Sieťové pripojenia - teória

S rastúcim počtom počítačov vyvstala nutnosť výmeny dát medzi nimi, alebo centralizácia ich spracovania. Za týmto účelom boli vyvinuté siete a sieťové štandardy.

Vrstvový model ISO/OSI

Model komunikácií v dátových sieťach ISO/OSI (International Organization for Standardization Open Systems Interconnection) rozdeľuje všetky aktivity na sieti do siedmich vrstiev. Táto pacializácia nastala za účelom lepšieho riešenia problémov v menších skupinách a zvýšenia univerzálnosti medzi implementáciami u výrobcov.

Každá vrstva modelu je v podobe samostatného modulu. Teoreticky je možné u ľubovoľnej vrstvy nahradiť jeden protokol iným protokolom, čo však neovplyvní funkciu ostatných vrstiev.

Model bol vytvorený na základe nasledujúcich princípov:

• Vrstva sa vytvára iba vtedy, keď je požadovaná odlišná úroveň abstrakcie.

• Každá vrstva musí mať presne definovanú funkciu.

• Funkciu každej vrstvy je potrebné voliť s ohľadom na definovanie medzinárodne štandardizovaných protokolov.

• Hranice medzi vrstvami musia byť zvolené tak, aby tok informácií cez rozhrania bol čo najmenší.

• Počet vrstiev musí byť taký veľký, aby bolo možné oddeliť odlišné funkcie, ale pritom taký, aby sa štruktúra nestala ťažkopádnou.

OSI definuje tiež štandardnú sadu pravidiel a zodpovedajúcich termínov určujúcich rozhranie medzi vrstvami.

Fyzická vrstva 

riadi odosielanie a príjem neštrukturovaného bitového prúdu údajov prostredníctvom fyzického média. Vrstva popisuje elektrické alebo optické, mechanické a funkčné rozhranie fyzického sieťového média. Fyzická vrstva prenáša signály pre všetky vyššie vrstvy.

Kódovanie údajov prispôsobuje jednoduchá digitálna vzorka signálu bit (jednotky a nuly) používaná počítačom tak, aby vyhovovala charakteristikám fyzického média a pomáhala zaisťovať bitovú a rámcovú synchronizáciu.

Kódovanie údajov rieši nasledujúce úlohy:

• Aká vzorka signálu reprezentuje logickú jednotku

• Ako prijímajúca stanica rozozná čas „začiatku bitu“

• Akým spôsobom prijímajúca stanica vymedzuje rámce

Fyzického prepojenia média sa týkajú nasledujúce otázky:

• Je k pripojeniu média potrebný externý transceiver?

• Koľko vodičov majú konektory a k čomu je ktorý vodič použitý?

Topológia prepojenia

Topológiou rozumieme pojem popisujúci ako sú zariadenia fyzicky pripojené do siete. Základné topológie sú:
Bus - Zapojenie zariadení na jedno spojovacie médium za sebou.
Ring - Zapojenie zariadení do kruhu (napr. Token Ring)
Star - Zapojenie zariadení na jeden koncentrátor (switch a zariadenia)
Mesh - Prepojenie zariadení každé s každým (Najčastejšie použitie pri prepojení switchow)
Cellular - Pripajanie sa zariadení na pripojovacie bunky - body ( WiFi, Mobilná tel. sieť, ...)

Hybridne topologie kombinuju rodielne topologie v jednej sieti.
Tree - Switche kaskádovo zapojené za sebou
Star Bus - Hub/Switch trunk
Hybrid Mesh - Najčastejšie kombinácia Mesh Star

Technika prenosu určuje, či sa kódované bity prenášajú v základnom pásme (digitálne signály), alebo v preloženom pásme (analógové signály).

• Voľba fyzického média určuje, či je vhodné prenášať bity elektrickými, alebo optickými signálmi podľa nasledujúcich kritérií:

• Aké voľby fyzických médií sú k dispozícii.

• Koľko voltov je potrebné použiť k reprezentácii daného stavu signálu v určitom fyzickom médiu.

