Historie počítačových sítí vývoj PS probíhal postupně v několika etapách na počátku, kdy neexistovaly PS se data mezi počítači přenášela pomocí různých fyzických médií - takovéto systémy se označovaly jako tzv. nespřažené (off-line) systémy uživatelé však volali po systémech schopných komunikovat v reálném čase, tzv. spřažených (on-line) systémech
aplikace
žádná vazba
aplikace
žádná vazba
aplikace
Historie počítačových sítí pro tyto účely se velmi rychle začaly využívat sériové a paralelní porty pro dvojbodové propojení později byly budovány terminálové sítě umožňovaly práci více uživatelů na jednom počítači nejednalo se o pravé PS
neinteligentní terminály (např. VT100...) byly postupně nahrazovány emulovanými inteligentními terminály na bázi PC
Sítě s terminály počítačová síť
aplikace
lokální terminálová relace
host
aplikace, zajišťující funkce terminálu terminálový emulátor
vzdálená terminálová relace
A
TA1
TA2
TA3
terminál
terminál
terminál
... nebo sériová linka
T1
3
počítač, chovající se jako terminál
Budování prvních PS sítě byly budovány živelně, maximálně podle interních firemních specifikací velmi rychle se ukázala potřeba existence nějakých standardů, doporučení tato potřeba se ještě více projevila v okamžiku slučování více různorodých sítí do jednoho celku - sítě ARPANET proto se objevily tzv. referenční modely, dělící jednotlivé fáze komunikace do vrstev pro nás bude vhodné se s některými z těchto modelů seznámit podrobněji
Fáze komunikace Komunikační proces si můžeme rozdělit na fáze: otevření přenosu přenos (výměna) dat ukončení přenosu
srovnej např. průběh telefonického spojení mezi dvěma účastníky
Komunikační funkce na základě tohoto rozdělení je možné vymezit typické úlohy potřebné pro realizaci komunikačního procesu, např.: funkce vytvoření spoje funkce otevření přenosu funkce výměny dat funkce ukončení přenosu funkce zrušení spoje …..
Jednotlivé fáze komunikace můžeme dále dělit na podfáze a definovat další komunikační funkce …
Komunikační funkce • • • • • • • • •
synchronizace adresace každou funkci lze řešit řízení toku různými metodami zabezpečení směrování přidělování přenosových kapacit rozklad a slučování zpráv monitorování stavu utajení ….
Filozofie vrstev implementovat síť je hodně složité a náročné stejná situace jako při řešení velkých SW celků
jde o rozsáhlý problém, který se vyplatí dekomponovat rozdělit na menší části, které je možné řešit samostatně
dekompozice se provede po hierarchicky uspořádaných vrstvách dobře to odpovídá povaze řešeného problému přináší to i další výhody možnost alternativních řešení na úrovni nižších vrstev větší modulárnost
Dekompozice vrstva
síť (jako celek)
vrstva vrstva vrstva
kolik má být vrstev? co má která vrstva dělat? jak má která vrstva fungovat?
vrstva vrstva
……. ?
