Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava
Telekomunikační sítě Protokolové modely
Datum: Autor: Kontakt: Předmět:
14.2.2012 Ing. Petr Machník, Ph.D.
[email protected] Telekomunikační sítě
ts_120214_kapitola2
Protokolové modely
Ing. Petr Machník, Ph.D.
Referenční model OSI • Referenční model pro propojení otevřených systémů (RM OSI – Reference Model for Open Systems Interconnection) je souborem pravidel a standardů, které jsou potřebné pro výměnu informací mezi otevřenými systémy. • Otevřeností se myslí otevřenost pro komunikaci. • Systém se skládá z jednoho nebo více počítačů, příslušného programového vybavení, vnějších zařízení, terminálů, lidských operátorů, fyzických procesů, z prostředků pro přenos informací atd. • Propojení systémů znamená nejen možnost přenášet informace, ale i schopnost systémů spolupracovat. 2
• RM OSI byl vytvořen v letech 1977 až 1984 mezinárodní standardizační organizací ISO (International Organization for Standardization). • RM OSI se skládá ze 7 vrstev. Nejvyšší (7.) vrstva vytváří rozhraní systému vůči uživatelské aplikaci, nejnižší (1.) vrstva je rozhraním k fyzickému přenosovému médiu. Sousedící vrstvy mají také společné rozhraní pro výměnu informací mezi sebou. • Vlastnosti vrstev jsou modelovány pomocí entit. Entita je samostatná programová nebo technická komponenta, která realizuje jednu nebo více funkcí vrstvy. • Komunikace mezi entitami je popsána pomocí komunikačních protokolů. Partnerské entity z různých systémů si vyměňují informace formou protokolových datových jednotek (PDU – Protocol Data Unit). Entita z níže ležící vrstvy nabízí službu entitě z výše ležící vrstvy prostřednictvím přístupového bodu služby (service access point). 3
• Tranzitní systémy v síti obvykle nepotřebují funkce všech 7 vrstev. Proto mají jen spodní vrstvy a některé horní vrstvy chybí.
RM OSI dvou koncových systémů a jednoho tranzitního systému 4
• Jak zpráva prochází jednotlivými vrstvami od nejvyšší po nejnižší, každá vrstva k ní může přidat své řídící informace, které jsou důležité pro partnerské vrstvy jiných systémů. Tento proces se nazývá zapouzdření (encapsulation).
Proces zapouzdření
5
Obecné vlastnosti vrstev • Jsou společné všem vrstvám. Popisují služby mezi sousedními vrstvami. • Multiplexování a demultiplexování spojení (Multiplexing/demultiplexing) Rozdělování a slučování spojení (Splitting/recombining) Segmentace a znovu poskládání datových jednotek (Segmenting/Reassembling) Tvorba datových bloků a dělení datových bloků (Blocking/Deblocking) Řízení toku (Flow Control) Vytváření pořadí (Sequencing) Potvrzování (Acknowledgment)
6
Vlastnosti vrstev RM OSI • • • • • • •
7. – Aplikační vrstva (Application layer) 6. – Prezentační vrstva (Presentation layer) 5. – Relační vrstva (Session layer) 4. – Transportní vrstva (Transport layer) 3. – Síťová vrstva (Network layer) 2. – Spojová vrstva (Data link layer) 1. – Fyzická vrstva (Physical layer)
• 7. – 4. vrstva – koncově orientované vrstvy – jsou implementovány jen v koncových zařízeních • 3. – 1. vrstva – síťově orientované vrstvy – síťové tranzitní zařízení používají jen je (nebo některé z nich) 7
Aplikační vrstva (Application layer) • Tato vrstva vytváří rozhraní mezi aplikacemi, které uživatelé používají ke komunikaci, a sítí, přes kterou jsou přenášeny uživatelské zprávy. • Protokoly aplikační vrstvy se používají k výměně dat mezi programy, které běží na zdrojovém a cílovém zařízení. Existuje mnoho protokolů aplikační vrstvy a nové protokoly dále vznikají (př. HTTP, FTP, SMTP, POP3 atd.) • PDU této vrstvy se nazývá zpráva (message).
