Maturitní téma: Počítačové sítě (druhy, topologie, realizace, diagnostika)

Transkript

1 Maturitní téma: Počítačové sítě (druhy, topologie, realizace, diagnostika) Vývoj počítačových sítí: Stávající analogová telefonní síť, i když dodnes hojně využívaná pro přístup k Internetu, nikdy nebyla vhodným prostředkem pro přenos dat mezi počítači. První architekturou byl systém typu sálový počítač sada terminálů pro sdílení výpočetní kapacity drahého sálového počítače. Koncem šedesátých let vznikají první počítačové sítě (ArpaNET, 1969 základ budoucí celosvětové sítě Internet). V polovině 70-tých let byl specifikován protokol TCP a byla navržena architektura sítě Ethernet. V druhé polovině 70-tých let vznik elektronické pošty. Počátkem 80-tých let implementace protokolové sady TCP/IP do sítě ArpaNET a do operačního systému BSD Unix V 80-tých letech postupný rozvoj Internetu, vznik prvních poskytovatelů přístupu k Internetu prostřednictvím telefonní sítě (dial-up přístup) a nových služeb Na počátku 90-let končí síť ArpaNET a nastává obrovský rozvoj Internetu, především díky vzniku a bouřlivému rozvoji sítě www (World Wide Web propojení informačních zdrojů pomocí hypertextových odkazů). Charakteristika počítačových sítí: Počítačové sítě jsou tvořené skupinami výpočetních systémů vybavených programovými a hardwarovými prostředky pro podporu komunikace po síti a propojených přenosovými a spojovacími zařízeními za účelem vzájemné komunikace. Počítačová síť tedy sestává z: koncových uzlů počítače, síťové tiskárny, tiskové servery, velkokapacitní ukládací zařízení... propojovacích prvků opakovače, rozbočovače, mosty, přepínače, směrovače, brány... přenosových zařízení přístupové jednotky, translační uzly, modemy... zabezpečovacích zařízení firewall... napájecích systémů záložní zdroje... fyzických přenosových prostředí kabely, rozvaděče, systémy strukturované kabeláže... Hlavní výhody vzájemného propojování počítačů do sítí: Důvodem k zavedení počítačové sítě je obvykle potřeba sdílení drahých periférií, jako například velkokapacitní pevný disk, diskové pole. Obdobně ale mohou být sdíleny i laserové a barevné tiskárny, nebo jiná speciální zařízení (scannery, mechaniky CD ROM). Pokud se počítačová síť nadále rozrůstá, pak se cíl její existence mění. Sdílení drahých zařízení ustupuje do pozadí a do popředí vystupuje podstatně zefektivněná lidská komunikace. Lokální síť zabezpečuje spojení počítačů a tím potažmo i zaměstnanců.

2 V počítačové síti jsou dnes k dispozici efektivní nástroje pro komunikaci, např elektronická pošta ( ). Dále existuje několik komunikačních programů určených pro pracovní skupiny i jednotlivé uživatele (např. ICQ, Jabber, IRC). V takovém prostředí lze aktualizovat informace v reálném čase bez neustálého obtelefonovávání jednotlivých pracovníků. Počítačová síť je prostředek, který zajišťuje velmi dobrou komunikaci mezi osobami, které tyto počítače využívají. Podniková počítačová síť rozšiřuje možnosti komunikace mezi uživateli (zasílání barevných obrázků, videosekvencí, zvuků ap.). Lidé mají tendenci se v psaném textu vyjadřovat přesněji a hutněji, než v mluveném slově. Efektivnost pracovní skupiny využívající síť je dána také tím, že každý člen týmu má v libovolný okamžik přístup k práci a výsledkům celé skupiny. Významnou výhodou počítačových sítí je skutečnost, že správa programů a dat je v jejich prostředí mnohem snadnější, než na jednotlivých samostatných počítačích. Například archivaci důležitých dat je možné provádět každý den, nebo dokonce každou hodinu. Dále v případě, kdy je třeba provést úpravu programů, je možné ji realizovat z jediné pracovní stanice a není tedy třeba obcházet všechny počítače, na kterých jsou tyto programy používány, i když jsou uživatelé rozmístěni po celém podniku, síť představuje mocný prostředek pro jejich přiblížení. Poskytuje možnost centralizované správy jejich požadavků a to bez ohledu na jejich vzdálenost. Kromě toho je v dnešní době možné připojení lokální počítačové sítě přímo do sítě WAN, kterou je obvykle Internet. Rozdělení sítí podle jejich rozsahu je : LAN (Local Area Network) lokální počítačové sítě s vysokou přenosovou rychlostí a propustností MAN (Metropolitan Area Network) metropolitní sítě, s relativně vysokou přenosovou rychlostí, avšak nižší propustností, s dosahem řádově desítky kilometrů WAN (Wide Area Network) sítě často s nižší přenosovou rychlostí (až na vysokorychlostní optické páteře), avšak s ještě nižší propustností, s dosahem řádově stovky až tisíce kilometrů Uživatelé sítí: Uživatelé musí dodržovat určitou hierarchii - mají určitá práva - možnosti něco číst, někam zapisovat, něco rušit, přidělovat práva apod. Možnost sdružování uživatelů do skupin - každý má své jméno. Vždy je zde jeden uživatel, který má neomezená práva (supervizor); mohou zde být administrativní uživatelé - uživatelé s podobnými právy jako supervizor za účelem spravování sítí.