Pojmy:

• Okruhy
• Leased line (prenajatá linka, pevná linka) - vyhradený pár vodičov medzi dvomi bodmi.
• Switched line / dial-up line (komutovaná linka, prepojovaná linka) - dočasne zriadená linka spojená cez telefónnu ústredňu.
• SVC - Switched Virtual Circuit (virtuálny okruh) - pri prenose dátového paketu cez verejnú dátovú sieť, počítač, ktorý riadi WAN sieť zriadi optimálnu dočasnú trasu cez ktorú sa prenesie celý požadovaný súbor. Keď sa neprenášajú dáta, trasa je zrušená.
• PVC - Permanent Virtual Circuit - je vybudovaná optimálna trasa, ktorá je pevne alokovaná a nezruší sa ani keď sa neprenášajú dáta.
• Formy prenosov
• Sériový prenos - 1 Byte sa vysiela postupne ako séria bitov (impulzov), lebo sú k dispozícii len 2, alebo 3 drôty. Použitie : LAN, WAN, Internet - spojenie cez modem, mobil, myš, televízia.
• Paralelný prenos - 1 Byte sa vysiela naraz, lebo je k dispozícii 8 a viac vodičov. Použitie : tlačiareň, vnútorné PC zbernice, externá CD-ROM.
• Sériový asynchrónny prenos - príjímač sa synchronizuje len na začiatok znaku a drží synchronizáciu po koniec znaku (8 bitov). Znak začína štart-bitom a končí stop-bitom. Medzery medzi prenášanými znakmi môžu byť ľubovoľne dlhé. Použitie : modemy - Internet.
• Sériový synchrónny prenos - prijímač sa synchronizuje na začiatok bloku znakov a drží synchronizáciu po koniec bloku. Blok začína a končí synchronizačnými značkami, jednotlivé znaky nie sú nijako oddelené. Použitie : modemy pre pevné linky.
• Prenos v základnom pásme (baseband transmission) - bitové informácie 0 / 1 sú vysielané ako zmena napätia na vodiči. Použitie : LAN, baseband modemy pre pevné linky.
• Prenos v preloženom pásme (broadband transmission) - médiom sa prenáša základný signál (nosná = carrier) optimalizovaný pre dané prenosové médium, bitové informácie 0 / 1 sú vysielané ako zmena nosnej (amplitúdová / frekvenčná / fázová modulácia).
• Normy pre prenos cez modemy / rýchlosť [kb/s]
• DCE (Data Circuit terminating Equipment) - ukončovacie zariadenie dátového okruhu - menič signálu - modem.
• DTE (Data Terminal Equipment) - koncové zariadenie prenosu dát - počítač.

Linková -Spojová vrstva 

uskutočňuje prenos údajov (dátových rámcov) po fyzickom médiu (je jeho nadstavbou) z jedného počítača na druhý. Prenášanou jednotkou je teda Dátový balík - FRAME (rámec). Je rozdelená do vrstvy logických spojov (Logical Link Control - LLC) a vrstvy riadenia prístupu k médiu (Media acces control – MAC), ktoré už pracuje s fyzickými adresami (naprogramovanými výrobcom do zariadení) (využíva napr. IEEE 802.3 - Ethernet, IEEE 802.5 - Token Ring). Jedno LLC teda môže využívať niekoľko rôznych MAC. Vrstvy nad linkovou vrstvou môžu pracovať s virtuálne bezchybným prenosom údajov v sieti.

Linková vrstva poskytuje nasledujúce funkcie:

• Zavedenie a ukončenie logického spoja (virtuálneho okruhu) medzi dvoma počítačmi, identifikovanými jedinečnými adresami svojich sieťových kariet.

• Riadenie toku rámcov s ohľadom na vyrovnávaciu pamäť.

• Sekvenčné odosielanie a príjem rámcov.

• Poskytovanie a očakávanie potvrdenia rámcov, zisťovanie a zotavovanie z chýb, ku ktorým došlo vo fyzickej vrstve, pomocou opakovaného prenosu nepotvrdených rámcov; ošetrenie duplicitného príjmu rámcov.

• Riadenie prístupu k médiu a určenie, kedy môže počítač použiť sieťové médium.

• Vymedzovanie rámcov; vytváranie a rozpoznávanie hraníc medzi rámcami.

• Rámce pre kontrolu chýb, slúžiace k overeniu integrity prijatého rámca.

• Kontrola cieľovej adresy každého prijatého rámca o určení, či má byť rámec odovzdaný vyššej vrstve.

