MODEL OSI/ISO I JEGO REALIZACJE

Organizacja ISO opracowała Model Referencyjny Połączonych Systemów Otwartych (model OSI) w celu ułatwienia realizacji otwartych połączeń systemów komputerowych. Połączenia otwarte to takie, które mogą być obsługiwane w środowiskach wielosystemowych. Omawiany model jest globalnym standardem określania warstw funkcjonalnych wymaganych do obsługi tego typu połączeń. Model referencyjny OSI dzieli procesy zachodzące podczas sesji komunikacyjnej na siedem warstw funkcjonalnych, które zorganizowane są według naturalnej sekwencji zdarzeń zachodzących podczas sesji komunikacyjnej. Warstwy od 1 do 3 umożliwiają dostęp do sieci, a warstwy od 4 do 7 obsługują logistycznie komunikację końcową.(rys. 2.)

W złożonym zagadnieniu komunikacji wyodrębnia się pewne niezależne zadania, które mogą być rozwiązywane przez wydzielone układy sprzętowe lub pakiety oprogramowania zwane obiektami. Klasę obiektów rozwiązujących dane zagadnienie nazywa się warstwą. Pojęcie warstwy nie jest jednoznaczne z pojęciem protokołu - funkcje danej warstwy mogą być wykonywane przez kilka różnych protokołów. Każdy protokół komunikuje się ze swoim odpowiednikiem, będącym implementacją tego samego protokołu w równorzędnej warstwie komunikacyjnej systemu odległego. Warstwy (a dokładnie konkretne protokoły zawarte w tej warstwie) komunikują się bezpośrednio z odpowiadającymi im warstwami w odległym hoście. Należy więc też zapewnić reguły przekazywania informacji w dół do kolejnych warstw pracujących na danym komputerze. Dane przekazywane są od wierzchołka stosu, poprzez kolejne warstwy, aż do warstwy fizycznej, która przesyła je poprzez sieć do odległego hosta. Na szczycie stosu znajdują się usługi świadczone bezpośrednio użytkownikowi przez aplikacje sieciowe, na spodzie - sprzęt realizujący transmisję sygnałów niosących informacje.

Każda kolejna warstwa musi jedynie znać format danych wymagany do komunikacji poprzez warstwę niższą zwany protokołem wymiany danych. Przy przechodzeniu do warstwy niższej dana warstwa dokleja do otrzymanych przez siebie danych nagłówek z informacjami dla swojego odpowiednika na odległym hoście. W ten sposób kolejne warstwy nie ingerują w dane otrzymane z warstwy poprzedniej. Przy odbieraniu danych z warstwy niższej, dana warstwa interpretuje ten nagłówek „doklejony” poprzez swojego odpowiednika i jeśli zachodzi potrzeba przekazania danych do warstwy wyższej, usuwa swój nagłówek i przekazuje dane dalej.(rys. 1.).

Warstwa fizyczna. Warstwa najniższa nazywana jest warstwą fizyczną. Jest ona odpowiedzialna za przesyłanie strumieni bitów. Odbiera ramki danych z warstwy 2, czyli warstwy łącza danych, i przesyła szeregowo, bit po bicie, całą ich strukturę oraz zawartość. Jest ona również odpowiedzialna za odbiór kolejnych bitów przychodzących strumieni danych. Strumienie te są następnie przesyłane do warstwy łącza danych w celu ich ponownego ukształtowania. Warstwa fizyczna w istocie widzi tylko jedynki i zera. Nie ma wbudowanego mechanizmu określania wagi ani znaczenia otrzymywanych i wysyłanych bitów. Jest zajęta tylko fizycznymi właściwościami elektrycznych i optycznych technik sygnalizowania. Dotyczy to napięcia prądu elektrycznego używanego do przenoszenia sygnałów, rodzaju nośnika i właściwości impedancji, a nawet fizycznego kształtu złącza terminującego nośnik.