3 Prostředky pro přenos dat: Koaxiální kabely Koaxiální kabely sestávají ze dvou soustředně vedených vodičů. Okolo vnitřního vodiče je vrstva izolačního materiálu, který ho odděluje od vnějšího vodiče obklopujícího vnitřní vodič. Vnější vodič je opět obalen vrstvou izolačního materiálu. Koaxiální kabely se používají na kratší vzdálenosti v místních počítačových sítích. Existují ve dvou základních provedeních, označovaných dle průměru jako "tenký" a "silný" koaxiální kabel, lišících se elektrickými vlastnostmi a povolenou topologií sítě. Tyto kabely se obvykle používají pro sítě typu Ethernet umožňující přenos max. teoretickou rychlostí 10bit/s. Pro místní sítě tato rychlost již přestává být vyhovující, proto se od použití koaxiálních kabelů často ustupuje ve prospěch kroucených dvojlinek. Kroucené dvojlinky Jak název napovídá, jde zjednodušeně řečeno o dva zkroucené vodiče. Jeden kabel obsahuje zpravidla několik těchto dvojic zkroucených vodičů, nejčastěji dvě nebo čtyři dvojice. Kabel může být stíněný nebo nestíněný. Existují různá provedeni těchto kabelů označovaná jako různé kategorie. Pro sítě typu Ethernet pracující na rychlosti 10 Mbit/s stačí kabely kategorie 3, pro sítě Fast Ethernet pracující na rychlosti 100 Mbit/s jsou obvykle potřeba kabely kategorie 5. Tyto kabely se opět používají v místních sítích. Nejnovější kabely kategorie 6 s přenosovou rychlostí 1Gb/s. Optická vlákna Optická vlákna jsou moderní přenosové médium umožňující vysokou rychlost komunikace (až několik Gbit/s) a mající velkou odolnost proti rušení. Používají se převážně na větší vzdálenosti při propojování místních sítí, ale mohou být použity i uvnitř místní sítě. Pevné (pronajaté) linky Tyto linky pronajímané obvykle od telefonních společností jsou častým způsobem propojení místních sítí na větší vzdálenosti. Přenosová rychlost je obvykle řádu desítek až stovek Kbit/s. Komutované linky Spokojíme-li se s menší přenosovou rychlostí, řádu jednotek až desítek Kbit/s, můžeme i běžné komutované linky použít k realizaci propojení v rámci sítě Internet. Tohoto spojení se většinou používá pro připojení jednotlivých počítačů nebo malých sítí, pro které se nevyplatí zřizovat nákladnější spojení. Používá se pro připojení přes telefonní linku. Mikrovlnné spojení K propojení místních sítí, není-li k dispozici vhodný kabel a je-li mezi propojovanými místy přímá viditelnost je možné použít připojení pomocí mikrovlnného spoje (teoretická rychlost až 54 Mb/s). Družicové spojení Základem je využívání přenosových družicových cest o velké propustnosti metodami časového multiplexu s mnohonásobným přístupem. Díky malému potřebnému výkonu stačí mikroterminálům VSAT parabolické antény s poměrně malým průměrem (1,2-1,8 m). Síť VSAT je nejčastěji hvězdicová: mikroterminály komunikují přes družici jen s hlavní (řídící) stanicí VSAT, která zprostředkovává spojení buď s přímo připojenou pozemskou stanicí nebo opět přes družici se vzdálenou stanicí.

