SIECI KOMPUTEROWE

Doc. Dr inż. Jarosław Szymańda

Podstawy architektury logicznej

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Podstawy architektury 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:

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Podstawy architektury logicznej

•

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

pierwszy zestaw protokołów oraz

formaty i mechanizmy wymiany komunikatów w sieci.

Doc. Dr in

ż

. 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 różnych syste-
mów było bardzo uciążliwe, często wręcz
niemożliwe.

• nie były jeszcze znane urządzenia sieciowe zwane

bramkami (gateway).

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Podstawy modelu ISO

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.

Doc. Dr in

ż

. 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.

Każda ze wspomnianych warstw funkcjonuje jako
moduł. Teoretycznie istnieje możliwość podmie-
nienia dowolnej warstwy, nie wpływając na
działanie pozostałych.

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Model ISO – SIEDEM (7) WARSTW

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Model ISO – 1. WARSTWA FIZYCZNA

Warstwa fizyczna (physical layer)

–

umożliwia 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 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

(pracują tutaj karty sieciowe !!!)

Doc. Dr in

ż

. 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
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 odróżnieniu 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

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Model ISO – 3. WARSTWA SIECIOWA

Warstwa sieciowa (network layer)-

W

arstwa 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.

D

zięki tej warstwie,wyższe warstwy nie muszą posiadać

wiedzy na temat wykorzystywanych technologii

przesyłania danych.

Doc. Dr in

ż

. 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

ż

. 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 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 synchro-
nicznej 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

.

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Model ISO – 6. WARSTWA PREZENTACJI

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 implemen-
tującymi 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

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Model ISO – 7. WARSTWA APLIKACJI

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

.

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Model ISO – przesyłanie danych

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Model ISO – otwarta architektura

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.

Doc. Dr in

ż

. 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

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Projekt 802 – podział warstwy łącza

• Niższa podwarstwa nosi nazwę

MAC (Media

Access Control)

i zapewnia wspólny dostęp

do

fizycznej warstwy sieci

.

Wyższa

podwarstwa nazywa się

LLC (Logical Link

Control)

i zapewnia usługi dotyczące łącz

danych dla wyższych poziomów modelu OSI

Doc. Dr in

ż

. 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
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.

Doc. Dr in

ż

. 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

ż

. 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

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Komitet 802

4/4

• Wśród wymienionych wyżej 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

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Metody dostępu do sieci

• 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.

Doc. Dr in

ż

. 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, 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.

Doc. Dr in

ż

. 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

ż

. 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, 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.

Doc. Dr in

ż

. 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 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.

Doc. Dr in

ż

. 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)
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

.

Doc. Dr in

ż

. J.Szyma

ń

da

Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny

Przekazywania znacznika

scenariusz:

Powiedzmy, że 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 podróżuje 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

ż

. 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 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.

Idea tej metody jest jeszcze wykorzystywana w dużych centrach

sieciowo-komputerowych z tzw. serwerami centralnymi

.