Pojmy:

• SLIP (Serial Line Internet Protocol) - protokol cez sériovú linku. Nemá detekciu chýb pri prenose, vie prenášať len jeden sieťový protokol, nevie vymieňať konfiguračné údaje. Je veľmi jednoduchý a má malú réžiu. Používa sa pri spojení cez telefónne linky.
• HDLC (High-Level Data Link Control) - detekcia chýb, výmena konfiguračných parametrov, full duplex, half duplex (SDLC - halfduplex).

Sieťová vrstva 

uskutočňuje spojenie a smerovanie medzi dvoma uzlami (určuje teda fyzickú cestu pre prenos údajov na základe podmienok v sieti, priority služby a ďalších faktorov) a poskytuje služby súvisiace so spojením (nespojované služby (IP), X25 ..). Prenášanou jednotkou je Dátový balík - PACKET. Packet sa vkladá do frame do dátovej časti. Táto vrstva pracuje s logickými adresami (napr. IP adresa).

Sieťová vrstva poskytuje nasledujúce funkcie:

• Prenos rámca do smerovača, pokiaľ sieťová adresa cieľa nie je súčasťou siete, do ktorej je stanica pripojená.

• Riadenie prevádzky v podsieti umožňujúci, aby medziľahlý systém upozornil odosielajúcu stanicu na preplnenie vyrovnávajúcej pamäti smerovača; sieťová vrstva tiež môže dať odosielajúcej stanici pokyn k použitiu iného smerovača.

• Možnosť rozdelenia rámca smerovačom na viac menších rámcov, pokiaľ je maximálna veľkosť prenosovej jednotky (MTU) nasledujúceho smerovača menšia  než veľkosť rámca. Jednotlivé časti rámca budú zostavené cieľovou stanicou.

• Prevod logickej adresy počítača (na úrovni sieťovej vrstvy) na fyzickú adresu sieťovej karty (na úrovni linkovej vrstvy), ak je to nutné.

• Udržovanie záznamov o rámcoch odovzdávaných medziľahlou stanicou v podsieti pre účely účtovania.

Sieťová vrstva odosielajúceho počítača musí vytvárať svoje záhlavia takým spôsobom, aby sieťové vrstvy medziľahlých počítačov v podsieti mohli tieto záhlavia rozpoznať a použiť ich pri smerovaní údajov na svoju cieľovú adresu.

Vďaka sieťovej vrstve nemusia vyššie vrstvy nič vedieť o technológiach prepínania a prenosov údajov, ktoré sa pre spojenie systémov používajú. Sieťová vrstva je zodpovedná za vytvorenie, údržbu a ukončenie spojenia s jedným, alebo niekoľkými medziľahlými systémami v komunikačnej podsieti.

Pri sieťovej vrstve a pri vrstvách pod sieťovou vrstvou spolu s horizontálnymi protokolmi komunikujú bezprostredne susediace počítače, čo obvykle nie je priamo zdrojový a cieľový počítač. Medzi zdrojovým a cieľovým počítačom sa môže nachádzať veľa medziľahlých systémov.

Transportná vrstva 

zabezpečuje spoľahlivosť komunikácie (správne poradie prijatých správ, rieši straty a duplikácie údajov). Zbavuje protokoly vyšších vrstiev nutnosti zaoberať sa spôsobom prenosu medzi vyššími vrstvami a ich pármi na druhej strane.

Veľkosť a zložitosť prenosového protokolu (napr. TCP) závisí na type služieb, ktoré sú poskytované sieťovou a spojovou vrstvou. Pri spoľahlivej sieťovej, alebo spojovej vrstve s funkciou virtuálnych okruhov (napr. vrstva LLC protokolu NetBEUI) môže byť transportná vrstva celkom minimálna. Ak sú sieťová, alebo spojová vrstva nespoľahlivé, alebo ak poskytujú len datagramy (ako je napr. vrstva IP protokolu TCP/IP alebo vrstva IPX protokolu NWLink), musí transportná vrstva zaisťovať radenie rámcov, správu potvrdzovania a s tým spojenú detekciu a zotavenie z chýb.

Medzi funkcie transportnej vrstvy patria :

• Príjem správ z vyššej vrstvy , prípadne ich delenie do viacerých rámcov.