4 Propojovací prvky sítí : Kabely a další přenosová média používaná v Internetu propojují nejen počítače a další koncová zařízení, s nimiž pracují uživatelé, nýbrž i služební zařízení starající se o řádný přenos datových paketů v síti. Opakovač Pro každý typ kabelu je stanovena určitá maximální vzdálenost, která může být daným kabelem překlenuta. Tato vzdálenost je omezena fyzikálními vlastnostmi kabelů a použitými protokoly. Potřebujeme-li překlenout větší vzdálenost, musíme do cesty vložit opakovač (repeater). Opakovač má dvě nebo více přípojek pro kabely. Paket, který přijde po kterémkoliv kabelu do opakovače, je jím vhodně elektricky zesílen a poté je odeslán do všech zbývajících kabelů. Opakovače ovšem není možné řadit za sebe stále. Vzhledem ke zpoždění signálů při přenosu bývá s ohledem na typ sítě a použité konstrukční prvky stanoven maximální počet opakovačů, které mohou být zapojeny za sebou. Narazíme-li na toto omezení, řešením je použít oddělovací prvky pracující na vyšších vrstvách architektury sítě. Jde především o níže popsané mosty a směrovače (routery). Most Most (bridge) je zpravidla dvouportové zařízení (připojují se dva kabely) provádějící filtraci (a tím i jednoduché směrování) paketů na úrovni linkové vrstvy. Pro každý paket přijatý na jednom z portů most na základě adresy příjemce v linkové vrstvě rozhodne, zda má být paket propuštěn na druhý port či nikoliv. Na základě adres odesílatelů v příchozích paketech si most sám vytváří tabulku adres s uvedením toho, na kterém portu se příslušná adresa nachází. Most není proto potřebné konfigurovat. Směrovač Směrovač (router) je dvou nebo víceportové zařízení provádějící směrováni na úrovni síťové vrstvy. Směrovač si udržuje tzv. směrovací tabulku. Na základě této tabulky a adresy příjemce v síťové vrstvě směrovač rozhodne, na který port má být odeslán přijatý paket. Obecně existuje několik metod, jak řešit přivedeni dat od odesilatele k adresátovi. Při přepojování okruhů (circuit switching) je pro každé spojení mezi dvěma účastníky přidělen nový fyzický kanál. Jde o obdobu klasické telefonní ústředny. Při směrování založeném na tzv. virtuálních spojích (virtual circuits) nejsou přidělovány fyzické kanály - komunikace mezi dvěma účastníky probíhá přenosem paketů, které sdílejí stejný fyzický kanál s pakety příslušejícími komunikacím mezi jinými účastníky. Brouter Některé směrovače se v případě, že narazí na paket jim neznámého protokolu síťové vrstvy, umí zachovat jako most, tj. rozhodnou, zda má být paket propuštěn či nikoliv na úrovni linkové vrstvy. Takovým zařízením se anglicky říká brouter (slovo složené ze slov bridge a router).

5 Brána Brána (gateway) je zařízení sloužící k propojení dvou sítí, které se liší v použitých protokolech nebo architekturách. Brána pracuje na takové úrovni, která spojení sítí umožňuje. Může to být až na úrovni aplikační vrstvy. Označení brána či gateway se ovšem někdy, zvláště u sítí pracujících s protokoly TCP/IP, používá i pro zařízení sloužící jako směrovač (router) na úrovni síťové vrstvy. Přepínač Přepínač (switch) je zařízení vykonávající funkci podobnou jako most. Na základě adres paketů v linkové vrstvě přepínač propouští nebo zadržuje pakety přicházející na jeho jednotlivé porty. Oproti mostu se však liší v několika důležitých vlastnostech: - přepínač má výrazně vyšší propustnost než most (počet zpracovaných paketů za jednotku času) - přepínač má zpravidla vyšší počet portů, typicky 8 až 24 na přepínač, u tzv. stohovatelných přepínačů, které mohou být skládány na sebe a propojovány může být celkový počet portů několikrát vyšší - přepínač umožňuje současnou komunikaci účastníků připojených na různé porty (například účastníci připojení na porty č. 1 a 2 spolu mohou komunikovat nezávisle na současně probíhající komunikaci účastníků připojených na porty č. 3 a 4). Vyšší propustnosti a možnosti současné komunikace více účastníků je dosaženo použitím vnitřní architektury pracující na výrazně vyšší rychlosti, než je možná rychlost komunikace na jednotlivých portech. Existuje řada odlišností v konstrukci jednotlivých typů přepínačů. Jednou ze základních vlastností je způsob přenosu paketů přepínačem. U přepínačů typu store -and-forward je nejprve každý paket přijat, uložen do paměti, zkontrolován, a teprve v případě, že nebylo zjištěno jeho poškození, je odeslán na port odpovídající příjemci paketu. Přepínače typu cut - through přijmou jenom část paketu nezbytnou k určení portu, na který má být paket odeslán. Adresa příjemce totiž bývá na začátku paketu. Ihned po určení výstupního portu je paket propouštěn na tento port. Toto řešení má výhodu v nižší době zdržení paketu v přepínači (latenci). Nevýhodou ovšem je, že mohou být zbytečně propuštěny i poškozené pakety.

