Architektura warstwowa

Plan prezentacji Klasyfikacja sieci Komutacja łączy i wiadomości Komutacja pakietów Elementy architektury sieci komputerowej Model warstwowy ISO OSI – założenia Zasady współpracy jednostek warstw Model protokołu w architekturze warstwowej Przepływ danych w architekturze OSI Standardy Tryby wymiany informacji Warstwy - funkcje

Klasyfikacja sieci

Louis Pouzin <pouzin@enst.fr> Dear TC6 friends, Network architecture is TC6 cup of tea. We started from there in 1972, 40 years ago. It's been already more than five years that some pioneers tried to ring the bell of a research gap in network architecture, practically frozen with OSI. Actually it's even worse as we live today with internet, which is not OSI, and internet has been frozen earlier with TCP-IP. It was an experimental network at the time, and it still is. Why it is so is an interesting brainstorming topic, which I shall avoid opening here. The bottom line is: Future Internet = extended obsolescence, unless we open up our vision to future inter-networking. The massive adoption of proprietary systems such as Facebook, Google, Twitter, portends the decline of internet relevance on the applications market; it ends up providing pipes and remote access to centralized services, a traditional role for communications operators. We're back in the 1960s with airlines, banks, railways networks, hooked to each others by ad hoc crutches. In addition the peer-to-peer hunting organized by governments complacent to mummified industries is a sure path to crushing networking innovations. It's about time to revive network architecture research and experiments. Disseminating and teaching new concepts would be a way to raise our head out of the box. We need future designers and engineers, we don't need more temple guardians. To be more specific, I would suggest taking inspiration from one example of innovative thinking brought up by John Day, with the RINA model. See some links below. Cheers, Louis (Pouzin)

Komutacja łączy i wiadomości Komutacja łączy (circuit switching): abonent nawiązuje połączenia względnie rzadko, a czas rozmowy jest względnie długi, wymiana informacji jest poprzedzona fazą zestawiania połączenia (rezerwacja zasobów), Komutacja wiadomości (message switching): transmisję danych charakteryzują względnie długie sesje składające się z krótkotrwałych okresów aktywności (bursty traffic), w sieciach z komutacją wiadomości nie ma wcześniej zestawianych połączeń, ponieważ nie istnieje połączenie, to może się zdarzyć, że wiadomość będzie przechowywana w węźle do chwili zwolnienia się odpowiednich zasobów (zasada „zapamiętaj i wyślij” – store-and-forward), metoda „zapamiętaj i wyślij” wymaga, aby każda wiadomość zawierała pełną informację identyfikacyjną.

Komutacja łączy każdej sesji przydzielana jest stała ilość zasobów każdego kanału transmisyjnego na całej trasie, dedykowanie zasobów, stała trasa, wyczerpanie zasobów powoduje odrzucenie zgłoszenia, zalety: stałość opóźnienia, gwarancja kolejności transmisji, wady: zasoby nie są wykorzystywane w czasie „milczenia” źródła, nieefektywne wykorzystanie zasobów w przypadku dużej zmienności intensywności źródła, nieefektywne w przypadku krótkich wiadomości (czas transmisji do czasu zestawiania łącza).

Komutacja wiadomości - przykład

Komutacja pakietów Komutacja pakietów (packet switching): zbliżona do komutacji wiadomości, wiadomości generowane przez użytkowników (o długości zmiennej oraz zależnej od aplikacji) są dzielone na bloki informacji o standardowej długości (pakiety), oprócz pełnej informacji identyfikacyjnej potrzebny jest identyfikator położenia pakietu w wiadomości, usługi sieci pakietowych: datagram (datagram) i połączenie wirtualne (virtual circuit) Zalety: zmniejsza czas przetwarzania informacji w węzłach, zmniejsza prawdopodobieństwo przekłamania informacji, Wady: konieczność segmentacji (segmentation) i odtwarzania (reassembling) wiadomości.

Komutacja wiadomości i komutacja pakietów węzeł 1 węzeł 2 węzeł 3 czas a) Komutacja wiadomości opóźnienia węzeł 1 węzeł 2 węzeł 3 czas zysk a) Komutacja pakietów opóźnienia

Komutacja pakietów

Optymalna długość pakietu I

Optymalna długość pakietu II

Wymagania stawiane architekturom sieci mechanizmy identyfikacji nadawców i odbiorców (adresacja), zasady transferu danych, zarządzanie kanałami logicznymi: współdzielenie zasobów pomiędzy współzawodniczące żądania, strategie kontroli błędów – detekcja i korekcja, protokoły poprawnej kolejności transferu jednostek danych, regulacja szybkości transferu – dopasowywanie szybkości źródła do możliwości odbioru, fragmentacja i odtwarzanie wiadomości, strategie wyboru tras