• Poskytovanie spoľahlivého „end-to-end“ doručovania správ s potvrdzovaním.

• Upozorňovanie odosielajúceho, aby neposielal, pokiaľ nie sú k dispozícii žiadne vyrovnávacie pamäti príjmajúceho.

• Multiplexovanie viac medziprocesových prúdov do jedného logického spojenia a udržba informácií o tom, ktoré správy patria ku ktorej relácii.

Transportná vrstva môže prijímať rozsiahle správy; existujú však striktné obmedzenia veľkosti spôsobené sieťovou vrstvou a nižšími vrstvami. Transportná vrstva preto musí byť schopná rozdeliť správy na menšie úseky (rámce) a ku každému pridať záhlavie.
Pokiaľ nižšie vrstvy neudržujú poradie rámcov, musí transportné záhlavie (transport header, TH) obsahovať informácie o radení, ktoré umožňuje transportnej vrstve prijímajúcej strany prezentovať údaje vyššej vrstve v správnom poradí.
Na rozdiel od nižších, podsieťových vrstiev, ktorých protokoly komunikujú medzi bezprostredne susediacimi uzlami alebo počítačmi, transportná vrstva a všetky vrstvy nad ňou už komunikujú len spôsobom zdroj-cieľ (preto sa tiež označujú ako tzv. source-to-destination layers). Nemusia sa pritom zaoberať podrobnosťami použitých komunikačných technológií. Software transportnej vrstvy a vyšších vrstiev zdrojového počítača vedie konverzáciu so svojim cieľom prostredníctvom záhlavia správ obsahujúcich riadiace údaje.

Relačná vrstva 

uskutočňuje funkcie správy, zostavenia a odpojenia relácií (teda sencií, session). Relácia je logické spojenie medzi dvoma bodmi. Ak je požiadavka (model orientovaného spojenia), táto vrstva na jej využitie uskutoční určité kroky, na základe ktorých vytvorí logický okruh (spojenie) a až následne uskutočňuje prenos údajov. Po prenose sa logické spojenie ukončí.

Medzi funkcie relačnej vrstvy patrí:

• Zaistenie registrácií jedinečných adries procesov pre bežiace procesy ako sú napr. NetBIOS mená. Poskytuje prostriedky pre prevod adries procesov na adresy sieťových kariet, ktorý v prípade potreby uskutočňuje sieťová alebo linková vrstva.

• Zavedenie, sledovanie a ukončenie virtuálneho okruhu medzi dvomi procesmi určenými svojimi jedinečnými adresami procesov. Virtuálny okruh pracuje rovnako, akoby medzi odosielateľom a príjemcom existovalo priame spojenie. V skutočnosti je spojenie realizované prostredníctvom okruhov.

• Delimitácia správ pridávaním informácií do záhlavia, ktoré určujú, kde správa začína a kde končí. Prijímacia relačná vrstva potom môže vyčkať s prezentáciou dát správy vyššej vrstve, pokiaľ nieje správa prijatá celá.

• Upozornenie odosielajúcej stanice v prípade, že veľkosť vyrovnávacej pamäti nestačí pre celú správu a že správa nie je úplna (tzv. synchronizácia správ). Relačná vrstva prijímacej stanice môže riadiacim rámcom informovať vysielajúcu stanicu, koľko bytov bolo úspešne prijatých. Odosielajúca stanica potom môže obnoviť vysielanie od posledného bytu, ktorého prijatie bolo potvrdené. Ak aplikácia následne poskytne ďalšiu vyrovnávajúcu pamäť, relačná vrstva môže umiestniť zbytok správy do tejto pamäti a ohlásiť aplikácii, že bola prijatá celá správa.

• Prevádzanie ďalších podporných funkcií, ktoré umožňujú procesom vzájomnú komunikáciu prostredníctvom siete, ako je napríklad overovanie užívateľov a zabezpečenie prístupu k zariadeniam.
  

Prezentačná vrstva 

robí prostredníka medzi dvoma koncovými protokolmi za účelom dohodnutia formy vzájomne prenášaných údajov. Pokiaľ dohoda nie je možná, vrstva obsahuje služby prevodu údajov, ktoré odosielajúcemu počítaču prekladajú dáta z formátu poskytnutého aplikačnou vrstvou do obyčajného formátu. Na prijímajúcom počítači potom prezentačná vrstva preloží dáta z obyčajného formátu do formátu, ktorý je zrozumiteľný aplikačnej vrstve.