Warstwa łącza danych. Druga warstwa modelu OSI nazywana jest warstwą łącza danych. Jak każda z warstw, pełni ona dwie zasadnicze funkcje: odbierania i nadawania. Jest ona odpowiedzialna za końcową zgodność przesyłania danych. W zakresie zadań związanych z przesyłaniem, warstwa łącza danych jest odpowiedzialna za upakowanie instrukcji, danych itp. W tzw. ramki. Ramka jest strukturą rodzimą - czyli właściwą dla - warstwy łącza danych, która zawiera ilość informacji wystarczającą do pomyślnego przesyłania danych przez sieć lokalną do ich miejsca docelowego. Pomyślna transmisja danych zachodzi wtedy, gdy dane osiągają miejsce docelowe w postaci niezmienionej w stosunku do postaci, w której zostały wysłane. Ramka musi więc zawierać mechanizm umożliwiający weryfikowanie integralności jej zawartości podczas transmisji.

Wysoka jakość transmisji wymaga spełnienia dwóch warunków:

Węzeł początkowy musi odebrać od węzła końcowego potwierdzenie otrzymania każdej ramki w postaci niezmienionej.

Węzeł docelowy przed wysłaniem potwierdzenia otrzymania ramki musi zweryfikować integralność jej zawartości.

W wielu sytuacjach wysyłane ramki mogą nie osiągnąć miejsca docelowego lub ulec uszkodzeniu podczas transmisji. Warstwa łącza danych jest odpowiedzialna za rozpoznawanie i naprawę każdego takiego błędu. Warstwa łącza danych jest również odpowiedzialna za ponowne składanie otrzymanych z warstwy fizycznej strumieni binarnych i umieszczanie ich w ramkach. Ze względu na fakt przesyłania zarówno struktury, jak i zawartości ramki, warstwa łącza danych nie tworzy ramek od nowa. Buforuje ona przychodzące bity dopóki nie uzbiera w ten sposób całej ramki.

Warstwy 1 i 2 są niezbędne do komunikacji każdego rodzaju, niezależnie od tego czy sieć, w której się ona odbywa jest siecią lokalną (LAN), czy też rozległą (WAN).

Warstwa sieci. Warstwa sieci jest odpowiedzialna za określenie trasy transmisji między komputerem-nadawcą, a komputerem-odbiorcą. Warstwa ta nie ma żadnych wbudowanych mechanizmów korekcji błędów i w związku z tym musi polegać na wiarygodnej transmisji końcowej warstwy łącza danych. Warstwa sieci używana jest do komunikowania się z komputerami znajdującymi się poza lokalnym segmentem sieci LAN. Umożliwia im to własna architektura trasowania, niezależna od adresowania fizycznego warstwy 2. Korzystanie z warstwy sieci nie jest obowiązkowe. Wymagane jest jedynie wtedy, gdy komputery komunikujące się znajdują się w różnych segmentach sieci przedzielonych routerem.

Warstwa transportu. Warstwa ta pełni funkcję podobną do funkcji warstwy łącza w tym sensie, że jest odpowiedzialna za końcową integralność transmisji. Jednak w odróżnieniu od warstwy łącza danych - warstwa transportu umożliwia tę usługę również poza lokalnymi segmentami sieci LAN. Potrafi bowiem wykrywać pakiety, które zostały przez routery odrzucone i automatycznie generować żądanie ich ponownej transmisji. Inną ważną funkcją warstwy transportu jest resekwencjonowanie pakietów, które mogły zostać przesłane w nieodpowiedniej kolejności. Sytuacja taka może mieć kilka przyczyn. Na przykład, pakiety mogły podążać przez sieć różnymi ścieżkami lub zostać uszkodzone podczas transmisji. Warstwa transportu identyfikuje oryginalną sekwencję pakietów i ustawia je w oryginalnej kolejności przed wysłaniem ich zawartości do warstwy sesji.

Warstwa sesji. Piątą warstwą modelu OSI jest warstwa sesji. Jest ona rzadko używana; wiele protokołów funkcje tej warstwy dołącza do swoich warstw transportowych. Zadaniem warstwy sesji modelu OSI jest zarządzanie przebiegiem komunikacji podczas połączenia miedzy dwoma komputerami. Przepływ tej komunikacji nazywany jest również sesją. Warstwa ta określa, czy komunikacja może zachodzić w jednym, czy obu kierunkach. Gwarantuje również zakończenie wykonywania bieżącego żądania przed przyjęciem kolejnego.