Způsob komunikace mezi vrstvami
vrstva
vrstva
vrstva
poskytování služeb vyšší vrstvě
komunikace s partnerskou vrstvou jiného uzlu využívání služeb nižší vrstvy
Způsob komunikace mezi vrstvami
vrstva
vrstva
vrstva
vrstva
vrstva
vrstva komunikace probíhá pouze mezi stejnolehlými (rovnocennými, angl.: peer) vrstvami
definováno protokolem
Představa:
obálka (envelope) s údaji pro partnerskou vrstvu data vrstva vrstva vrstva vrstva
do obálky se transparentně vloží data vyšší vrstvy
data data data data obálka nejnižší vrstvy se přenese i s obsahem do cílového uzlu
vrstva vrstva vrstva vrstva
Síťový model a síťová architektura síťový model je ucelená představa o tom, jak mají být sítě řešeny zahrnuje: představu o počtu vrstev představu o tom, co má mít která vrstva na starosti nezahrnuje: konkrétní představu o tom, jak má která vrstva své úkoly plnit tedy konkrétní protokoly
síťová architektura obsahuje navíc také: konkrétní představu o způsobu fungování jednotlivých vrstev tj. obsahuje konkrétní protokoly
příklad síťového modelu: referenční model ISO/OSI příklad síťové architektury: TCP/IP
Referenční model ISO/OSI Podíváme se důkladněji na jeden ze síťových modelů, tzv. RM ISO/OSI Co je RM ISO/OSI? Neformálně: Soustava představ a názorů na to, jak mají být PS budovány a jak mají fungovat formálně
Formálně Síťový model
Referenční model ISO/OSI byl pokusem o vytvoření univerzální síťové architektury skončil jako síťový model bez protokolů, ty se měly dodělávat postupně
pochází „ze světa spojů“ - a je to na něm vidět... od organizace ISO (International Standards Organization členy ISO jsou národní normalizační instituce
měl být „oficiálním řešením“ prohrál v souboji s TCP/IP
Používá se hlavně pro srovnávací a studijní účely
Filosofie RM ISO/OSI vznikal „od zeleného stolu“ a pak byl „nadiktován“ uživatelům vznikal maximalistickým způsobem autoři se snažili zahrnout „vše, co by někdy někomu mohlo hodit“
výsledek byl dosti odtažitý od reálné praxe celá řešení se často ukázala jako nerealizovatelná, a hledala se implementovatelná podmnožina vznikaly různé implementovatelné podmnožiny, které nebyly vzájemně kompatibilní mnohé výchozí předpoklady se ukázaly jako chybné
Sedm vrstev ISO/OSI autoři ISO/OSI se dosti dlouho přeli o počtu vrstev nakonec zvítězil návrh na 7 vrstev dnes se to zdá být zbytečně mnoho
zde šlo hlavně o již existující standard X.25
kritéria pro volbu vrstev: činnosti na stejném stupni abstrakce mají patřit do stejné vrstvy odlišné funkce by měly patřit do odlišných vrstev aby bylo možné převzít již existující standardy aby datové toky mezi vrstvami byly co nejmenší aby vrstvy byly rovnoměrně vytíženy ....
Architektura RM ISO/OSI RM ISO/OSI je složen ze sedmi na sebe navazujících vrstev (tzv. jemné dělení)
RM ISO/OSI je často dělen ještě hrubě na vrstvy: aplikační a podpůrné aplik. - aplk. vr., prezent. vr., relač. vr., přizpůsobovací vrstvu - transportní vrstva orientované na přenos dat - fyz. v, link. v, síť. v.
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 1. vrstva - Fyzická vrstva Definuje prostředky pro komunikaci s přenosovým médiem a s technickými prostředky rozhraní. Dále definuje fyzické, elektrické, mechanické a funkční parametry týkající se fyzického propojení jednotlivých zařízení. Je to čistě hardwarová vrstva. F.V. se mimojité zabývá: kódováním, modulacemi, synchronizací na úrovní bitů Některé standardy Fyzické vrstvy: RS232, X.21, V.24, pojmy jako tenký koaxiál, kroucená dvoulinka a další...
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 2. vrstva - Linková vrstva Zajišťuje základní integritu přenášených bloků dat z jednoho uzlu sítě na druhý. V rámci této činnosti je prováděna synchronizace bloků dat a řízení jejich toku. Je také realizována v HW Přenášené bloky dat jsou na úrovni 2. vrstvy označovány jako rámce. Linková vrstva přenáší rámce vždy pouze k přímím sousedům! - ne přes mezilehlé uzly! L.V. řídí přístup ke společnému médiu L.V. řídí tok dat (např. tak, aby nedošlo k zahlcení příjemce množstvím odesílaných dat)
Některé pojmy související s 2. vrstvou: metody CSMA, ALOHA, protokol SLIP, MAC adresa...