6 Vztah komunikujících počítačů : Přesněji než o vztahu komunikujících počítačů bychom měli mluvit o vzájemném vztahu spolu komunikujících entit - softwarových modulů plnících v síti určitý úkol. V jedné síti totiž mohou mezi různými počítači existovat současně různé typy níže uvedených vztahů. Klient-server je vztah, kdy jedna entita, která je serverem, poskytuje určité služby jiné entitě, která je klientem. Příkladem použití tohoto vztahu je sdílení souborů mezi počítači. Tzv. souborový server (fileserver) poskytuje soubory uložené na svých discích jiným počítačům - klientům. Klient serveru ovšem soubory poskytovat nemůže, jde o asymetrický vztah. Serverů může ovšem být v síti více. Navíc některé typy souborových serverů (například NFS) umožňují, aby jeden počítač pracoval pro některé počítače jako server a současně byl klientem jiného serveru. U sítí s architekturou klient-server se některé počítače (servery) používají především pro správu počítačové sítě. Takový server může být vyhrazený, či nevyhrazený (dedicated, nondedicated), což znamená, že může nebo nemůže být používán i jako běžná pracovní stanice. Sítě s architekturou klient-server jsou obvykle dražší a náročnější na instalaci a údržbu než sítě peer-to-peer. Na druhou stranu umožňují připojení většího počtu uživatelů a provozování podstatně většího počtu služeb. Sítě s architekturou klient-server může řídit i větší počet serverů postavených na stejnou úroveň. Kapacita a velikost takové sítě je pak teoreticky neomezená. Mezi vedoucí OS této architektury patří Novell NetWare, sítě na bázi UNIXu, Windows NT, Windows Peer-to-peer je vztah, kdy si jednotlivé entity poskytují určitou službu navzájem - vztah je tedy symetrický. Existují implementace sdílení souborů, které jsou založeny na vztahu peerto-peer, například Lantastic nebo Windows NT. Vztah peer-to-peer může také existovat například mezi programy, starajícími se o synchronizaci času na jednotlivých počítačích v síti. U sítě s architekturou peer-to-peer neexistuje žádný řídící počítač, či centrum sítě. Síť má horizontální strukturu a všechny stanice do ní připojené jsou na stejné úrovni. Síťový software pak umožňuje zpřístupnění některých prostředků jedné stanice i stanicím ostatním. Architektura peer-to-peer se obvykle používá v sítích LAN menšího rozsahu, kde by nebylo efektivní vyhrazovat jeden či více počítačů pouze pro samotnou správu sítě. Výhodou sítí peer-to-peer oproti sítím client-server je menší pořizovací cena a snadnější instalace a údržba. Nevýhodou je nemožnost propojení většího počtu uživatelů, či provozování složitějších a náročnějších síťových služeb. Zvláštním případem počítačových sítí, které lze též považovat za sítě s architekturou peer-to-peer, jsou rozsáhlé počítačové sítě WAN. Nejběžnějšími operačními systémy tohoto typu jsou LANtastic, Windows 2000 a novější, Windows for Workgroups atd. Operační systémy lze však většinou uzpůsobit k provozování sítí s oběma typy vztahů počítačů.