8
Prezentační vrstva (Presentation layer) • Úkolem této vrstvy je kódování a konverze dat aplikační vrstvy tak, aby data vytvořená aplikací zdroje mohla být správně interpretovaná aplikací cílového zařízení (př. ASCII, JPEG, MPEG atd.). • Komprese dat způsobem umožňující jejich dekompresi v cílovém zařízení. • Šifrování dat ve zdrojovém zařízení a dešifrování dat v cílovém zařízení.
9
Relační vrstva (Session layer) • Úkolem této vrstvy je vytvářet a udržovat komunikaci mezi zdrojovou a cílovou aplikací. Relační vrstva se stará o výměnu informací sloužících k zahájení komunikace, k jejímu udržení v aktivním stavu a k obnovení relace, která byla přerušena nebo byla neaktivní po dlouhou dobu.
10
Transportní vrstva (Transport layer) • Transportní vrstva provádí segmentaci dat a jejich znovu poskládání do různých komunikačních toků. • Hlavními úkoly této vrstvy jsou: – Sledování jednotlivých komunikací mezi aplikacemi ve zdroji a v cíli. – Segmentace dat a kontrola každého segmentu. – Znovu poskládání segmentů do toků aplikačních dat. – Identifikace různých aplikací. • Příklady protokolů: TCP, UDP (z TCP/IP modelu). • PDU této vrstvy se nazývá segment.
11
Síťová vrstva (Network layer) • Síťová vrstva se zabývá přenosem dat sítí od zdroje k cíli. • Hlavními úkoly této vrstvy jsou: – adresování zařízení v síti, – zapouzdření dat, – směrování dat k cíli u nespojově orientovaného přenosu, – signalizace u spojově orientovaného přenosu. • Příklady protokolů: CLNP (z OSI modelu), IP (z TCP/IP modelu). • PDU této vrstvy se nazývá paket (někdy také datagram).
12
Spojová vrstva (Data link layer) • Spojová vrstva se zabývá přenosem dat přes lokální přenosové médium. • Hlavními úkoly této vrstvy jsou: – Umožňuje vyšším vrstvám přenos dat v podobě rámců přes přenosové médium. – Řídí vysílání dat na přenosové médium a příjem dat z přenosového média pomocí metod jako řízení přístupu k médiu (media access control) a detekce chyb. – Pomocí návěstí (flag) provádí synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem. • Příklady protokolů: Ethernet, Token Ring, Frame Relay, HDLC, PPP, IEEE 802.11. • PDU této vrstvy se nazývá rámec. 13
Fyzická vrstva (Physical layer) • Fyzická vrstva se zabývá přenosem jednotlivých bitů, které tvoří dohromady rámec spojové vrstvy, přes přenosové médium. • Do fyzické vrstvy patří: – fyzické médium a příslušné konektory, – reprezentace bitů na médiu (elektrický, optický nebo rádiový signál), – kódování bitů přenášených dat a řídících informací, – vysílací a přijímací obvody síťových zařízení. • Příklady standardů: standardy EIA/TIA pro UTP a optické kabely, ISO 8877 pro RJ-45 konektory, EIA RS-232, IEEE 802.11a/b/g/n. 14
Protokolový model TCP/IP • Protokolový model TCP/IP byl vytvořen na základě iniciativy Ministerstva obrany USA s cílem zajistit spojení mezi experimentální sítí ARPANET a jinými sítěmi. • Model TCP/IP byl navržen jako sada protokolů pro heterogenní síťové prostředí. Jeho protokoly vznikaly postupně v 70. a 80. letech 20. století. Tento model je pojmenován podle jeho dvou nejvýznamnějších protokolů TCP a IP. • V současnosti se protokoly tohoto modelu používají při komunikaci mezi počítači v rámci Internetu i v mnoha jiných sítích. 15
• Výhody modelu TCP/IP: - fragmentace IP paketů podle použité technologie spojové vrstvy, - flexibilní adresní systém.
