Architektura OSI i architektura Internetu

• Architektura OSI

  
  
  • Między narodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) była jedną z pierwszych organizacji, które formalnie zdefiniwały jednolity sposób łączenia komputerów
  • przedstawila ona architekturę zwaną architekturą połączenia systemów otwartych (Open Systems Interconection archicture, w skrócie OSI)
  • definiuje ona podział funkcji sieci na siedem warstw
  • funkcje każdej warstwy są realizowane przez jeden lub więcej protokołów
  • model warstwowy nie jest więc grafem protokołów, ale raczej modelem odniesienia (reference model) dla grafu protokołów
  • protokoły oparte na architektórze OSI to między innymi X.25, X.400, X.500 itd,; sieć publiczna X25, prywatna sieć Tymnet

• warstwy architektóry OSI
  1. Warstwa fizyczna (physical layer) obsługuje transmisje nieprzetworzonych bitów na łączu komunikacyjnym
  2. Warstwa łącza danych (data link layer) łączy strumień bitów w wieksze jednostki zwane ramką
  3. Warstwa sieci (network layer) obsługuje wybór trasy między węzłami w sieci z komutacją pakietów. Jednostka danych wymieniana między wezłami nazywana jest w tej wartwie pakietem , nie ramką
     
     • te trzy warstwy są implementowane we wszystkich węzłach sieci, włączając w to komutatory wewnątrz sieci i komputery po zewnętrznej stronie sieci
  4. Wartwa transportowa (transport layer) implementuje to, co dotychczas nazywaliśmy kanalem między procesami. Tutaj wymieniana jednostka danych to komunikat, a nie pakiet czy ramka
  5. Warstwa sesji (session layer) zapewnia zbiór nazw stosowanych w celu wzajemnego powiązania potencjalnie odmiennych strumieni transportowych bedących częścią jednej aplikacji, np. zapisu dzwięku i strumienia wideo w aplikacji telekonferencji
  6. Warstwa prezentacji (presentation layer) zajmuje się formatem danych wymienianych miedzy stacjami protokołu, np. bada czy liczba calkowita jest zapisana na 16, 32, 64 bitach, albo czy najstarszy bit jest nadawany jako pierwszy czy ostatni
  7. Warstwa aplikacji (application layer) zawiera takie protokoły jak FTP, definiując protokół, dzieki któremu aplikacje przesyłania plików mogą współpracować
• zgodnie z zaleceniami Miedzynarodowej Organizacji Normalizacji ISO, sieć opisuje sie siedmioma warstwami: (inny opis warstw)

1. Warstwa fizyczna: Warstwa fizyczna odpowiada za obsługę zarówno mechanicznych, jak i elektrycznych szczegółów fizycznej transmisji strumieni bitów. Komunikujące się systemy muszą w warstwie fizycznej uzgodnić elektryczną reprezentację cyfr dwójkowych Oil, aby podczas przesyłania danych w postaci strumienia sygnałów elektrycznych odbior- ca był w stanie interpretować je poprawnie jako dane binarne. Ta warstwa jest implementowana przez sprzęt sieciowy.
2. Warstwa łącza danych: Warstwa łącza danych odpowiada za obsługę ramek, czyli pakietów o stałej długości; do jej zadań należy m.in. wykry- wanie wszelkich błędów, które wystąpiły w warstwie fizycznej oraz ich usuwanie.
3. Warstwa sieciowa: Warstwa sieciowa odpowiada za organizację połą- czeń i za określanie tras pakietów w sieci komunikacyjnej, w tym za ob- sługę adresów wychodzących pakietów, dekodowanie adresów nadcho- dzących pakietów i utrzymywanie informacji o trasach w celu odpowied- niego reagowania na zmieniające się obciążenia sieci. W tej warstwie działaj ą rutery.
4. Warstwa transportu: Warstwa transportu odpowiada za dostęp do sieci na niskim poziomie i za przesyłanie komunikatów między klientami. w tym za dzielenie komunikatów na pakiety, dopilnowywanie porządku pakietów, kontrolowanie przepływu i generowanie adresów fizycznych.
5. Warstwa sesji: Warstwa sesji odpowiada za implementację sesji, czyli protokołów komunikacyjnych między procesami. Na ogół są to protokoły określające bieżące reguły rejestrowania się na zdalnych komputerach oraz zasady przesyłania plików i poczty.
6. Warstwa prezentacji: Warstwa prezentacji odpowiada za likwidowanie różnic w formatach między różnymi stanowiskami w sieci, w tym za konwersję znaków oraz pracę w trybach półdupleksowym i pełnoduplek- sowym (z echem znaków).
7. Warstwa zastosowań: Warstwa zastosowań odpowiada za bezpośrednią interakcję z użytkownikami: przesyła pliki, obsługuje protokoły zdalnych rejestracji i pocztę elektroniczną, jak również schematy rozproszonych baz danych.