Warstwa prezentacji. Warstwa prezentacji jest odpowiedzialna za zarządzanie sposobem kodowania wszelkich danych. Nie każdy komputer korzysta z tych samych schematów kodowania danych, więc warstwa prezentacji odpowiedzialna jest za translację między niezgodnymi schematami kodowania danych. Warstwa ta może być również wykorzystywana do niwelowania różnic między formatami zmiennopozycyjnymi, jak również do szyfrowania i rozszyfrowywania wiadomości.

Warstwa aplikacji. Najwyższą warstwą modelu OSI jest warstwa aplikacji. Pełni ona rolę interfejsu pomiędzy aplikacjami użytkownika a usługami sieci. Warstwę tę można uważać za inicjującą sesje komunikacyjne. Na przykład, klient poczty elektronicznej mógłby generować żądanie pobrania nowych wiadomości od jej nadawcy. Taka aplikacja kliencka generuje automatycznie żądanie do odpowiedniego protokołu (lub protokołów) warstwy 7 i uruchamia sesję komunikacji w celu otrzymania odpowiednich plików.

MODEL OSI/ISO vs PRODUCENCI SYSTEMÓW SIECIOWYCH

Pomimo opracowania standardu OSI każda z firm opracowująca własne operacyjne systemy sieciowe stworzyła swój własny model protokołów zbliżony jedynie do modelu OSI/ISO.

Teraz po krótce opowiem o odpowiednikach kolejnych warstw modelu OSI w modelach NetWare, UNIX, Apple, LAN Manager.

Warstwą która pozostała nie zmieniona przez wszystkich producentów jest warstwa fizyczna.

WARSTWA ŁĄCZA DANYCH

W modelu OSI ponad nią jest warstwa łącza danych , którą w NetWare zastąpiła warstwa składająca się z dwóch fragmentów:

ODI - (Open Data - Link Interface) jest to struktura niezależna , która zapewnia jednoczesną obsługę różnych protokołów w sieci takich jak : RX-NET, Ethernet, Token Ring, FDDI, IPX, TCP/IP i Apple Talk.

ODI zapewnia następujące korzyści przy połączeniach z róznymi systemami:

• jedna karta sieciowa z różnymi stosami protokołów

• pakiety różnych systemów mogą być przesyłane poprzez ten sam system okablowania sieci przyłączony do jednej karty

• stacja robocza może korzystać z różnych stosów protokołów, bez potrzeby ponownego uruchamiania

• ODI pozwala serwerom i stacjom roboczym NetWare na komunikowanie się z różnymi innymi systemami.

NDIS - (Network Driver Interface Specification) interfejs opracowany przez Microsoft umożliwiający instalowanie różnych protokołów do serwera oraz stacji roboczych. Pozwala on użytkownikom sieci komunikować się przy pomocy różnych protokołów.

W UNIX'ie w miejscu warstwy łącza danych pojawiła się warstwa Media Access Control.

Podwarstwa MAC z pakietów przesłanych z warstw wyższych - tworzy ramki zgodne z żądanym standardem sieciowym. Realizuje również pewne funkcje detekcji błędów, lecz głównym zadaniem jest zapewnienie kontroli dostępu do sieci. Podwarstwa MAC ma budowę modularną zapewniającą obsługę kilku standardów sieciowych:

• CSMA/CD - metoda dostępu do sieci z wykrywaniem kolizji;

• Token Bus - metoda dostępu z pozwalająca nadawać jedynie stacji która w danej chwili posiada żeton

• Token Ring - jw. z tym że żeton jest przekazywany po kolei od stacji do stacji

• MAN - standard dla sieci miejskich

• FDDI - podwójny pierścień z kablem światłowodowym

Firma Apple w warstwie tej umieściła protokoły dostępu LAP (Local Acces Protocols) do łącza LocalTalk i TokenRing. Protokoły dla sieci Ethernet i TokenRing nazywają się TokenTalk i EtherTalk. Odpowiedni element warstwy łącza danych odpowiada za „ukrycie” różnic między protokołami przed warstwami wyższymi

Microsoft umieścił w tej warstwie NDIS omówiony już wcześniej.

