Systemy operacyjne i sieci komputerowe Typy protokołów. Warstwy modelu ISO/OSI.

Pojęcie protokołu Aby komputery połączone w sieć mogły się ze sobą komunikować, muszą korzystać ze wspólnego języka, czyli tak zwanego protokółu. Protokół stanowi zestaw zasad i standardów, które umożliwiają komunikację pomiędzy komputerami w sieci. Obecnie stosowanych jest wiele typów protokołów, różniących się między sobą właściwościami i możliwościami. Nie każdy protokół jest jednak kompatybilny z każdym typem komputera lub systemem operacyjnym.

Pojęcie protokołu Protokoły w swojej istocie stanowią element oprogramowania i jako takie muszą zostać zainstalowane na składnikach sieci, które mają z nich korzystać. Komputery mogą komunikować się ze sobą tylko pod warunkiem, że korzystają z tego samego protokołu. Jeśli protokół, wykorzystywany w sieci przez jeden komputer, nie jest kompatybilny z protokołem, wykorzystywanym przez drugi komputer, to komputery te nie mogą wymieniać między sobą informacji. W danym środowisku sieciowym mogą być wykorzystywane bardzo różne protokoły. Chociaż każdy protokół jest w stanie zapewnić podstawową obsługę procesu komunikacji w sieci, każdy też ma pewne charakterystyczne funkcje, przeznaczone do realizacji specyficznych zadań.

Typy protokołów Protokoły możemy podzielić na: otwarte; charakterystyczne dla producenta. Z innej strony możemy je podzielić na: rutowalne, nierutowalne.

Protokoły otwarte Protokoły otwarte stanowią grupę protokołów, napisanych w oparciu o powszechnie znane standardy przemysłowe. Protokół, który został stworzony zgodnie z tymi standardami, jest kompatybilny ze wszystkimi innymi protokołami, napisanymi w oparciu o te same standardy. Protokoły otwarte nie są protokołami własnościowymi (nie stanowią niczyjej prywatnej własności). Typowym przykładem protokołu należącego do tej grupy jest protokół TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), który jest podstawowym protokołem transmisji w sieci Internet.

Protokoły charakterystyczne dla producenta Grupa protokołów charakterystycznych dla producenta obejmuje protokoły własnościowe, opracowane przez różnych producentów i przeznaczone do pracy w specyficznych środowiskach. Na przykład firma Novell stworzyła zestaw protokołów, takich jak IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange), mając na uwadze specyfikę architektury NetWare.

Protokoły rutowalne Protokoły rutowalne umożliwiają komunikację pomiędzy sieciami LAN lub segmentami sieci, które mogą być rozproszone w obrębie jednego budynku, niewielkiego obszaru geograficznego, takiego jak sieć uniwersytecka lub całego świata, tak jak to jest w przypadku sieci Internet. Protokoły rutowalne są w stanie zapewnić transmisję danych z jednego segmentu sieci do innego, wzdłuż dowolnej ścieżki, łączącej dwa segmenty sieci. Przykładowymi rutowalnymi protokołami są protokoły TCP/IP oraz IPX/SPX.

Protokoły nierutowalne Protokoły nierutowalne, w przeciwieństwie do protokółów rutowalnych, nie zapewniają transmisji danych z jednego segmentu sieci do innego. Komputery korzystające z protokołów nierutowalnych mogą komunikować się tylko z komputerami znajdującymi się w tym samym segmencie sieci. Protokoły NetBEUI oraz DLC (Data Link Control) są przykładami protokołów nierutowalnych.

Potrzeba wprowadzenia modelu warstwowego ISO/OSI Ponieważ protokoły mogą być skomplikowane, nadaje się im strukturę warstwową. Polega on na podzieleniu złożonych zadań wysłania i odebrania danych w sieci między hostami na siedem warstw, które wykonują ściśle określone procedury. Procedury między warstwami są niezależne i pozwalają wymieniać zawartość poszczególnej z nich na inną z zachowaniem jej poprzednich zadań, np. w celu optymalizacji kodów algorytmów. Jest to możliwe dzięki temu, że każda ma ściśle zdefiniowaną postać danych wejściowych i wyjściowych. Umożliwia to opracowywanie programistom kodu obsługi każdej z warstw w osobnych zespołach jednocześnie, co znacznie skraca czas potrzebny do uzyskania produktu finalnego.