• architektura OSI (model OSI, model ISO) i odpowiadające jej protokoły powstały w latach 70 - tych i aktualnie nie są szeroko używane, w szególności dlatego, ze :
  • w kilku przypadkach specyfikacje okazały się niekompletne
  • zalecane protokoły okazały się funkcjonalnie gorsze od juz istniejących
  • liczne warstwy spowalniały działanie i itrudniały wykonanie fizyczne tych protokołów
• chociaż model 7 - warstwowy OSI mógłby być stosowany do Internetu, zamiast niego stosuje się model 4 - warstwowy, a architekture Internetu nazywa się architekturą TCP/IP, ze względu na jej dwa główne protokoły




---





• Rodzina Protokołów TCP/IP (protokołów Internetu)

  
  
  • w internecie przyjął się 4 - warstwowy model oparty na rodzinie protokołó TCP/IP

• rodzina protokołów TCP/IP

• w systemach operacyjnych powszechnie stosuje się zestaw programów sieciowych wykorzystujących protokoły TCP/IP

• warstwa procesu
  • oferuje usługi obejmujące narzędzia finalnego (końcowego) użytkownika, dodatkowe protokoły i usługi systemu
  • wiele usług (aplikacji) TCP/IP ma odpowiadające im protokoły o tej samej nazwie; możliwy sposób rozróżnienia (np. w UNIX-ie) to używanie odpowiednio małych i dużych liter, np. ftp - usługa, a FTP - protokół
  • warstwa zapewnia wspólny mechanizm do wspólnego korzystania z plików, wymiany poczty elektronicznej, zdalnego dostępu do sieci, transferowania pików i wykorzystywania innych zadań sieciowych
   
• warstwa połączeń dwóch głównych komputerów 
  • warstwa odpowiedzialna za zapewnienie solidnego mechanizmu dostarczania danych między różnymi elementami sieci
  • usługę tą oferuje protokół transmisji TCP (dane w sieci mogą się zagubić lub zniszczyć, gdy pojawią się błędy transmisji lub błędy sprzętu sieciowego)
  • w tej warstwie istnieje również protokół UDP, nie używający potwierdzeń w celu upewnienia się o dotarciu komunikatów; komunikaty UDP mogą więc ulec zagubieniu itp.
  • termin używany do opisu informacji w tej warstwie to segment
   
• warstwa Internetu 
  • oferuje usługę dostarczania pakietów ( tak jest opsywana informacja na tym poziomie, która jest niepewna i oparta na bezpołączeniowym protokole transferu zwanym IP
  • pakiety są rozsyłane pomiędzy różne adresy IP; pakiety mogą być zagubione, opóźnione, skopiowane i dostarczane poza kolejnością
  • nie oznacza to, że protokół jest niewiarygodny; IP używa protokołów wyższego poziomu, jak np. TCP, aby zagwarantować dostawy danych
  • uważa się go za bezpołączeniowy, bo nie otwiera połączenia, przez które transferowane są pakiety, tak jak robią to wiarygodne protokoły transmisji; każdy pakiet IP jest samowystarczalny, niezależny od żadnego innego pakietu oraz nie jest częścią uprzednio zawartego porozumienia pomiędzy elementami sieci
  • gdy żadna informacja o połączeniu nie jest przechowywana w IP, dostawa pakietów jest prostsza i bardziej wydajna
  • IP definiuje format adresów (cztery liczby dziesiętne oddzielone kropkami, np. 134.110.225.225) i wymaga, aby każdy element sieci miał swój unikalny adres
  • dwie wersje protokołów IP
    • starsza : wersja 4 (IPv4) - adres 32 - bitowy
    • wersja 6 (IPv6) - adres 128 - bitowy
   

• warstwa dostępu do sieci
  • wymaga ona fizycznego dostępu do sieci; tworzą ją więc sprzęt oraz programy obsługi sprzętu
  • termin służący do opisu informacji przetwarzanej  na tym poziomie to ramka
  •  protokół ARP umożliwia rozróżnianie i odwzorowanie różnych formatów adresów (np. Ethernet używa 48 - bitowych adresów przy użyciu dwukropkowego szesnastkowego zapisu, np. 8:0:20:4:cf:2c )

• protokół TCP/IP składa się z następujących elementów:

• programy klientów iserwerów (np. przeglądarka WWW) komunikują się ze sobą przy użyciu protokołów TCP/IP

