaw usług

świadczonych przez maszynę(/y)

• W przypadku pojedynczego komputera

– wszystkie usługi są świadczone lokalnie

w przypadku sieci komputerowej

– część usług ma charakter lokalny inne zaś są

świadczone przez inne maszyny wchodzące w skład

sieci.

• O.S. dostarcza użytkownikowi takiej samej

wirtualnej maszyny niezależnie od konkretnego

zestawu sprzętu na którym O.S. jest

zainstalowany.

Sys tem operacyjny Windows NT 4.0

Server

Windows NT 4.0

Workstation

Windows

2000 Server

Windows 2000

Profess ional

NetWare 5.1 Lantas tic

8.0

Linux

Producent

Microsoft, USA Microsoft, USA

Microsoft,

USA

Microsoft, USA Novell, USA

Artisoft,

USA

Protokoły sieciowe i usługi

NetBIOS / NetBEUI /

IPX/SPX / TCP/IP

+/+/+/+

-/-/+/+

+/+/+/+

Router IPX/SPX

Router TCP/IP

Serwer usług

DHCP/

DNS

+/+

-/-

+/+

-/-

+/+

-/-

+/+

Udostępniane serwery w sieci lokalnej

Serwer plikowy

(dedykowany)

Serwer wydruku

Serwer aplikacji

Stacje robocze

DOS/Windows/Linux/Ma

cOS

-/+/-/-

+/+/-/+

+/+/-/-

-/+/+/-

Ładowanie systemu z

sieci

Centralne zarządzanie

stacjami

+ 1)

Zarządzanie zasobami

Serwer usług

katalogowych

LDAP

Active