Poza wyspecyfikowanymi protokołami w warstwie łącza danych każda z firm umieściła drivery sieci lokalnych widoczne na ilustracji.

WARSTWA SIECIOWA

W tej warstwie każda z firm pokazała swój indywidualizm, każda stworzyła swój odpowiednik tej warstwy w swoim modelu.

Novel opracowała protokół IPX (Internetwork Packet Exchange - ), który jest wbudowanym protokołem sieci typu pear-to-pear. Jest on rozwinięciem protokołu Xerox Network System. IPX jest podstawowym środkiem realizacji dostępu do plików, drukarek, aplikacji, faksów, usług komunikacyjnych, poczty elektronicznej. IPX jest tzw. protokołem datagramowym. Datagram jest inną nazwą pakietu przesyłanego w komunikacji bezpołączeniowej ( pakiet zostaje wysłany do miejsca przeznaczenia bez wcześniejszego nawiązania kontaktu pomiędzy urządzeniami i ich wzajemnego kontrolowania się).

W UNIX'ie warstwę sieciową zastąpił protokół IP (Internet Protocol) opracowany w latach siedemdziesiątych w ramach projektu ARPANET. Protokół ten jest protokołem bezpołączeniowym oferującym sługi datagramowe. Datagramy to niezależne pakiety zawierające w sobie infromacje. Datagram IP zawiera w sobie adresy , informacje o routingu i inne dane nagłówkowe konieczne dla dostarczenia pakietu danych do odbiorcy. Protokół ten jest wykorzystywany w wielu sieciach lokalnych i rozległych. Protokół IP nie zajmuje się ustawianie pakietów we właściwej kolejności i obsługą błędów, troszczą się o to protokoły warstw wyższych.

Protokoły warstwy sieciowej firmy Apple tworzą pakiety z danych które mają być wysłane do sieci i przekazują ten pakiet do zarządcy LAP w warstwie niższej. W warstwie sieciowej obowiązuje protokół Datagram Delivery Protocol. Tworzy on datagramy złożone z 585 bajtów danych oraz wstawia do nagłówka adresy i informacje wykorzystywane przy wykrywaniu błędów.

Firma Microsoft wykorzystała w tej warstwie i warstwie wyższej protokół opracowany przez IBM w roku 1985. Protokół ten nosi nazwę NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface), jest protokołem transportowym dla małych i średnich sieci LAN. Zadaniem jego jest zapewnienie bazowych usług przesyłania danych. Zalety korzystania z protokołu NetBEUI są następujące:

• komputery korzystające z systemów operacyjnych lub oprogramowania sieciowego mogą się komunikować

• NetBEUI jest w pełni samodostrajalnym się protokołem i najlepiej działa w małych segmentach sieci LAN

• NetBEUI ma minimalne wymagania odnośnie pamięci

• zapewnia doskonałą ochronę przed błędami transmisji, a także powrót do normalnego stanu w wypadku ich wystąpienia

WARSTWA TRANSPORTOWA

Realizacja warstwy transportowej w każdym z tych systemów wygląda następująco:

NewWare Novela w miejscu warstwy transportowej posiada protokół SPX. Jest on protokołem zorientowanym połączeniowo. Transmisja odbywa się przy wykorzystaniu protokołu IPX, jednakże SPX gwarantuje dostarczenie wiadomości do odbiorcy, z zachowaniem kolejności, w jakiej zostały wysłane.