Elementy architektury sieci komputerowej

Model warstwowy ISO OSI - założenia International Standard Organization Open Systems Interconnection modularność (wymienność i otwartość), zagnieżdżanie usług, tworzenie oddzielnej warstwy może mieć miejsce, gdy wymaga tego poziom abstrakcji w prezentacji lub przekształcaniu informacji, każda warstwa winna realizować właściwie zdefiniowane funkcje, funkcje realizowane przez poszczególne warstwy winny uwzględniać powszechnie akceptowane standardy, liczba warstw powinna minimalizować ilość informacji przepływającej przez styki międzywarstwowe, liczba warstw nie powinna być jednocześnie zbyt mała, by wyraźnie różnych funkcji nie umieszczać w tej samej warstwie.

Zasady współpracy jednostek warstw

Protokół protokół - „porozumienie” pomiędzy komunikującymi się obiektami dotyczące zasad skutecznego zrealizowania komunikacji, protokoły są podstawowymi elementami oprogramowania sieci, oprogramowanie sieci jest wynikiem złożenia ogólnych koncepcji warstw i inżynierii oprogramowania, w każdej, danej warstwie realizowany jest niewielki zbiór dobrze zdefiniowanych funkcji (usług) żądanych przez warstwy ponad daną warstwą, protokół danej warstwy jest zbiorem reguł i ustaleń wspierających konwersację pomiędzy obiektami warstw, komunikacja pomiędzy warstwami jest wirtualna - nie ma żadnej (poza warstwą fizyczną) fizycznej komunikacji pomiędzy obiektami zlokalizowanymi w warstwach, złożenie warstw i odpowiednich protokołów warstw daje w efekcie architekturą warstwową.

Model protokołu w architekturze warstwowej

Przepływ danych w architekturze OSI

Modele ISO i TCP/IP

Łączenie w modelu TCP FTP client TCP IP Ethernet driver FTP server TCP FTP protocol FTP server TCP IP Token Ring driver TCP protocol router IP protocol IP IP protocol Ethernet protocol Ethernet driver Token Ring driver TR protocol

Standardy n aplikacji n x m standardów m technologii komunikacyjnych

Standardy aplikacji prezentacji sesji transportowa sieciowa standardy zależne od aplikacji (application dependent standards) aplikacji prezentacji sesji transportowa sieciowa łącza danych fizyczna standardy niezależne od aplikacji i medium (application and medium independent standards) standardy zależne od medium (medium dependent standards)

Jednostki danych w warstwach blok aplikacji prezentacji sesji transportowa sieciowa łącza danych fizyczna wiadomość PDU WP PDU WS segment pakiet ramka

Enkapsulacja dane użytkownika APLIKACJA nagłówek aplikacji dane TRANSPORT CONTROL PROTOCOL nagłówek TCP dane aplikacji segment TCP INTERNET PROTOCOL nagłówek IP nagłówek TCP dane aplikacji datagram IP STEROWNIK ETHERNET nagłówek Ethernet nagłówek IP nagłówek TCP dane aplikacji ETHERNET ramka Ethernet (od 46 do 1500 bajtów)

Tryby wymiany informacji – tryb połączeniowy

Tryby wymiany informacji – tryb bezpołączeniowy

Warstwa fizyczna I transparentna transmisja strumienia bitów poprzez fizyczne (przewodowe lub bezprzewodowe) połączenie elementów sieci (przeźroczystość dla inteligencji zarządzania i protokołów warstw powyżej fizycznej), transmisja punkt - punkt lub punkt – wielopunkt, tryb transmisji: simpleks (simplex), półdupleks (half-duplex) lub pełny dupleks (full-duplex) , transmisja szeregowa lub równoległa, specyfikacja warstwy – charakterystyki: elektryczne, mechaniczne, operacyjne i sygnalizacji. specyfikacja DTE (Data Terminal Equipment) i DCE (Data Circuit Terminating Equipment)

Warstwa fizyczna II odpowiedzialność za transmisję bitów w kanale transmisyjnym (randomizacja, równoważenie, kodowanie transmisyjne), opóźnienie propagacji: przykłady: system naziemny (d= 1000 km – 3,3 milisek), system satelitarny (d=40000 km – 0,125 sek) Ethernet (d = 1 km – 3 mikrosek.) błędy transmisji: utrata mocy z powodu tłumienia sygnału, nakładanie się szumów, model kanału transmisyjnego (model Shanona)

