Sieci i model odniesienia OSI

2. Model odniesienia OSI 2.1 Sieć Sieć jest systemem wzajemnych powiązań stacji roboczych, urządzeń peryferyjnych takich jak drukarki, twarde dyski, skanery i stacje robocze i innych urządzeń. W systemie sieciowym możliwe jest komunikowanie się różnych typów komputerów. Nie jest ważne czy jest to komputer klasy IBM PC, Macintosh czy może mainframe. Ważne jest tylko to, że wszystkie urządzenia porozumiewają się tym samym językiem, czyli za pomocą protokołu, będącego formalnym zapisem zbioru reguł i konwencji zarządzających sposobem wymiany informacji. Na przykład zespół ludzi wyznaczonych do realizacji projektu może składać się z Francuzów, Niemców, Włochów i Polaków. Ważne jest to, że wszyscy oni porozumiewają się wspólnym językiem, zrozumiałym dla każdej ze stron. Sieć komputerowa jest systemem komunikacyjnym łączącym systemy końcowe zwane stacjami sieciowymi lub stacjami (host). Terminem host określa się każdy komputer podłączony do sieci. 2.1.1 Dlaczego i w jaki sposób powstaje sieć? Początkowo komputery funkcjonowały jako samodzielne jednostki. Inaczej mówiąc, każdy komputer pracował niezależnie od innych. Szybko stało się jednak oczywiste, że ten sposób pracy jest nieefektywny i kosztowny. Szukano więc rozwiązania trzech problemów:  Dublowanie wyposażenia i zasobów sieci,  Braku możliwości efektywnego komunikowania,  Braku mechanizmów zarządzania siecią. Dwoma sposobami rozwiązywania tych problemów stały się sieci LAN i WAN. 2.2 Sieci LAN Sieć lokalna LAN (ang. Local Area Network) łączy stacje robocze, peryferia, terminale i inne urządzenia. LAN sprawia, że możliwe jest udostępnianie takich zasobów, jak pliki i drukarki. Można więc używać sieci LAN dla współdzielenia danych, komunikowania się, mocy obliczeniowej i korzystania z serwera plików. Sieci LAN są projektowane w celu:  Działania w ograniczonym obszarze,  Umożliwienia wielu użytkownikom dostępu do mediów komunikacyjnych,  Zapewnienia połączenia z lokalnymi usługami,  Połączenia sąsiadujących ze sobą urządzeń. 2.3 Sieci WAN Wraz z coraz większym zastosowaniem komputerów, szybko kazało się, że sieci LAN nie wystarczają. Przy korzystaniu z sieci LAN każdy oddział firmy stanowi rodzaj elektronicznej wyspy. Rozwiązaniem okazało się utworzenie sieci rozległej WAN (ang. Wide Area Network). Sieć WAN łączy ze sobą sieci lokalne, zapewniając dostęp do umieszczonych w nich serwerów plików i komputerów. Możliwe stało się również komunikowanie z zasobami od siebie oddalonych sieci. 2.3.1 Potrzeba wprowadzenia standardów W ciągu ostatnich dwudziestu lat sieci WAN rozwijały się w bardzo szybkim tempie. Gdy firmy zdały sobie sprawę z tego, jak wiele mogą zyskać stosując technologie sieciowe, rozpoczęły intensywną rozbudowę istniejących sieci i konstruowanie nowych. W wyniku tego, sieci były budowane z użyciem różnorodnego sprzęty i oprogramowania. Pojawienie się wielu sieci niekompatybilnych sprawiło, że komunikowanie między nimi zaczęło sprawiać trudności. Aby rozwiązać problem braku kompatybilności organizacja ISO (ang. International Organization for Standardization) rozpoczęła pracę nad modelem sieci. Uznała ona, że konieczne jest zbudowanie modelu sieci