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 3. vrstva - Síťová vrstva přenáší bloky dat označované jako datagramy či pakety (packets) Definuje protokoly pro směrování dat, jejichž prostřednictvím je zajištěn přenos informací do požadovaného cílového uzlu. Uplatní se zejména v momentě, kdy neexistuje přímá cesta k příjemci a musí se hledat vhodná cesta Dochází k tzv. směrování (routingu) - vyhledání nejvhodnější cesty k cíly
Některé pojmy související s 3. vrstvou: směrovače (routery), adaptivní / neadaptivní směrovací protokoly, směrovací tabulky, soubory lmhosts, RIP, LSP, EGRP, IP adresa, IP protokol ...
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 4. vrstva - Transportní vrstva Hlavní úkoly T.V. jsou: zajistit komunikaci koncových účastníků překlenout rozdíly mezi požadavky a představami vyšších vrstev a možnostmi nižších - často je tato vrstva nazývána přizpůsobovací vrstvou
Definuje protokoly pro strukturované zprávy a zabezpečuje bezchybnost přenosu (provádí některé chybové kontroly). Řeší například rozdělení souboru na pakety a potvrzování teprve T.V. dokáže poznat, že se nějaká data po cestě ztratila T.V. také obnovuje správné pořadí přenášených dat
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI Při přenosech přes mezilehlé uzly se data dostávají jen na úroveň 3. vrstvy T.V. a vyšší sídlí pouze v koncových uzlech - „přestupné“ uzly T.V. mít nemusí
Co je zde?
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 5. vrstva - Relační vrstva Koordinuje komunikace, udržuje a obnovuje relaci tak dlouho, dokud je potřebná. Dále zajišťuje zabezpečovací, přihlašovací a správní funkce. nevíce kritizovaná / problematická vrstva RM ISO/OSI - její náplň je spíše problematická „Relace“ - má svojí analogii spíše z hlediska spojařského, telefonního pohledu Její obsah se přelévá se sousedními vrstvami
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 6. vrstva - Prezentační vrstva Specifikuje způsob, jakým jsou data formátována, prezentována, transformována a kódována. Řeší například háčky a čárky, CRC, kompresi a dekompresi, šifrování dat. Stará se o to, aby např. datové struktury byly na obou stranách prezentovány stejně (Little (Intel) / Big (Motorola) Endian, kódování češtiny ...) Všechna přenášená data jsou v této vrstvě linearizována - převedena do 1D
Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 7. vrstva - Aplikační vrstva Vrstva nejvyšší. Definuje způsob, jakým komunikují se sítí síť využívající aplikace, například elektronická pošta, IE, ICQ ... Používá služby nižších vrstev a díky tomu je izolována od problémů síťových technických prostředků.
Nedostatky RM ISO/OSI RM vznikal v době, kdy ještě lokální sítě prakticky neexistovaly, což se projevuje některými nedostatky nepamatuje například na přístup ke sdílenému médiu - kam například implementovat přístupové metody musí být nad F.V., protože vyžadují služby na úrovni přenesení jednotlivých bitů musí být pod L.V., protože pro úspěšný přenos celého datového rámce již musí být přístup k médiu vyřešen
Řešení místo přidání nové vrstvy mezi F.V. a L.V. bylo zvoleno následující řešení: L.V. byla rozdělena na dvě části: vyšší podvrstva LLC (Logical Link Control) - zajišťuje původní funkce L.V. nižší podvrstva MAC (Media Access Control) - zajišťuje přístup ke sdílenému médiu
Takovýchto nedostatků / otazníků obsahuje RM ISO/OSI více
Budoucnost RM ISO/OSI proces tvorby RM ISO/OSI není dodnes zcela ukončen stále vznikají nové standardy ale také nové verze již existujících standardů
RM ISO/OSI možná do budoucna převáží a sítě budou budovány podle něj v současné době to ale vypadá naopak - viz porovnání 7vr.m. s 4vr.m TCP/IP v další části sedmivrstvý RM se může zdát zbytečný přesto je důležité se v něm dobře orientovat