• mimo, że klient i serwer komunikują sie za pośrednictwem protokołó warstwy zastosowań, warstwy transportowe zaś komunikują się przy użyciu protokołu TCP, itd., tojednak widzimy, że rzeczywisty przepływ informacji miedzy klientem i serwerem odbywa sie w obu kierunkach - w dół i do góry - poprzez kolejne protokoły po oby stronach
• klient i serwer to procesy użytkownika, a oprogramowanie protokołów TCP i IP należą do warstw oprogramowania sieciowego, tzw. stosu protokołów (protocal stack), które znajdują się w jądrze systemu

• procesy klienta i serwera nie muszą działać w tej samej sieci lokalnej, lecz mogą działać w różnych sieciach; jeżeli działają w różnych sieciach lokalnych to za pomocą routerów, obie sieci lokalne są połączone w sieć rozległą
• czasami klient i serwer posługują się protokołemUTP zamiastTCP
• w rzeczywistości istnieją wersje protokołu IP
  • wersja 4 protokołu IP (IPv4); od wczesnych lat 80 - tych
  • wersja 6 protokołu IP (IPv6); od połowy lat 90 - tych

• jak wskazywano już wcześniej, istnieje rodzina protokołów  TCP/IP (nazywana również architekturą Internetu, lub architekturą TCP/IP) zapewniająca szeroki wybór protokołów
• na najniższym poziomie tego modelu 4 -ro warstwowego istnieje szeroki wybór protokołów oznaczonych NET1, NET2, itd.
• w praktyce, protokoły te są rownież zaimplementowane za pomocą kombinacji sprzętu (np. adaptera sieci) i oprogramowania (np. programu obsługi urządzeń sieciowych)
• w tej warstwie można odnaleźć protokoły Ethernetu lub FDDI; mogą one w rzeczywistości wymagać podziału na kilka podwarstw, ale architektura Internetu nic na ich temat nie zakłada

• protokół IP drugiej warstwy zapewnia połączenie wielu technik sieciowych w jedną, logiczną intersieć
• trzecia warstwa zawierająca TCP i UDP dostarcza programom aplikacji alternatywne kanały logiczne
  • TCP tworzy niezawodny kanał strumienia bajtów
  • UDP tworzy zawodny kanał dostawy datagramów (synonim komunikatu)
• protokoły 3 -ciej warstwy są czasem nazywaneprotokołami końcowymi (end-to-end protocols), lub protokołami transportowymi (transport protocols)
• powyżej warstwy transortowej jest urachamiany pewien asortyment protokołów aplikacyjnych, należą do nich:
  • FTP
  • TFTP (Trivial File Transport Protocol) - trywialny protokół przesyłania danych)
  • Telnet - protokół zapewniający zdalną rejestrację w systemie
  • SMTP (Simple Mail Transfer Protocol - prosty protokół przesyłania danych)
• jaka jest różnica miedzy protokołem warstwy aplikacji i samą aplikacją?
  • wyobraźmy sobie wszystkie dotępne przeglądarki stron WWW, takie jak Mosaic, Netscape, Lynx, itd.
  • przyczyną, dla której mozemy stosować dowolny z wymienionych programów aplikacyjnych, w celu uzyskania dostępu do danej strony WWW, jest to że wszystkie te programy dostosowują się do tego samego protokołu warstwy aplikacji
  • ten protokół to HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) - ptotokół przesyłania hipertekstu
• zauważmy, ze czasami w sosób mylący, to samo oznaczenie stosuje sie zarówno do samej aplikacji, jak i do protokołu warstwy aplikacji, z którego ta aplikacja korzysta (ma to miejsce w przypadku oznaczenia FTP)

• nie sugeruje ona ścisłego podziału na warstwy
  • aplikacji wolno obejść zdefiniowana warstwę transportową i użyć bezpośrednio protokołu IP albo jednej z istniejących sieci
  • faktycznie, programistom wolno zdefiniować zarówną nową abstrakcjękanału, jak i takie aplikacje, które da się uruchomić na dowolnym z istniejących protokołów
• IP pełni rolę centralnego punktu architektury - definiujemetodą wymiany pakietów wspólną dla szerokiego zbioru sieci
  • powyżej IP moze się znajdować dowolnie duż protokołów transportowych z których każdy oferuje programom aplikacyjnym odmienną abstrakcję kanału
  • w ten sposób zagadnienie dostarczania komunikatów od jednego do drugiego komputera jest całkowicie oddzielone od zagadnienia dostarczenia przydatnej usługi komunikacyjnej od procesu do procesu
  • ponoiżej IP, architektura dopuszcza dowolnie dużo odmiennych technik sieciowych, od Ethernetu, FDDI, i ATM po pojedyńcze łącza dwupunktowe
• jeżeli ktoś proponuje włączenie nowego protokołu do architektury, musi przedtawić specyfikację protokołu i co najmniej jedną - a lepiej dwie - reprezentywne implementacje specyfikacji
• pomaga to uzyskać gwarancję, że protokoły danej architektury będą skutecznie implementowane
• nawet przy tym wymaganiu, implenetacje protokołów w architeturze Internetu zmieniają sią w sposób znaczący z upływem czasu