16
Protokolový model TCP/IP (vybrané protokoly)
17
Vrstvy protokolového modelu TCP/IP Aplikační vrstva (Application layer) • Aplikační vrstva odpovídá třem vrchním vrstvám modelu OSI (aplikační, prezentační a relační vrstva). Nabízí služby poskytované systémem uživatelským aplikacím. • Existuje mnoho protokolů a služeb aplikační vrstvy - File Transfer Protocol (FTP), Terminal emulation protocol (telnet), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), Hypertext Transfer Protocol (HTTP) atd.
18
Transportní vrstva (Transport layer) • Transportní vrstva poskytuje dva typy služeb vyšší vrstvě – garantované doručení dat pomocí TCP protokolu (Transmission Control Protocol ) a doručení dat metodou „best effort“ pomocí UDP protokolu (User Datagram Protocol). • Funkce TCP a UDP zahrnují úlohu spojení mezi aplikační vrstvou a Internetovou vrstvou. Transportní vrstva má za úkol realizovat datový přenos z aplikační vrstvy s určitou kvalitou. Následně pak aplikační vrstvu informuje o jeho provedení. Na druhou stranu TCP a UDP využívají níže položenou internetovou vrstvu jako nástroj k přenosu paketů sítí bez zajištění spolehlivosti přenosu.
19
Internetová vrstva (Internet layer) • Internetová vrstva je jádrem celé architektury TCP/IP. Její funkce odpovídají síťové vrstvě modelu OSI. • Hlavním protokolem internetové vrstvy je IP protokol (Internet Protocol). Jeho úkolem je přenos paketů mezi sítěmi, od jednoho směrovače k jinému, až k cílové síti. Na rozdíl od protokolů aplikační a transportní vrstvy není IP implementován jen v koncových zařízeních, ale i v síťových zařízeních jako například směrovač. IP je nespojově orientovaný datagramový protokol, který funguje na principu „best effort“. • Protokoly, které vykonávají ve vztahu k IP pomocnou funkci se často řadí na internetovou vrstvu TCP/IP modelu. K těmto protokolům patří RIP (Routing Information Protocol ) a OSPF (Open Shortest Path First ), které zkoumají síťovou topologii, stanovují cesty k cíli a vytvářejí směrovací tabulky, což pomáhá přenášet IP pakety k jejich cíli. 20
• Ze stejného důvodu i další dva protokoly jsou řazeny na internetovou vrstvu: ICMP (Internet Control Message Protocol), který má za úkol přenášet informace o přenosových chybách datových paketů, a IGMP (Internet Group Management Protocol), který se používá pro podporu multicastingu – přenosu paketu na více adres současně.
21
Vrstva přístupu k síti (Network access layer) • Vrstva přístupu k síti je zodpovědná za spolupráci s různými síťovými technologiemi. TCP/IP model považuje každou technologii této vrstvy za nástroj k přenosu paketů k dalšímu směrovači na cestě k cíli. • Cíl poskytnout rozhraní mezi IP a technologiemi této vrstvy zahrnuje následující úkoly: − definování způsobu zapouzdření IP paketu do PDU dané přenosové technologie, − stanovení způsobu překladu IP adres na adresy používané danou přenosovou technologií.
22
• Takovýto přístup umožňuje síti postavené na TCP/IP využít jakoukoli přenosovou technologii. Je pro ně jen potřeba definovat určité rozhraní. • Vrstva přístupu k síti není striktně regulovaná. Podporuje mnoho různých technologií – Ethernet, FDDI, X.25, Frame Relay, ATM, PPP atd.
23
Internet Protocol (IP) • Úkolem IP je umožnit spojení s jednotlivými níže ležícími technologiemi. • IP je nespojově orientovaný protokol, tzn. IP pracuje s každým paketem jako s nezávislou datovou jednotkou bez vazby na jiné IP pakety. • Jestliže během přenosu IP paketu nastane nějaká chyba, IP neumí provést žádnou činnost k opravě této chyby – IP používá metodu „best effort“. • V současnosti se používá především IP verze 4, ale stále více se prosazuje verze 6, která umožňuje lepší podporu kvality služby (QoS), multicastingu a bezpečnosti. Hlavně ale přináší dostatečně velký počet adres pro rostoucí Internet. 24
Formát IP paketu, TCP segmentu a UDP segmentu
25
Transmission Control Protocol (TCP) • K zajištění spolehlivého doručení dat vytváří TCP logické spojení, které umožňuje číslování přenášených paketů, potvrzování jejich přijetí a zajištění znovuposlání ztracených paketů. Umí také detekovat a odstranit duplicitní pakety a doručit pakety aplikační vrstvě v pořadí, v kterém byly odeslány. Tímto způsobem TCP zajišťuje bezchybný přenos dat v síti od jednoho koncového zařízení k jinému. • TCP také umožňuje komunikaci mezi koncovými zařízeními v duplexním módu.