Čtyřvrstvý model TCP/IP prakticky nezávisle na 7 vrstvém modelu ISO/ OSI se vyvinul 4 vrstvý model TCP/IP* obsahuje ucelenou představu o počtu a úloze vrstev - proč? důvodem je postup vzniku: proto je koncepce Nejprve vznikly protokoly Teprve potom vrstvy
vrstev dobře uzpůsobena protokolům
ve skutečnosti síťová architektura právě proto, že obsahuje také konkrétní protokoly * výzkumné práce byly zahájeny pod vlivem prvotního zděšení USA z vypuštění
první družice v SSSR vývoj financovalo ministerstvo obrany USA (DoD)
Filosofie TCP/IP zachovala se z původních požadavků na ARPANET* (který byl navržen pro vojáky): nesmí mít žádnou centrální část (tu by nepřítel zničil jako první) charakter bude převážně decentralizovaný! musí být velmi robustní (tak aby to alespoň nějak fungovalo, když nepřítel část sítě zničí) komunikace bude mít tedy spíše nespojovaný charakter! * zárodečná síť ARPANET používala paketovou technologii NCP (Network Control Protocol) cílem projektu bylo ověřit životaschopnost paketové technologie
Internet když TCP/IP vznikalo, ARPANET už existoval a byl velký zájem o připojení k němu o připojení k ARPANETu usilovaly sítě různého typu (s různými síťovými technologiemi)
TCP/IP* je řešeno tak, aby:
šlo snadno připojovat dříve samostatné sítě bylo možné propojit i různé síťové technologie postupným připojováním dalších sítí k zárodečnému ARPANETu vzniká Internet = síť sítí * specifikace jsou „volné“ (PD, veřejné vlastnictví) koncepce protokolů TCP/IP vznikla zhruba v letech 1977-78 Internet přešel na TCP/IP k 1.1.1983
Koncepce vrstev TCP/IP Motto: víš-li jak na to, čtyři vrstvy ti plně postačí. Nevíš-li, ani sedm ti jich nepomůže .... TCP/IP aplikační též: IP vrstva
transportní síťová vrstva síťového rozhraní
RM ISO/OSI aplikační prezentační relační transportní síťová linková fyzická
Síťová vrstva TCP/IP zajišťuje pouze nespojovaný a nespolehlivý přenos
„holé minimum“, ale snaží se být co nejrychlejší zajišťuje jednotné přenosové služby nad všemi možnými přenosovými technologiemi nižších vrstev
vytváří „jednotnou pokličku“
protokol IP (Internet Protocol) hlavní (a jediný) přenosový protokol snaží se zakrývat specifika přenosových technologií nižších vrstev, a fungovat nad nimi optimálně varianty: SLIP (Seriál Line IP) PPP (Point-to-Point Protocol) podrobněji později
S.V. zajišťuje jednoznačnou identifikaci každého komunikujícího uzlu v síti - jak to dělá? - IP adresou!
Transportní vrstva TCP/IP řeší komunikaci koncových účastníků (end-to-end communication) sama využívá nespojovaný a nespolehlivý přenos na úrovni síťové vrstvy sama alternativně nabízí: spojovaný a spolehlivý přenos nespojovaný a nespolehlivý přenos aplikace si mohou vybrat podle potřeby !!!
protokol TCP (Transmission Control Protocol): zajišťuje spolehlivý a spojovaný přenos „tváří se“ jako proud (stream), který přenáší jednotlivé byty protokol UDP (User Datagram Protocol) zajišťuje nespojovaný a nespolehlivý přenos je jen „lehkou nadstavbou“ nad síťovou vrstvou, nemění povahu přenosových služeb síťové vrstvy
Síťová vrstva se tedy stará o doručení dat konkrétním aplikacím na jednotlivých uzlech. Jak to dělá? – pomocí tzv. TCP/UDP portů!
Aplikační vrstva TCP/IP koncepce obdobná aplikační vrstvě ISO/OSI jsou zde základní části aplikací, ostatní (UI) jsou nad aplikační vrstvou služby relačního a prezentačního charakteru jsou přímou součástí aplikací
původní služby aplikační vrstvy: elektronická pošta přenos souborů vzdálené přihlašování
později vznikají další: sdílení souborů správa sítě zpřístupnění informací Gopher, WWW, .....