7 Fyzická topologie sítí: Topologie sítě je dána způsobem fyzického uspořádání a propojení všech komponent sítě, tj. počítačů, speciálních komunikačních zařízení, apod. Používají se tři základní topologie sítí: sběrnicová, hvězdicová a kruhová. Pro úplnost je třeba se zmínit i o existenci dalších topologií jako jsou např. smyčka, úplná síť, stromová struktura a páteřní síť. Sběrnicová (Bus) jde o uspořádání, kdy jednotlivé uzly jsou napojeny na jednu sběrnici, která vede od jednoho prvku k druhému a na koncích je ukončena terminátory. použití především u menších lokálních sítí. snadné připojení dalších uživatelů - délka kabelu je omezená (na prodloužení potřebujeme zařízení Repeater - signál s přibývající délkou slábne, je nutné ho zesílit), často dochází k přehlcení sítě, úplný výpadek sítě při porušení kabelu nejčastěji se realizuje standardem ETHERNET Hvězdicová (Star) potřeba zařízení, které se jmenuje HUB (rozbočovač) - z každého počítače do něho jdou informace, rozbočovač pracuje jako opakovač nebo přepínač nutnost serveru - v konečném výsledku zajišťuje komunikaci mezi jednotlivými stanicemi a zajišťuje používání síťového softwaru a technické prostředky větší rychlost přenosu (každý počítač má možnost okamžité přímé komunikace s HUBem - serverem při použití HUBů jako přepínačů se navyšuje propustnost sítě) při poruše jednoho úseku nebo počítače nejsou další počítače ohroženy nevýhodou je citlivost na poruchu centrálního místa příkladem této sítě je opět ETHERNET

8 Kruhová (Token Ring) jednotlivé prvky sítě jsou uspořádány do kruhu; každý může zastávat úlohu serveru (všechny počítače jsou si rovny) nejkvalitnější systém - signál se nemůže srazit nejnáročnější z počítače vedeny dva kabely - kabel který doručují informace a kabel který přináší informace Úplná síť Každá stanice je propojena s každou jinou. Jde spíše o teoretickou možnost vzhledem k obtížné instalaci a nákladům. Páteřní síť (backbone) Síť s topologií backbone se používá při propojování lokálních sítí nebo při propojování různých typů topologií. Páteřní síť by měla mít o řád vyšší přenosovou rychlost než jednotlivé segmenty.

9 Přístup k prostředkům pro přenos dat : V případech, kdy více počítačů sdílí jedno společné přenosové médium, jak je tomu u sběrnicové a kruhové topologie sítě, ale i u hvězdové topologie, pokud je jako rozbočovač použit pouhý opakovač, je třeba stanovit pravidla, na základě kterých budou jednotlivé počítače ke společnému médiu přistupovat (vysílat do něj data). Metody přístupu ke společnému médiu můžeme rozdělit na bezkolizní a kolizní. U bezkolizních metod je společné médium přidělováno obvykle na základě předchozí výměny řídicích zpráv jednotlivým počítačům tak, že je vždy jednoznačně určeno, který počítač může vysílat, zatímco ostatní musí čekat. Nemůže tak dojit k situaci, kdy dva nebo více počítačů začnou současně vysílat na společné médium a dojde tak ke kolizi vysílaných paketů a tím k jejich znehodnocení. Ve velmi rozšířené místní síti typu Ethernet se však používá jedna z kolizních metod, označená jako CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). Metoda je kolizní proto, že v principu je možné, aby více stanic začalo současně vysílat na společné médium. Se vzniklou kolizí se počítá, znehodnocené pakety jsou vyslány opakovaně. Chce-li počítač vyslat paket na sdílené médium, otestuje nejdříve, zda již nevysílá někdo jiný. Pokud ano, čeká, až bude sdílené médium volné a teprve potom začne vysílat. Protože rychlost šíření signálu po vedení je konečná, může se stát, že jeden počítač začne vysílat a ještě v době, než se vysílaný signál rozšíří po celém vedení, začne vysílat jiný počítač, který v okamžiku zahájení vysílání otestoval médium jako volné (neboli signál od prvního počítače k němu ještě nedorazil). V takovém případě dojde ke kolizi a oba počítače musí znehodnocený paket odvysílat znovu. Typy realizací místních počítačových sítí : Ethernet Ethernet je populární standardní síťový protokol a návrh spojení, podle kterého jsou počítače zapojeny pomocí sběrnicové topologie uzlů k jedinému hlavnímu kabelu. Fyzická sběrnice může však být díky koncentrátorům (opakovačům) i hvězdicová. Ethernet je část počítačové sítě, pokrývající svojí činností fyzickou a linkovou vrstvu sítě. Jde vlastně o platformu, jejímž úkolem je přenášet mezi jednotlivými počítači datové rámce. Tato platforma je tvořena síťovými kartami typu Ethernet pro jednotlivé počítače, propojovacími kabely (koaxiální kabely, kroucené dvojlinky i optické kabely), aktivními prvky pro opakování a filtrací datových rámců, tj. opakovači, mosty nebo přepínači a softwarovými ovladači pro komunikaci aplikačního software se síťovými kartami. Abychom mohli Ethernet použít k nějakému praktickému účelu, například ke sdílení souborů, k elektronické postě nebo k jiné službě, potřebujeme mít na počítačích připojených k síti instalován software, který tyto služby realizuje. Tento software bude při své činnosti využívat služby Ethernetu - přenosu datových rámců. Ethernet používá pro přístup ke sdílenému médiu kolizní metodu CSMA/CD. Data jsou přenášena v rámcích, které obsahují: - adresu příjemce (6 B) - adresu odesílatele (5 B) - typ nebo délku dat (2 B) - data ( B) - zabezpečovací kód CRC (4 B)