UNIX w warstwie transportowej posiada protokół TCP (Transmision Control Protocol). Orginalny protokół TCP opracowany został w celu umożliwienia połączenia ze sobą sieci wykorzystujących wiele różnych metod transmisji. Aby móc je uwzględnić posłużono się koncepcją bramy (routerem) , którym pakiety pochodzące z jednej sieci umieszczane były w kapsułach opatrzonych adresem następnego routerera. Protokół TCP zapewnia obustronne (duplex) połączenie pomiędzy dwoma systemami, posługując się systemem gniazd. Przez gniazdo rozumiemy koniec łącza reprezentowanego przez komputer opatrzony adresem.

Sesje komunikacyjne TCP są sesjami połączeniowymi i umożliwiają:

• sterowanie przepływem (flow control);

• potwierdzenie (acknowledgment);

• zachowanie kolejności przesyłanych pakietów (end-to-end-sequencing);

• sprawdzanie sumy kontrolnej (checksumming);

• powtórne przesłanie (retransimission).

W warstwie transportowej firmy Apple znajduje się zestaw czterech protokołów;

• Routing Table Maintance Protocol (RTMP) - odpowiada za obsługę tablic adresów i wymienia z innymi routerami informacje o stanie sieci. Mało wydajny w sieciach WAN, gdyż przesyła w sieci pełne tablice adresów;

• AppleTalk Echo Protocol (AEP) - bada dostępność węzła docelowego przed rozpoczęciem sesji komunikacyjnej

• AppleTalk Transmission Protocol (ATP) - realizuje trzy typy operacji. Operacja żądania transakcji - TREQ (Transaction Request) wywołuje właściwą odpowiedź - TRES (Transaction response). Natomiast operacja zakończenia transakcji TREL (Transaction Release) zamyka sesję po zakończeniu przetwarzania.

• Name Binding Protocol (NBP) - tłumaczy liczbowy adres sieciowy na nazwę elementu sieci.

W produktach Microsoft warstwa ta jest połączona z warstwą sieci protokołem NetBEUI omówiony powyżej.

WARSTWA SESJI

Warstwa sesji w produktach Microsoft i Novell została zrealizowana w ten sam sposób i składa się ona z dwóch części:

• potoki nazwane (Named Pipe) - są one interfejsem służącym do przesyłania danych między procesami zachodzącymi w różnych komputerach sieci. Jest to sieciowa wersja komunikacji pomiędzy procesami (Interprocess Communication - IPC), jednoczesnymi w pojedynczym systemie wielozadaniowym

• NetBIOS (Network Basic Input / Output System, czyli podstawowy sieciowy system wej./wyj.) jest programem który umożliwia różnym aplikacjom komunikowanie się w ramach sieci LAN. Zapewnia następujące usługi:

• ustanawia niepowtarzalne nazwy logiczne dla węzłów sieci, ułatwiając zadanie łączenia się z innymi systemami

• ustanawia połączeniowo zorientowaną sesję, pozwalającą na prowadzenie wymiany danych pomiędzy węzłami sieci

• zapewnia bezpołączeniowe usługi datagramowe

• rozsyła w trybie rozgłaszania informacje o lokalizacji serwerów

UNIX w warstwie sesji wprowadził cztery części składowe:

• SNMP (Simple Network Managment Protocol) - jest obecnie najczęściej implementowanym protokołem zarządzającym środowiskiem sieci. SNMP jest protokołem komunikacyjnym zbierającym od urządzeń informacje niezbędne do poprawnego zarządzania siecią. Protokół ten opiera się na mechanizmie żądań i odpowiedzi, w którym stacja zarządzania wysyła żądania do agentów umieszczonych w zarządzanych urządzeniach. Protokół SNMP jest w zasadzie protokołem transportu bezpołączeniowego ze skromną listą poleceń co sprawia że jest on bardzo wydajny i efektywny.

• FTP (File Transfer Protocol) - umożliwia przesyłanie plików w środowisku wykorzystującym protokół TCP/IP. Jego działanie opiera się na programie Telnet.

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - jest to protokół wymiany poczty elektronicznej korzystający z protokołu TCP/IP. Protokół ten realizuje następujące zadania:

• Wysyłanie poczty użytkownika do innego komputera

• Odbieranie poczty przysłanej przez inne komputery w sieci

• Telnet - program emulujący terminal. Jest to proces typu klient - serwer , w którym użytkownik uruchamia aplikację Telnet na swoim systemie lokalnym i zestawia łącze do procesu Telnet wykonywanym na odległym hoście.