Przykład działania sieci

•  rozważmy czynności niezbędne do przesłania pakietu między komputerami znajdujących się w różnych sieciach Ethernet

• każdy komputer w sieci TCP/IP ma nazwę i związany z nią 32 - bitowy adres IP (identyfikator komputera)

  • obie te dane muszą być jednoznaczne i posegmentowane (w celu umożliwienia zarządzania przestrzenia nazw)

  • nazwa jest hierarchiczna - zawiera nazwę komputera oraz określa organizację, w których posiadaniu znajduje się komputer

  • identyfikator komputera jest podzielony na numer sieci i numer komputera

• system nadawczy sprawdza swoje tablice tras, aby znaleźć ruter, który skieruje pakiet na właściwą drogę

  • rutery korzystają z sieciowej części identyfikatora komputera

• jak przebiega droga pakietu między nadawcą a odbiorcą w obrębie sieci, np. sieci lokalnej Ethernet

  • każde urządzenie Ethernet ma jednoznaczny bajtowy numer ("karta") służący do jego adresowania

  • SO generuje okresowo pakiet UDP zawierający identyfikator komputera oraz ethernetowy numer systemu

  • pakiet ten jest rozgłaszany do wszystkich innych systemów w danej sieci Ethernet

  • komunikat rozgłaszany ma specjalny adres sieciowy (z reguły adres maksymalny), aby sygnalizować, ze zawierający go pakiet powinien być przyjęty przez każdy komputer w sieci

  • nie jest on retransmitowany przez bramy, więc odbierają go tylko systemy w sieci lokalnej

  • po odebraniu tego komunikatu (pakietu UDP) każdy komputer wydobywa z niego parę identyfikatorów i zapamiętuje ją podręcznie w wewnętrznej tablicy

  • ciąg tych działań określa się jako protokół tłumaczenia adresu ( Adress Resolution Protocol - ARP)

  • wpisy w pamięci podręcznej są postarzane, tak aby po pewnym czasie następowało ich usuwanie z pamięci, jeśli nie nadchodzi odnawiający je komunikat rozgłaszany

  • dzięki temu po jakimś czasie komputery usunięte z sieci zostają zapomniane

• z chwilą gdy urządzenie Ethernet oznajmi swój identyfikator komputera i adres, komunikacja może się rozpocząć

  • proces może określić nazwę komputera, z którym chce nawiązać łączność

  • jądro SO pobiera tą nazwę i z pomocą bazy DNS ustala internetowy numer adresata

  • komunikat zostaje przekazany z warstwy zastosowań do warstw programowych i warstwy sprzętowej

  • dochodząc do warstwy sprzętowej , pakiet (lub pakiety) jest zaopatrzony w nagłówek z adresem ethernetowym oraz w zakończeniu sumą kontrolną (checksum) służącą do wykrywania błędów (patrz rysunek)

  • pakiet jest następnie umieszczany w sieci przez urządzenie Ethernet (kartę sieciową)

  • pakiet może zawierać wchodzące w skład komunikatu elementy nagłówków górnych warstw protokołu (kapsułkowanie)

• jeśli miejsce przeznaczenia znajduje się w tej samej sieci, to system może go poszukać w pamięci podręcznej ARP

  • po znalezieniu ethernetowego adresu komputera można przesłać pakiet siecią lokalną

  • docelowe urządzenie Ethernet zauważa wówczas swój adres w pakiecie, czyta ten pakiet i przekazuje w górę stosu protokołów

• jeśli system docelowy jest w innej sieci niż źródło komunikatu, to system źródłowy odnajduje odpowiedni ruter w swojej sieci i posyła do niego pakiet

  • ruteru przekazują przekazują pakiet przez sieć rozległą, aż dotrze on do sieci docelowej

  • ruter, który jest połączony z siecią docelową, odszukuje w swojej pamięci podręcznej ARP numer ethernetowego miejsca przeznaczenia i wysyła pakiet do właściwego komputera

  • podczas całego tego łańcucha przesłań wraz z użyciem adresu sieciowego kolejnego rutera może się zmieniać nagłówek łącza danych

  • inne nagłówki pakietu pozostają natomiast takie same do chwili jego przyjęcia, kiedy to następuje ich przetworzenie przez stos protokołów i wreszcie przekazanie do procesu odbiorczego