10 Taktovací rychlost, se kterou jsou v Ethernetu vysílána data, je 10 Mbit/s. Užitečná přenosová kapacita - rychlost, se kterou mohou být přenášena aplikační data, je však vždy nižší. Část přenosové kapacity je spotřebována služebními informacemi v rámcích a paketech protokolů používaných pro přenos dat, mezi jednotlivými rámci musí být určité mezery a navíc při přenosu rámců dochází ke kolizím, které způsobují, že některé rámce musí být vyslány opakovaně. Topologie Ethernetu může být sběrnicová, hvězdová nebo kombinace těchto dvou uspořádání. V závislosti na použitých typech kabelů je třeba dodržet určitá pravidla stanovující maximální délky jednotlivých úseků kabelů (segmentů), počty počítačů připojených na segmenty a počty opakovačů, kterými mohou být segmenty propojeny. Fast Ethernet Fast Ethernet je modifikace sítě typu Ethernet pracující na rychlosti 100 Mbit/s. Samozřejmě je třeba použít pro tuto síť určené kabely (používají se zkroucené dvojlinky kategorie 5 nebo optické kabely) a aktivní propojovací prvky. Přímé propojení dvou počítačů kabelem Při krátké vzdálenosti stačí spojit počítače vhodným kabelem. Propojení může být realizováno přes sériové či paralelní porty. Posledně jmenovaný způsob je rychlejší, a proto častěji používaný. Sériové propojení - např. pomocí sériového kabelu RS 232, nebo nulového modemu. Paralelní kabely - paralelní LapLink - speciální kabel, určený pro přenos dat mezi dvěma počítači; paralelní kabel ve standardním 4bitovém provedení; kabel ECP - je rychlejší než standardní kabel. Komunikační protokoly: V okamžiku, kdy se objevily první významné rozlehlé počítačové sítě, ve kterých se vyskytovaly počítače různých typů od různých výrobců, vyvstala naléhavá potřeba existence jednotného standardu pro vzájemné propojení těchto systémů. Od roku 1971 do roku 1980 byly problémy s kompatibilitou výrobků různých výrobců základní síťových konfigurací. V roce 1977 začala ISO (International Organisation for Standardization) vytvářet standard, který měl vycházet z vrstvové struktury. Koncem roku 1979 byl tento standard přijat pod označením Reference Model of Open Systems Interconnection (RM OSI). Toto doporučení určuje způsob komunikace mezi stanicemi od úrovně fyzického připojení až po způsob pohybu rámců (přenosových protokolů) v síti. Jednotlivé počítače v síti a programy na nich běžící spolu komunikují podle dohodnutých pravidel, kterým se říká protokoly. Specifikace protokolu zahrnuje popis struktury zpráv, které si jednotlivé programy mohou navzájem posílat, a popis jejich reakcí na příchod jednotlivých zpráv a dalších událostí. Implementace komunikace v počítačové sítí představuje řešení řady problémů. Ukazuje se jako výhodné, rozdělit tyto problémy do skupin-vrstev různých úrovní abstrakce tak, že každá vrstva je implementována samostatným protokolem nebo sadou protokolů, které využívají ke své činnosti služeb implementovaných vrstvou na nižší úrovni. Chce-li tedy software určité vrstvy (s výjimkou nejnižší vrstvy) odeslat data jinému počítači nebo programu, předá tato data k dalšímu zpracování nižší vrstvě. A obráceně, data zaslaná jiným počítačem nebo programem jsou (opět s výjimkou nejnižší vrstvy) převzata vždy od nižší vrstvy. Za účelem přenosu bývají data od určité vrstvy níže rozdělena do částí, neboť se tak jejich přenos zjednoduší.