Poskytované funkcie:

• Preklad znakových kódov, napríklad z kódu ASCII do kódu EBCDIC.

• Konverzia dát, ako je napríklad poradie bitov, prevod znakov CR na CR/LF a celočíselných číslic na desatinnné.

• Kompresia dát, znižovanie počtu bitov, ktoré je treba prenášať.

• Šifrovanie dát z bezpečnostných dôvodov, ako je napríklad šifrovanie hesiel.

Aplikačná vrstva 

vykonáva činnosť určitej aplikácie (napr. prenos súborov). Slúži ako okno sprístupňujúce úžívateľom aplikačných procesov sieťové služby. Aplikačná vrstva poskytuje funkcie pre:

• Vzdialený prístup k súborom.

• Vzdialený prístup k tlačiarňam.

• Zdielanie prostriedkov a presmerovanie zariadení.

• Podpora vzdialeného volania procedúr.

• Správa siete.

• Adresárové služby.

• Elektronické správy, včítane e-mailu.

• Podpora medziprocesorovej komunikácie.

• Simulácia virtuálnych terminálov.

Aplikačné protokoly:

• APPC

• FTAM

• X.400

• X.500

• SMTP

• FTP

• SNMP

• Telnet

• SMBs

• NCP (NetWare)

• AppleTalk y AppleShare

• AFP (AppleTalk)

• DAP (Data access protocol)

Tok údajov v modeli OSI

Model OSI predstavuje štandardnú architektúru toku dát, v ktorej sú protokoly definované takým spôsobom, že vrstva n cieľového počítača prijíma presne taký istý objekt, aký bol odoslaný vrstvou n zdrojového počítača.

Odosielajúci proces odovzdáva údaje do aplikačnej vrstvy, ktorá k nim pridáva aplikačné záhlavie (AH) a potom odovzdáva rámec prezentačnej vrstve. Tá môže údaje rôznymi spôsobmi transformovať, napríklad tak, že ich preloží a pridá k nim záhlavie. Výsledok potom odovzdá relačnej vrstve.
Rovnaký proces sa opakuje vrstvu po vrstve, pokiaľ rámec nedosiahne linkovú vrstvu. Tam sa k záhlaviu pridá aj tzv. dátový prívesok (Data Trailer, DT), ktorý pomáha pri synchronizácii rámcov. Rámec je potom odovzdaný fyzickej vrstve, ktorá ho prostredníctvom fyzického média už skutočne odošle k príjemcovi.

Na prijímacej strane sú záhlavia a prívesky s DT vrstvami postupne odstraňované, až sa rámec konečne dostane k prijímaciemu procesu. Hoci je skutočný prenos dát vertikálny, každá vrstva je programovaná tak, ako by bol prenos horizontálny. 

Niektoré protokoly

TCP protokol

TCP je protokol transportnej vrstvy a leží nad IP. Jeho hlavnou úlohou je spoľahlivý prenos dát. Číslo v záhlaví jeho IP protokolu je 6. Jeho hlavne atribúty sú:

• Poskytuje plne duplexný obojsmerný virtuálny okruh.

• Z hľadiska užívateľa sú dáta videne ako tok, nie ako oddelené pakety

• Zabezpečuje spoľahlivý prenos dát pomocou.
  . poradových čísel
  . kontrolných súm
  . potvrdení
  . opakovaného prenosu paketov pri vypršaní nastavenej doby čakania.
  

• Pre väčšiu účinnosť používa princíp posuvných okien (sliding windows).

• Umožňuje vysielanie urgentných dát a zrušenie už odoslaných bafrovaných dát.

• Adresuje užívateľské procesy pomocou 16 bitových čísel portov.

• Umožňuje spoľahlivé ukončenie spojenia.

UDP protokol

Hoci je taktiež protokolom transportnej vrstvy, od TCP sa podstatne odlišuje. Jeho hlavné črty sú:

• Bez nadviazania spojenia.

• Adresuje cez čísla portov.

• Používa kontrolnú sumu dát.

• Nezaručuje spoľahlivé doručenie paketov.

• Jednoduchosť.