Definicja modelu OSI Model odniesienia OSI (ang. Open System Interconnection Reference Model) jest traktowany jako wzorzec transmisji danych dla protokołów komunikacyjnych w sieciach komputerowych. Podstawowym założeniem modelu jest podział systemów sieciowych na 7 warstw (ang. layers), współpracujących z sobą w ściśle określony sposób. Każda warstwa komunikuje się tylko z warstwą bezpośrednio wyższą i bezpośrednio niższą. Warstwy wyższe korzystają z usług warstw niższych, a warstwy niższe świadczą usługi na rzecz warstw wyższych. Został on przyjęty przez Międzynarodową Organizację Standaryzującą ISO w 1984 roku.

Model warstwowy OSI Aplikacji Prezentacji Sesji Transportowa Sieci (sieciowa) Łącza danych Fizyczna

Model warstwowy OSI Model warstwowy OSI jest wzorcem używanym do reprezentowania mechanizmów przesyłania informacji w sieci. Pozwala wyjaśnić, w jaki sposób dane pokonują różne warstwy w drodze do innego urządzenia w sieci, nawet jeśli nadawca i odbiorca dysponują różnymi typami medium sieciowego. Podział sieci na warstwy przynosi następujące korzyści: Dzieli proces komunikacji sieciowej na mniejsze, łatwiejsze do zarządzania elementy składowe Tworzy standardy składników sieci, dzięki czemu składniki te mogą być rozwijane niezależnie i obsługiwane przez różnych producentów. Umożliwia wzajemną komunikację sprzętu i oprogramowania sieciowego różnych rodzajów. Zmiany wprowadzone w jednej warstwie nie dotyczą innych warstw.

Warstwa aplikacji Warstwa aplikacji zajmuje się specyfikacją interfejsu, który wykorzystują aplikacje do przesyłania danych do sieci. Warstwa ta świadczy usługi końcowe dla aplikacji. Na tym poziomie działają aplikacje sieciowe dostępne bezpośrednio dla użytkownika, takie jak poczta elektroniczna, przeglądarka stron WWW itp. Jeżeli użytkownik posługuje się oprogramowaniem działającym w architekturze klient-serwer, to po jego stronie znajduje się klient, a serwer działa na komputerze podłączonym do sieci. Serwer i klient działają w warstwie aplikacji. W warstwie tej zdefiniowane są protokoły usług sieciowych takich jak HTTP, FTP, SMTP.

Warstwa prezentacji Zadaniem warstwy prezentacji jest przetworzenie danych pochodzących z warstwy aplikacji do postaci standardowej, której wymagają warstwy niższe, a gdy informacje płyną w kierunku warstwy aplikacji, warstwa prezentacji tłumaczy dane otrzymane z warstw niższych na format zgodny aplikacją dla której są przeznaczone. Zajmuje się tłumaczeniem poleceń pochodzących od warstwy aplikacji do uniwersalnego języka rozumianego wszędzie w sieci zacierając w ten sposób różnice wynikające z występowania w sieci różnych platform sprzętowych i systemowych. Odpowiada także za kompresję i szyfrowanie.

Warstwa sesji Zadaniem warstwy sesji jest zarządzanie przebiegiem komunikacji podczas połączenia między dwoma komputerami. Przepływ tej komunikacji nazywany jest sesją. Warstwa ta nadzoruje połączenie i kontroluje, która aplikacja łączy się z którą, dzięki czemu może zapewnić właściwy kierunek przepływu danych. W razie przerwania połączenia, nawiązuje je ponownie. Ponadto określa, czy komunikacja może zachodzić w jednym kierunku, czy w obu kierunkach i gwarantuje zakończenie wykonywania bieżącego żądania przed przyjęciem kolejnego.

Warstwa transportowa Warstwa transportowa przesyła wiadomość kanałem stworzonym przez warstwę sieciową. W tym celu dzieli dane otrzymane z warstwy sesji na segmenty, które są kolejno numerowane i wysyłane do stacji docelowej. Zapewnia właściwą kolejność wysyłanych i otrzymanych segmentów, a w razie zaginięcia lub uszkodzenia segmentu może zażądać jego retransmisji. Stacja docelowa może również wysyłać potwierdzenie odebrania segmentu.