Model OSI

Sieci komputerowe

umożliwiającego współpracę implementacji sieciowych. Model taki pojawił się w 1984 roku pod nazwą OSI (ang. Open System Interconnection). Model ten szybko stał się podstawowym modelem architektury systemów dla komunikacji między komputerami. 2.4 Model odniesienia OSI Organizacja ISO opracowała Model Referencyjny Połączonych Systemów Otwartych (model OSI) w celu ułatwienia realizacji otwartych połączeń systemów komputerowych. Połączenia otwarte to takie, które mogą być obsługiwane w środowiskach wielosystemowych. Model ten jest schematem opisującym sieć, przyjęcie tego standardu zapewnia większą kompatybilność i umożliwia współdziałanie między różnymi typami technik sieciowych. Jest globalnym standardem określania warstw funkcjonalnych wymaganych do obsługi połączeń. Opisuje sposób w jaki dane są przenoszone z programów aplikacyjnych (takich jak arkusze kalkulacyjne) poprzez medium sieciowe (takie jak przewody) do innej aplikacji, zlokalizowanej na innym komputerze lub w innej sieci. Podczas przechodzenia informacji do niższych warstw danego systemu, informacja ta staje się coraz mniej podobna do języka naturalnego, a coraz bardziej podobna dla zrozumiałych dla komputera zer i jedynek. Opisuje również sposób w jaki informacja wędruje po sieci, stanowiąc ramy określające funkcje sieciowe na różnych poziomach tzw. modelu. Model odniesienia OSI dzieli zadanie przenoszenia informacji między komputerami na siedem mniejszych i łatwiejszych do realizacji zadań. Każdy z tych siedmiu elementów na dość ograniczony zakres. Można go więc łatwiej rozwiązać bez konieczności nadmiernego korzystania z zewnętrznych informacji. Podział na siedem mniejszych i łatwiejszych do rozwiązania problemów nosi nazwę podziału na warstwy (ang. layering). Ponieważ najniższe warstwy od 1 do 3 modelu sterują fizycznym przekazem informacji w sieci, są często nazywane warstwami mediów (ang. media layers). Górne warstwy od 4 do 7 modelu zapewniają właściwe dostarczenie danych pomiędzy komputerami w sieci, dlatego określane są jako warstwy hosta (ang. host layers). Warstwy modelu OSI przedstawia rysunek 1.1. Chociaż większość urządzeń sieciowych przetwarza dane na wszystkich siedmiu warstwach, jednakże, aby usprawnić przenoszenie informacji, często wykonuje się równoczesne działania odpowiadające zadaniom kilku warstw. Rysunek 1.1 Siedem warstw modelu odniesienia OSI

7 6 5 4 3 2 1

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

→ → → → → → →

Praca z aplikacjami sieciowymi Reprezentowanie danych Komunikacja między Hostami Połączenia na całej długości łącza Adresy i najlepsze ścieżki Dostęp do mediów komunikacyjnych Transmisja binarna

Model odniesienia OSI nie jest implementacją sieci. Specyfikuje on tylko funkcje poszczególnych warstw sieci – można go porównać do projektu samochodu. Jakie są różnice między implementacją tego samego projektu samochodu lub specyfikacji protokołu? Częściowo różnice między nimi wynikają z trudności opisania każdego szczegółu. Ponadto różni producenci w odmienny sposób interpretują ten sam model. Z tego względu protokół implementowany przez jedną firmę nie zawsze współpracuje z protokołami pochodzącymi z innych firm. Każda warstwa modelu odniesienia OSI definiuje określone funkcje, zdefiniowane przez model OSI i może być wykorzystana przez każdego producenta.

2

Model OSI

Sieci komputerowe

2.4.1 Dlaczego stosuje się warstwowy model sieci W modelu OSI, siedem warstw określa poszczególne funkcje sieci. Podział sieci na te siedem warstw przynosi następujące korzyści:  Dokonuje podziału powiązanych ze sobą zagadnień na elementy mniej złożone,  Definiuje standardowe interfejsy dla kompatybilności sprzętu różnych producentów,  Pozwala na modularne projektowanie sieci, co umożliwia współdziałanie elementów,  Nie pozwala na to, aby zmiany w jednym obszarze wpływały na inne obszary, co pozwala na szybszą ewolucję poszczególnych obszarów,  Dzieli złożone zagadnienia sieci na oddzielne podzbiory, którymi można łatwiej sterować. 2.5 Funkcje modelu OSI Każda warstwa ma określony zbiór funkcji, które powinna wykonać, aby możliwa była komunikacja w sieci. Warstwa 7: Warstwa aplikacji Warstwa ta jest najbliższa użytkownikowi. Zapewnia ona usługi sieciowe aplikacjom użytkownika. Od pozostałych warstw różni się tym, że nie zapewnia usługi innym warstwom modelu OSI, ale obsługuje aplikacje spoza zakresu modelu OSI. Przykładem są arkusze kalkulacyjne, edytory tekstów i programy obsługi terminali. Warstwa aplikacji identyfikuje i sprawdza dostępność partnerów w procesie komunikowania się, synchronizuje współpracujące ze sobą aplikacje, realizuje uzgodnienia dotyczące rozpoznawania błędów i kontroli integralności danych. Określa też, czy istnieją wystarczające zasoby dla danego rodzaju komunikacji. Warstwa 6: Warstwa prezentacji Warstawa prezentacji sprawia, że informacja wysłana przez warstwę aplikacji w jednym systemie będzie odczytana przez warstwę aplikacji innego systemu. Jeśli jest to konieczne, warstwa prezentacji dokonuje translacji między różnymi formatami reprezentacji danych lub dokonuje translacji do wspólnego formatu reprezentacji danych. Warstwa 5: Warstwa sesji Jak wskazuje nazwa, warstwa sesji ustanawia sesje między aplikacjami, aplikacjami także zarządza sesjami i kończy je. Na sesje składają się dialogi pomiędzy dwiema lub większą liczbą instancji. Warstwa sesji świadczy usługi na rzecz warstwy prezentacji, czyli synchronizuje dialog między instancjami warstwy prezentacji i zarządza wymianą danych miedzy nimi. Ponadto zapewnia synchronizację między jednostkami dialogowymi i raportuje problemy (wyjątki) w warstwie sesji, prezentacji i aplikacji. Warstwa 4: Warstwa transportu Warstwa transportu dzieli i ponownie składa dane, tworząc strumienie danych. Podczas gdy warstwy aplikacji, prezentacji i sesji dotyczą aplikacji, cztery niższe warstwy są związane z przenoszeniem danych. Warstwa transportu zapewnia usługi transportu, które oddzielają wyższe warstwy od szczegółów związanych z implementacją transportu. W celu zapewnienia niezawodnych połączeń wirtualnych, wykrywania błędów transportu i sterowania przepływem informacji. Warstwa 3: Warstwa sieci Warstwa sieci jest złożoną warstwą, która zapewnia połączenie i wybór trasy pomiędzy dwoma końcowymi systemami, umieszczonymi w odległych od siebie sieciach. Warstwa 2: Warstwa łącza danych