Vrstva síťového rozhraní (Network Interface Layer) zahrnuje vše, co se nachází „pod síťovou vrstvou“ architektura TCP/IP tuto vrstvu sama nijak nenaplňuje
tj. nespecifikuje svoje vlastní přenosové technologie na nižších vrstvách!!!
PROČ?
předpokládá se, že se bude používat to, co vznikne někde jinde, mimo rámec TCP/IP (např. Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25, ATM, ….) TCP/IP se zabývá pouze tím, jak tyto technologie co nejlépe využít
tj. jak nad nimi provozovat protokol IP
Implementace IP protokol IP sám data fyzicky nepřenáší, využívá „cizích“ přenosových technologií služby „pod“ protokolem IP mohou být značně různorodé, zejména z hlediska: – – – – –
velikosti přenášených bloků (rámců) míry spolehlivosti přenosového zpoždění spojovaného či nespojovaného charakteru charakteru přenosu
protokol IP se zaměřuje na „holé minimum“ vše ostatní ponechává na vyšších vrstvách
Standardizace TCP/IP standardy TCP/IP jsou skutečně otevřené nejsou „v rukou“ jediné firmy nový standard může navrhnout kdokoliv jsou přijímány na základě všeobecného konsensu dokumentů RFC (Request For Comments)
nejprve diskuse, potom standardizace
specifikace protokolů jsou veřejným vlastnictvím za jejich využití se neplatí žádné licenční poplatky texty specifikací mají povahu volně šiřitelných dokumentů
přibývají stále nové protokoly a služby: např. NFS, ICQ, VoIP, VIDoIP
jiné se obohacují...
Taxonomie počítačových sítí a topologie
Co je „taxonomie“? taxonomie = klasifikace, „škatulkování“, dělení podle nejrůznějších kritérií příklady kritérií: dosah sítě, prostor který síť fyzicky pokrývá topologie sítě použité přenosové technologie a techniky role (postavení) uzlů sítě účel, kterému síť slouží -hlasové, datové ... mobilita uživatelů otevřené / privátní sítě ...
Kritérium: dosah sítě vzdálenost 0,1 m 1m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km 1000 km 10 000 km
celek motherboard, karta systém místnost budova campus město stát kontinent planeta
příklad počítač multiproc. systém LAN LAN LAN MAN WAN WAN Internet
Srovnání LAN a WAN LAN
WAN
spíše pro potřeby sdílení vyšší (např. 10 až 100 Mb/s) systematická (pravidelná) provozovatel vlastní menší, převažují pracovní stanice podle potřeb uživatelů
spíše pro potřeby komunikace nižší (např. 64 kb/s) nesystematická (nepravidelná) provozovatel si pronajímá větší, převažují servery trvale
přenosové zpoždění
malé
velké
spolehlivost přenosových cest
vyšší
nižší
kvůli čemu se zřizují přenosová rychlost topologie sítě vlastnictví přenosové infrastruktury charakter uzlů dostupnost uzlů
Kritérium: topologie sítě Topologie =uspořádání prvků sítě a spojů mezi nimi neorientovaný graf: hrany = spoje, uzly = prvky topologie sítě ovlivňuje některé její vlastnosti: rozšiřitelnost (možnost a snadnost doplňování nových uzlů do sítě) rekonfigurovatelnost (možnost změnit strukturu sítě při závadě komponenty) spolehlivost (odolnost proti výpadkům komponent) složitost uzlů (HW, SW) výkonnost (využití média, zpoždění přenášených dat)
Topologie počítačové sítě A většina sítí WAN
polygon
B D
C E
• některé počítače jsou spojeny fyzicky: A-C, A-E, B-E, B-F, C-E, C-F , D-F, E-F • některé pouze logicky (přes mezilehlé uzly): A-B, A-D, A-F, B-C, B-D, C-D
F
Topologie LAN hvězda (star)
centrální prvek
sběrnice (bus)
společné médium
Topologie LAN
kruh (ring)
strom (tree)
Jiné kritérium dělení: postavení (role) uzlů sítě jde o to, zda uzel sítě: pouze nabízí své vlastní zdroje k využití ostatním uzlům formou sdílení chová se jako server pouze využívá zdroje ostatních uzlů prostřednictvím sdílení chová se jako klient nabízí vlastní zdroje a současně využívá zdroje jiných uzlů chová se současně jako klient i server
pokud převažuje současně využívání i nabízení, jde o síť typu peer-to-peer postavení uzlů je zde symetrické, uzly komunikují jako „rovný s rovným“ pokud existuje jasná hranice mezi nabízením a využíváním, jde o
síť typu klient-server
postavení uzlů je asymetrické, některé uzly se chovají jako klienti, jiné jako servery
Jiné kritérium dělení: k čemu síť slouží inter-net (s malým i) je síť propojující relativně samostatné sítě… tuto úlohu dnes obvykle plní Internet (s velkým I)
intranet je síť sloužící potřebám organizace (podniku, firmy, instituce, ...)