26
• TCP rozděluje zprávy na segmenty a posílá je do nižší vrstvy. Po přijetí jednotlivých segmentů cílovým zařízením je TCP znovu poskládá do podoby původní zprávy. • Aplikační protokoly využívající TCP: HTTP, FTP, SMTP atd.
User Datagram Protocol (UDP) • UDP je jednoduchý protokol, který se používá, pokud spolehlivost přenosu dat není důležitá nebo je řešena nástroji vyšší vrstvy – aplikační vrstvy. • Funguje na principu „best effort“. • Aplikační protokoly využívající UDP: TFTP, SNMP, DNS atd. 27
Real-time Transport Protocol (RTP) • RTP umožňuje komunikaci (hlas nebo video) v reálném čase. Je navržen i pro multicastovou komunikaci. • Jedná se o jednoduchý protokol a pro svůj přenos používá UDP. • Nepodporuje sice QoS, ale používá RTCP (RTP Control Protocol) pro výměnu informací mezi zdrojovým a cílovým zařízením za účelem kontroly kvality datového přenosu.
28
Síťový řídící systém • Síťový řídící systém obsahuje: – Agenty – Agenti jsou softwarové moduly, které jsou umístěny v síťových zařízeních a které sbírají a uchovávají různé informace jako počet chybných paketů přijatých síťovým zařízením. – Řízené objekty – Řízený objekt je popis něčeho, co může být řízeno. Například seznam aktuálně aktivních TCP spojení v určitém počítači je řízený objekt. Řízené objekty se liší od proměnných, které jsou instancemi jednotlivých objektů. Instancí objektu je v předchozím příkladě jedno aktivní TCP spojení v daném počítači.
29
– Manažera – Manažer je program, který iniciuje řídící operace a přijímá řídící informace od agentů (vyžádané nebo nevyžádané). – Řídící informační databázi (Management Information Base - MIB) – MIB obsahuje všechny řízené objekty. Skupiny souvisejících řízených objektů jsou sdruženy do jednotlivých MIB modulů. MIB má stromovou strukturu. • Příkladem síťového řídícího softwaru je SNMP (Simple Network Management Protocol). • Příklady řízených parametrů: velikost a procento využití paměti, procento využití procesoru, přenosová rychlost rozhraní, provozní zatížení atd.
30
• Úkoly síťového řídícího systému je možné rozdělit do následujících pěti funkčních skupin: 1) konfigurační management (configuration management), 2) chybový management (fault management), 3) výkonnostní management (performance management), 4) bezpečnostní management (security management), 5) účtovací management (accounting management).
31
Telekomunikační řídící síť • Telekomunikační řídící síť (Telecommunication Management Network - TMN) je fyzicky oddělená síť pro řízení telekomunikačních sítí a služeb. Má následující výhody: – Řízení je nezávislé na zatížení telekomunikační sítě. – Řídící informace o síti nebo službě jsou přenášeny nezávisle na síťových zařízeních, což umožňuje kdykoli získat informace o stavu sítě. – Konfigurace síťových zařízení je možno připravit předem a realizovat v době nižšího provozu v síti. – TMN může být použita i v prostředí telekomunikační sítě s vybavením od různých výrobců. 32
•
Použitá literatura: BLUNÁR, Karol, DIVIŠ, Zdeněk. Telekomunikační sítě, 1.díl. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2003. ISBN 80-2480391-7. OLIFER, Natalia, OLIFER, Victor. Computer Networks: Principles, Technologies and Protocols for Network Design. Chichester : John Wiley & Sons, 2006. 973 s. ISBN 0470869828.
33