DTE i DCE - ogólna konfiguracja systemu transmisji danych: Data Circuit Data Terminal Equipment Data Circuit Terminating Equipment Data Circuit Terminating Equipment Data Terminal Equipment

Tryby transmisji - simplex - half-duplex - full-duplex terminal A czas terminal B - half-duplex terminal A czas terminal B - full-duplex terminal A czas terminal B

Connect Data Set to Line DTE Common Earth Return Interfejsy X.21 i V.24 V.24 Frame Graund Signal Graund Send Data Receive Data Request for Sending Connected for Sending Data Set Ready Connect Data Set to Line Equipment Ready Carrier Detect Send Timing Receive Timing Call Indication X.21 Transmit Receive Control Indication Element Timing Byte Timing Signal Ground DTE Common Earth Return DCE (modem) DTE DCE DTE

Warstwa łącza danych ramkowanie, detekcja błędów i korekcja błędów (retransmisja), zestawienie niezawodnego interfejsu (detekcja lub korekcja błędów) protokołu poprzez warstwę fizyczną, wymiana ściśle zdefiniowanych jednostek danych protokołu warstwy (ramek), ograniczony zakres adresowy umożliwiający multipleksację (zwielokrotnianie) na pojedynczym interfejsie warstwy fizycznej, możliwa implementacja funkcji sterowania przepływem (np. spowalnianie przepływu).

Warstwa łącza danych – sieci lokalne sieciowa warstwa sieciowa podwarstwa sterowanie łączem (Logical Link Control) 802.2 Logical Link Control warstwa łącza danych podwarstwa dostępu do medium (Medium Access Control) 802.3 (Ethernet) 802.5 (Token Ring) 802.6 (DBDQ) 802.11 (WLAN) 802.4 (Token Bus) warstwa fizyczna podwarstwa fizyczna (Physical) ... ...

Warstwa łącza danych – inne sieci sieciowa 802.2 Logical Link Control warstwa łącza danych Asynchronous Transfer Mode (ATM) Integrated Services Digital Network (ISDN) Frame Relay (FR) 802.3 (Ethernet) 802.4 (Token Ring) 802.6 (DBDQ) 802.11 (WLAN) 802.4 (Token Bus) warstwa fizyczna ... ...

Warstwa sieciowa niezawodne, zachowujące kolejność dostarczanie jednostek danych pomiędzy obiektami warstwy transportowej, jednoznaczny system adresowania, funkcje wyznaczania tras (routing) składające się z aktywności kontrolnych (control) i przekazywania (forwarding), jednostka danych protokołów warstwy sieciowej to pakiet, możliwa (opcjonalnie) realizacja funkcji sterowania dostępem, przepływem i kształtowaniem ruchu oraz segmentacji i odtwarzania,

Warstwa transportowa połączenie obiektów warstwy sesji, segmentacja, odtwarzanie i multipleksacja ruchu (sesji) w jednym połączeniu warstwy sieciowej, odtwarzanie kolejności, umożliwia obiektowi warstwy sesji żądania klasy usług poprzez ich mapowanie w jedną z dostępnych usług warstwy sieciowej, sterowanie i zarządzanie przepływem (np. przeciwdziałanie przeciążeniom), często realizacja funkcji detekcji i korekcji błędów (zwłaszcza wtedy, gdy protokół warstwy sieciowej jest bezpołączeniowym).

Warstwa sesji interfejs użytkownika do sieci, którego niektóre dane są (mogą być) przekształcane w warstwie prezentacji, realizacja wirtualnych połączeń typu koniec – koniec (end-to-end) pomiędzy użytkownikami, w niektórych przypadkach bezpośrednie łączenie użytkowników aplikacji, negocjacje wartości parametrów i wymiana informacji o użytkownikach końcowych aplikacji, inne funkcje: zarządzanie przepływem, zarządzanie dialogiem, sterowanie kierunkami przepływu informacji oraz wspomaganie transakcji, funkcje taryfowania,

Warstwa prezentacji decyduje o tym, jak dane prezentowane są użytkownikowi, rozwiązania oparte na standardach i/lub fabrycznych, zarządzanie urządzeniami zewnętrznymi, przykładowe protokoły warstwy prezentacji, to formaty wyświetlania obrazu i tekstu, kody konwersji pomiędzy różnymi programami, implementacja kryptografii, kompresji,

Warstwa aplikacji zarządzanie programami lub urządzeniami generującymi dane (ruch w sieci), funkcje warstwy są zależne od protokołów obsługi urządzeń (equipment-dependent), przykłady standardów protokołów aplikacji: X.400, X.500, ODA (Office Document Architecture), TP (Transaction Processing).

Architektura warstwowa – jakość usług