technicky intranet představuje: využití Internetových technologií (TCP/IP, WWW...) „uvnitř“ podnikových sítí levnější SW snadnější zaškolení, údržba, ... výhodné i pro uživatele
firemní informační a komunikační systém propojení fyzicky oddělených a někdy velmi vzdálených segmentů firemní sítě (pobočky ve světě) ochrana firemních dat před přístupem cizích subjektů
PS je možné dělit také např. podle přenosové technologie... týká se hlavně nejnižších vrstev fyzické linkové síťové (někdy) drátové sítě optické sítě bezdrátové sítě...
pro LAN: Ethernet Token Ring FDDI (páteřní sítě)
pro WAN: X.25 Frame relay HDLC PPP, SLIP (TCP/IP)
univerzální: ATM
A mnoha dalších hledisek...
Některé důležité pojmy související s topologií PS V dalších přednáškách se budeme setkávat s některými pojmy uzel základní aktivní prvek. Má v síti (alespoň v lokálním segmentu) jednoznačnou identifikaci nejčastěji například uzly označujeme všechna zařízení s vlastní IP adresou (v případě TCP/IP sítí)
repeater (opakovač, zesilovač) z hlediska sítí „poměrně hloupé“ zařízení znovuobnovující některé charakteristiky signálu, pracuje pouze na fyzické úrovni na topologii sítě nemá vliv
Některé důležité pojmy související s topologií PS tranceiver (převodník) obecný prvek převádějící signál z jednoho typu síťové technologie na jinou pojem zahrnuje jak jednoduché převodníky typu AUI-RJ45 až po transívery mezi optikou a satelitním příjmem... nejjednoduší pracují na F.V. až po složité zasahující až do T.V.
bridge (most) prvek propojující mezi sebou sítě zcela odlišné sítě (segmenty sítí) s různými síťovými standardy např. ISDN ↔ Ethernet pracuje na T.V. (musí řešit zahlcování sítě...) kombinuje v sobě tranciever, repeater ... znáte jej nejčastěji z WiFi
Některé důležité pojmy související s topologií PS hub (rozbočovač) prvek zajišťující větvení sítě funguje pouze jako zesilovač odchozí data jsou přeposílána do všech směrů funguje pouze na F.V.
switch (přepínač) prvek zajišťující inteligentnější větvení sítě na rozdíl od hubu dochází k volbě směru odesílaných dat základní přepínače fungují na 2. vrstvě, složitější i na vyšších vrstvách
Některé důležité pojmy související s topologií PS router (směrovač) prvek shromažďující informace o okolních sítích vybírající nejvhodnější cestu pro přeposílaná data technologicky nejvyspělejší síťové prvky směrovací prvek ze kterých je složena celá síť Internet
Konec přednášky příště se podíváme na fyzickou vrstvu podíváme
se podrobněji na přenosová média kódování a modulace signálů konektory a kabeláž ...