Warstwa sieci (sieciowa) Warstwa sieci (sieciowa) jako jedyna dysponuje wiedzą dotyczącą fizycznej topologii sieci. Rozpoznaje, jakie trasy łączą poszczególne komputery i sieci i na tej podstawie decyduje, którą z nich wybrać. Zapewnia metody ustanawiania, utrzymywania i rozłączania połączeń sieciowych. Jednostką danych w tej warstwie jest pakiet. Warstwa ta odpowiada za adresowanie logiczne węzłów sieci (adresy IP).

Warstwa łącza danych Warstwa łącza danych nadzoruje warstwę fizyczną i steruje fizyczną wymianą bitów. Ma możliwość zmiany parametrów pracy warstwy fizycznej, tak aby obniżyć liczbę pojawiających się podczas przekazu błędów. Definiuje mechanizmy kontroli błędów CRC (Cycling Redundancy Check) i zapewnia dostarczanie ramek informacji do odpowiednich węzłów sieci na podstawie fizycznego adresu MAC karty sieciowej. Jednostką danych w tej warstwie jest ramka.

Warstwa łącza danych Warstwa łącza danych dzieli się na dwie podwarstwy: LLC (Logical Link Control) – sterowania łączem danych – kontroluje poprawność transmisji i obsługuje tworzenie ramek. Współpracuje przede wszystkim z warstwą sieciową. MAC (Media Access Control) – sterowania dostępem do nośnika – zapewnia dostęp do nośnika sieci lokalnej i współpracuje przede wszystkim z warstwą fizyczną.

Warstwa fizyczna Warstwa fizyczna jest odpowiedzialna za przesyłanie strumieni bitów bez kontroli ruchu i bez uwzględnienia rodzaju informacji. Określa ona wszystkie składniki sieci niezbędne do obsługi elektrycznego, optycznego oraz radiowego wysyłania i odbierania sygnałów. Stanowi ją zespół mediów transmitujących wraz z tymi urządzeniami które zajmują się generacja sygnału, regeneracją i transkodowaniem z/na język zrozumiały dla warstw wyższych Ustala sposób przesyłania bitów i odległości przerw między nimi.

Trzy warstwy górne (aplikacji, prezentacji i sesji) zapewniają współpracę z oprogramowaniem realizującym zadania użytkownika systemu komputerowego. Tworzą one interfejs pozwalający na komunikację z warstwami niższymi. Zadaniem czterech najniższych warstw (transportowa, sieciowa, łącza danych oraz fizyczna) jest transmisja danych. Zajmują się odnajdywaniem odpowiedniej drogi do miejsca przekazania konkretnej informacji. Dzielą dane na odpowiednie dla danej warstwy jednostki danych PDU (Protocol Data Unit). Dodatkowo zapewniają weryfikację bezbłędności przesyłanych danych. W pierwszej warstwie modelu OSI pracują koncentratory, wzmacniaki i okablowanie. Do drugiej przypisane są przełączniki i karty sieciowe (operują na adresach MAC); warstwa trzecia poprzez routery operuje na adresach IP.

Przepływ danych między warstwami Aplikacje użytkownika działają w warstwie aplikacji, generują strumień danych, który jest przesyłany do niższych warstw modelu OSI; W warstwie transportowej zostaje on podzielony na segmenty, każdy z segmentów posiada nagłówek warstwy czwartej, który zostaje nadany przez tę właśnie warstwę; W nagłówku tym umieszczany jest miedzy innymi numer sekwencyjny, potrzebny do ustalenia kolejności przesyłania danych;

Przepływ danych między warstwami Warstwa sieciowa odpowiedzialna jest za podzielenie danych na pakiety i opatrzenie każdego pakietu nagłówkiem; W nagłówku pakietu umieszczany jest miedzy innymi adres IP nadawcy i odbiorcy; Adres IP odbiorcy wykorzystywany jest przez router do ustalenie optymalnej trasy, po której pakiet będzie przesłany; Pakiet przesyłany jest do warstwy łącza danych i dzielony na ramki; Każda ramka posiada nagłówek zawierający między innymi adresy MAC nadawcy i odbiorcy oraz stopkę zawierającą pole kontroli parzystości CRC;

Przepływ danych między warstwami Warstwa fizyczna zamienia dane na ciąg bitów i przesyła za pośrednictwem medium transmisyjnego; Proces podziału strumienia danych na jednostki danych i opatrywanie ich nagłówkami nazywamy enkapsulacja; Proces odwrotny, realizowany podczas odbierania informacji i przesyłania danych do górnych warstw nazywamy dekapsulacja.

Przepływ danych między warstwami