11 Tyto části se většinou nazývají pakety, rámce, bloky, datagramy nebo segmenty podle toho, o jakou síť a o jakou vrstvu sítě se jedná. Pro zjednodušení budeme dále všechny takové části dat nazývat pakety. Paket ovšem nebývá tvořen pouze určitým objemem dat, která si mezi sebou posílají jednotlivé aplikace. Většina vrstev, kterými data při zpracování na odesílající straně procházejí přidá k paketu získanému od vyšší vrstvy určité služební informace, například adresy odesílatele a adresáta používané v dané vrstvě nebo označení použitého protokolu. Tím vznikne vlastně nový paket, v němž je vložen původní paket. Tomuto procesu se říká zapouzdřování (encapsulation). Nově vytvořený paket je předán nižší vrstvě. Na přijímající straně pak dochází k obrácenému procesu, kdy jsou jednotlivými vrstvami vnořené pakety vyjímány. Zapouzdřování je znázorněno na obrázku: Jedním z nejvýznamnějších modelů pro popis architektur počítačových sítí je Open System Interconnection (OSI) model. Tento model definuje celkem 7 vrstev. Počínaje od nejnižší úrovně jsou to vrstvy fyzická, linková, síťová, transportní, relační, presentační a aplikační. Nejdůležitější funkce, které jednotlivé vrstvy plní při komunikaci v počítačově síti, jsou uvedeny v následujícím odstavci: Fyzická vrstva Úkolem této vrstvy je přenést posloupnost bitů přes fyzické přenosové médium. Součástí fyzické vrstvy je popis mechanických, elektrických a procedurálních vlastností rozhraní přenosového média. Linková vrstva Vysílající strana posílá data po skupinách bitů vložených do tzv. rámců. Přijímající strana musí v posloupností bitů získané z fyzické vrstvy rozlišit hranice jednotlivých rámců a vyjmout jejich obsah. Součástí úkolů linkové vrstvy je vyřešit problémy spojené se ztrátami, poškozeními a duplikacemi rámců, ke kterým může dojít při přenosu. Síťová vrstva Tato vrstva pracuje s daty vloženými do paketů. Hlavním úkolem síťové vrstvy je určit, kam mají být pakety posílány, aby dorazily ke svému cíli.

12 Transportní vrstva Přebírá od relační vrstvy data určená k přenosu. Tato data dle potřeby rozděluje na menší části, které předává síťové vrstvě. Na přijímající straně skládá transportní vrstva z došlých částí původní data. To znamená, že si musí umět poradit s případnými ztrátami, duplikacemi a změnami pořadí jednotlivých částí. Relační vrstva Poskytuje určité služby spojené s relacemi při přenosu dat, například vkládá do přenášených dat kontrolní body, které v případě přerušení spojení umožní po jeho opětovném navázání pokračovat ve stejné relaci počínaje posledním kontrolním bodem. Prezentační vrstva Různé počítače používají různé formáty pro reprezentaci datových struktur v aplikacích. Úkolem prezentační vrstvy je zabezpečit pro komunikující počítače konverzi těchto formátů. Dále může prezentační vrstva provádět například kompresi přenášených dat a jejich zakódování. Aplikační vrstva Implementuje služby vyžadované uživateli sítě, například přenos souborů nebo vytvoření virtuálního terminálu vzdáleného počítače. Architektury jednotlivých konkrétních typů sítí se liší tím, které vrstvy jsou v nich implementovány. Funkce některých vrstev OSI modelu někdy chybí nebo mohou být funkce více vrstev OSl modelu sdruženy v jedné vrstvě konkrétní sítě.