3

Model OSI

Sieci komputerowe

Ta warstwa zapewnia niezawodne przenoszenie danych w fizycznym medium. W tym celu zajmuje się fizycznym (a nie logicznym) adresowaniem, topologią sieci, zasadami dostępu do medium, powiadamianiem o błędach, ustalaniem kolejności dostarczania ramek i sterowaniem przypływem. Warstwa 1: Warstwa fizyczna Warstwa fizyczna definiuje elektryczne, mechaniczne i funkcyjne specyfikacje aktywacji, obsługi i dezaktywacji fizycznego łącza pomiędzy dwoma systemami. Definiowane są takie charakterystyki jak poziomy napięć, czasy zmian napięcia, szybkość przesyłania danych, maksymalne odległości transmisji, fizyczne styki i inne podobne atrybuty. 2.6 Komunikacja równorzędna Model OSI wyklucza bezpośrednią komunikację pomiędzy równorzędnymi warstwami w różnych systemach. Komunikacja jest wykonywana za pośrednictwem niższych warstw. Instancja protokołu danej warstwy musi współpracować z instancją tego samego protokołu innej warstwy. Protokoły komunikują się przez jednostki danych PDU (ang. Protocol Data Unit). Czasami dla rozróżnienia protokołów różnych warstw używane są inne nazwy, np. TPD – Transport PDU. Rysunek 1.2 Komunikacja równorzędna warstw w różnych systemach

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

↔ ↔ ↔ ←Segmenty→ ←Pakiety→ ←Ramki→ ←Bity→

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

Bezpośrednia wymiana danych odbywa się na pomocą usług świadczonych przez warstwy znajdujące się poniżej danej warstwy komunikacyjnej. Warstwa poniżej danej warstwy obsługuje wyższą warstwę poprzez wymianę swoich PDU z partnerem. Na przykład dla rodziny protokołów TCP/IP warstwa transportu TCP komunikuje się z równorzędnymi funkcjami TCP za pomocą segmentów (przedstawia to rysunek 1.2). Segmenty TCP stają się częścią pakietów warstwy sieci (zwanych datagramami), wymienianych pomiędzy równorzędnymi protokołami IP. Kolejno pakiety IP stają się częścią ramek wymienianych pomiędzy połączonymi urządzeniami. Ostatecznie ramki są przekształcane na bity podczas transmisji danych w warstwie fizycznej, obsługiwanej przez odpowiednie urządzenie. 1.7 Enkapsulacja danych Informacja, która jest przesyłana w sieci jest określana mianem danych lub pakietem danych. Jeśli jeden komputer (źródłowy) chce wysłać dane do innego komputera (docelowego), dane muszą być najpierw poddane procesowi zwanemu enkapsulacją, która umieszcza dane w nagłówku danego protokołu zanim rozpocznie się ich transmisja. Proces ten można porównać do przygotowania paczki do wysyłania – zapakowanie, umieszczenie w pudełku, napisanie adresu nadawcy i odbiorcy, przyklejenie znaczków i dostarczenie na pocztę. Każda warstwa jest zależna od dostępnych usług warstwy OSI, która znajduje się poniżej. Aby dostarczyć te usługi, niższa warstwa stosuje enkapsulację, aby umieścić PDU wyższej warstwy w swoim polu danych. Pole 4