Firma Apple w warstwie sesji wyodrębniła także cztery protokoły odpowiedzialne przede wszystkim za nawiązanie i obsługę sesji komunikacyjnych:

• AppleTalk Data Stream Protocol (ADSP) - zarządza przesyłaniem danych pomiędzy dwoma gniazdami na różnych komputerach. W razie potrzeby tworzy dwukierunkowy strumień bajtów.

• AppleTalk Session Protocol (ASP) - odpowiadający za otwieranie z zamykanie sesji komunikacyjnych między dwoma węzłami oraz przesyłanie poleceń dotyczących przebiegu sesji

• Printer Access Protocol (PAP) - odpowiada za komunikację między stacją roboczą a drukarką sieciową

• Zone Information Protocol (ZIP) - w kooperacji z protokołem RTMP przechowuje informacje konfiguracyjne sieci. Tworzy w routerach tablice stref.

Warstwa prezentacji

Warstwa ta pozostała wydzielona jedynie w systemach firmy Apple. Pozostałe firmy zintegrowały ją z warstwą aplikacji. Tak więc firma Apple w miejscu warstwy prezemntacji umieściła AppleTalk Filling Protocol. Protokół AFP umożliwia zdalny dostęp do plików na wspólnie używanych dyskach serwerów sieciowych.

WARSTWA APLIKACJI

Jak już wcześniej mówiłem większość producentów połączyła tą warstwę z warstwą prezentacji.

W tej dziedzinie firma Novell zaprezentowała swój NetWare Core Protocol, który jest podstawowym protokołem wykorzystywanym przy transmisji pomiędzy serwerem NetWare i jego kilentami. NCP zapewnia swoim użytkownikon następujące usługi :

• dostęp do plików

• blokowanie pliku

• bezpieczeństwo

• śledzenie alokacji zasobów

• raporty o wydarzeniach

• usługi katalogowe i synchronizacja z innymi serwerami

• - połączenia i komunikacja

• usługi wydruku i zarządzanie kolejkami

• zarządzanie siecią

Apple zaproponował w miejsce ww. warstw system sieciowy AppleShare zbudowany w oparciu o protokoły z warstw poniższych. Najważniejsze usługi oferowane przez system AppleShare:

• praca współbieżna zapewniająca dostęp do usług drukarkowych, administracyjnych i poczty elektronicznej na tym samym komputerze

• do 120 pracujących jednocześnie użytkowników

• kolejki wydruków do drukarek sieciowych

• mechanizmy bezpieczeństwa w postaci haseł i blokowania plików i katalogów

• informacje rozliczeniowe dla administratorów

• możliwość stworzenia zoptymalizowanego serwera plikowego

W UNIX'ie warstwy prezentacji i aplikacji zastąpione zostały jedną opracowaną przez Sun Microsystems o nazwie NFS. Jest to otwarty system operacyjny dal rozproszonych środowisk obliczeniowych. Jego system plików nosi miano wirtualnego (Virtual File System). VFS stanowi interfejs pomiędzy systemami operacyjnymi a zarządzanymi plikami. Użtkownik ma dzięki połączeniami z serwerami , okresowy lub stały dostęp do plików.

Firma Microsoft wycofała się już z produkcji LAN Managera w miejsce którego wprowadziła Windows NT Advanced Server. Dlatego też pozwolę sobie ominąć ilustrowanie ostatniej warstwy modelu firmy Microsoft ponieważ każdy szanujący się student informatyki III roku, a szczególnie specjalności sieci powinien tą strukturę doskonale znać.

Rys1. Proces enkapsulacji danych.

Nazwa warstwy modelu OSI	Numer warstwy
Aplikacji	7
Prezentacji	6
Sesji	5
Transportu	4
Sieci	3
Łącza danych	2
Fizyczna	1

Rys2. Warstwy modelu OSI

8

---