Model OSI

Sieci komputerowe

to może poprzedzić nagłówkiem lub uzupełnić stopką. Podczas przechodzenia danych do niższych warstw, dodawane są kolejne nagłówki i stopki (rysunek kartka). Rysunek 1.3 pokazuje iż warstwa sieci obsługuje warstwę prezentacji, a ta z kolei prezentuje dane użytkownikom sieci. Warstwa sieci ma za zadanie przenoszenie danych w sieci rozległej. Zadanie to jest realizowane przez enkapsulację danych w nagłówku. Zawiera on informacje niezbędną do wykonania transferu, takie jak logiczne adresy IP nadawcy i odbiorcy. Rysunek 1.3 Obsługa warstwy sieci nad warstwą prezentacji poprzez enkapsulację danych wewnątrz nagłówka

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

Dane

Nagłówek sieci

Dane

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

Warstwa łącza danych zapewnia obsługę warstwy sieci, jak pokazuje rysunek 1.4 – warstwa ta enkapsuluje informacje pochodzące z warstwy sieci w ramki; nagłówek ramki zawiera informacje niezbędne dla łączenia danych, na przykład fizyczne adresy. Rysunek 1.4 Warstwa łącza danych obsługuje warstwę sieci poprzez enkapsulację informacji

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

Dane

Nagłówek sieci Nagłówek ramki

Nagłówek sieci

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

Dane

Dane

Stopka ramki

Warstwa fizyczna zapewnia również obsługę warstwy łącza danych. Jak wynika z rysunku 1.5, warstwa fizyczna koduje ramki pochodzące z warstwy łącza danych na wzorzec złożony z zer i jedynek dla celów transmisji w medium (zazwyczaj jest to przewód).

5

Model OSI

Sieci komputerowe

Rysunek 1.5 Ramka warstwy łącza danych jest zakodowana za pomocą wzorca składającego się z zer i jedynek dla celów transmisji w medium Punkt źródłowy

Punkt docelowy

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

Dane

Nagłówek sieci Nagłówek ramki

Nagłówek sieci

Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportu Warstwa sieci Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna

Dane

Dane

Stopka ramki

01101101001101001111011100011001

Podczas gdy sieć obsługuje użytkownika zmienia się przypływ danych i sposób umieszczania ich w pakietach. W przykładzie enkapsulacji na rysunku 1.6 mamy pięć kroków przekształcenia: 1. Generowanie danych – gdy użytkownik wysyła wiadomość pocztową, jest ona przekształcana z postaci alfanumerycznej na dane, które mogą przepłynąć przez sieć elektroniczną, 2. Pakowanie danych w celu ich transportu – dane są umieszczane w pakietach. Poprzez zastosowanie segmentów, funkcja transportu gwarantuje niezawodne dostarczenie wiadomości pomiędzy agentami pocztowymi hostów na końcach sieci, 3. Umieszczenie adresu się w nagłówki – dane SA umieszczane w pakietach lub datagramach, które zawierają nagłówek z logicznymi adresami nadawcy i odbiorcy. Adresy te pomagają urządzeniom sieciowym wysyłać pakiety w sieci po ścieżce prowadzącej do adresata 4. Umieszczenie lokalnego adresu w nagłówku łącza danych – każde urządzenie sieciowe musi umieszczać pakiety w ramkach. Ramka pozwala na przesyłanie do następnego, bezpośrednio dostępnego urządzenia sieciowego w danym łączu. Każde urządzenie wybranej ścieżki wymaga ramki, aby połączyć się z kolejnym urządzeniem. 5. Konwersja na bity dla celów transmisji – ramka jest przekształcana na wzorzec składający się z zer i jedynek. Funkcja synchronizacji pozwala urządzeniom na rozróżnianie bitów podczas ich przenoszenia przez medium transmisyjne. Wiadomość pocztowa może powstawać w sieci LAN, przechodzić przez sieć uniwersytecką, a następnie przez sieć WAN docierać do odbiorcy znajdującego się w innej sieci LAN.

6

Model OSI

Sieci komputerowe

Dane Nagłówek segmentu Nagłówek sieci Nagłówek ramki

Nagłówek sieci

Dane

Nagłówek segmentu

Nagłówek segmentu

Segment

Dane

Dane

Pakiet

Dane

Stopka ramki

Ramka (zależna od medium)

101011010111010110 1 Internet

Router

7