Software POS Cíl kapitoly: Žák popíše strukturu modelu ISO/OSI a jeho jednotlivé vrstvy. Klíčové pojmy: Síťový software, model ISO/OSI, referenční model, vrstvový model, vrstvy modelu ISO/OSI, fyzická vrstva, linková vrstva, rámce (frames), synchronizace na úrovni rámců, transparence dat, řízení toku, síťová vrstva, pakety, způsoby směrování, transportní vrstva, relační vrstva, prezentační vrstva, aplikační vrstva, TCP/IP Síťový software je programové vybavení, které ve spolupráci s hardwarem zabezpečuje jednotlivé síťové funkce. K síťovému softwaru patří hardwarové ovladače síťových karet, síťové (TCP/IP) a aplikační protokoly (http) a programy, které tyto protokoly využívají (broker) K popisu tohoto softwaru byl vyvinut referenční model ISI/OSI. Model ISO/OSI V roce 1977 zahájila organizace ISO (mezinárodní organizace pro normalizaci) práci na standardizaci komunikace v počítačových sítích. Mělo se jednat o koncepci tzv. otevřených systémů (Open Systems), jejichž otevřenost byla chápána především jako připravenost ke vzájemnému propojení a vzájemné spolupráci. Tento úkol se ukázal příliš složitým a tak byl zjednodušen na otázky vzájemného propojení systémů. Stále to byl úkol složitější, než se dalo zvládnout a tak práce na konkrétních protokolech byla odložena. Výsledkem této práce je referenční model (RM) OSI (Open Systems Interconnection). Následně byl v roce 1984 přijat jako mezinárodní norma ISO 7498. Jedna ze základních myšlenek RM ISO/OSI je představa, že implementace počítačové sítě by měla vycházet z tzv. vrstvového modelu, neboli být členěna na hierarchicky uspořádané vrstvy. Úlohou referenčního modelu je poskytnout základnu pro vypracování norem pro účely propojování sastémů. Norma uvádí všeobecné principy sedmivrstvé síťové architektury. Popisuje vrstvy, jejich funkce a služby. V praxi je model využit pro programování jednotlivých součástí síťového subsystému v modulech, které reprezentují jednotlivé vrstvy a komunikují mezi sebou pomocí rozhraní. Díky tomu je možné jednotlivé části snadněji naprogramovat a nezávisle nahrazovat (například vyměnit síťovoukartu, ovladač, aplikaci a zároveň ponechat ostatní součásti beze změny). Referenční model se využívá zejména jako koncept, jako životní filosofie" a ucelená soustava názorů na to, jak by počítačové sítě měly vypadat a jak by měly fungovat. 24.2.2012 Software POS 1/7
Vrstvový model Představa o vzájemné komunikaci mezi vrstvami vychází z jejich hierarchického uspořádání, a připouští komunikaci pouze mezi sousedními vrstvami. Vrstvy si lze představit navršené nad sebou, každá z nich může komunikovat jen s vrstvou bezprostředně nižší a s vrstvou bezprostředně vyšší. Konkrétní představa jde dokonce ještě o něco dále, blíže vymezuje charakter této komunikace jako formu poskytování služeb (kdy nižší vrstva poskytuje své služby vyšší vrstvě), resp. využívání služeb (kdy vyšší vrstva využívá služeb vrstvy nižší). Přesná pravidla této komunikace (konkrétní způsob vzájemného nabízení a využívání služeb) jsou pak již součástí definice rozhraní mezi každými dvěma sousedními vrstvami. Určitá vrstva může volat služby bezprostředně nižší vrstvy a nemusí se starat o to, jak jsou realizovány. Data jsou skrz jednotlivé vrstvy předávána ve formě speciálních balíčků" (ve skutečnosti různých datových jednotek, tzv. Data Units), ve kterých jsou obsaženy jak specifikace požadavků na provedení konkrétních služeb, tak i jim příslušející data. Doposud naznačená představa komunikace se zatím týkala pouze hierarchicky uspořádaných vrstev v rámci jednotlivých uzlů. Konkrétní vrstvy ovšem plní své úkoly ve spolupráci se stejnolehlými vrstvami jiných uzlů - tj. komunikují se svými partnerskými vrstvami na jiných uzlech prostřednictvím nižší vrstvy. Zde je přitom velmi důležité, že jde právě a pouze o stejnolehlé vrstvy, tj. o vrstvy na stejné úrovni hierarchického uspořádání. Konkrétní pravidla komunikace mezi stejnolehlými vrstvami se přitom obecně označují jako protokoly. Tyto protokoly jsou opět specifické pro jeden konkrétní způsob naplnění toho, co daná vrstva má zajistit. Vedle možnosti samostatného řešení jednotlivých vrstev je další obrovskou výhodou vrstevnaté koncepce i možnost alternativního řešení nižších vrstev, bez výraznějšího vlivu na vrstvy vyšší. Projevuje se to tím, že úkoly jedné a téže vrstvy mohou být zajišťovány různými protokoly, resp. pro jednu a tutéž vrstvu mohou existovat různé alternativní protokoly. Jedna část soustavy vzájemně propojených sítí může běhat" po Ethernetu, jiná po optickém vlákně technologií FDDI či ATM a ještě jiná třeba po pevném okruhu telefonního typu, na několika nejnižších vrstvách budou používány různé protokoly, ale na vyšších vrstvách by mělo být možné vystačit všude se stejnými protokoly, protože na úrovni těchto vyšších vrstev už nebude rozdíl v konkrétní implementaci nižších vrstev patrný. Vrstvy v modelu ISO/OSI Tři nejnižší vrstvy (fyzická, linková a síťová) jsou charakteristické právě svou orientací na vlastní přenos dat. Autoři vznikajícího referenčního modelu ovšem chtěli pokrýt i nadstavbové služby, a tak museli ještě nějaké vrstvy přidat. Nakonec pro nadstavbové služby zavedli další tři vrstvy (relační, prezentační a aplikační), které jsou orientované na podporu koncových aplikací. Mezi obě skupiny po třech vrstvách pak vložili ještě jednu další vrstvu, která byla označena jako transportní. Skupina nejnižších tří vrstev je dosti těsně svázána s reálnými vlastnostmi přenosových cest a nabízí tomu odpovídající charakter služeb, zatímco skupina tří nejvyšších vrstev vychází požadavkům koncových aplikací. Mezi oběma skupinami pak může vznikat i dosti velká disproporce. Úkolem vrstvy transportní je tyto disproporce překlenout. 24.2.2012 Software POS 2/7
Vrstvy modelu ISO/OSI Fyzická vrstva (physical layer) Úkolem této vrstvy je fyzický přenos dat, přesněji přenos jednotlivých bitů a bitových sekvencí. Fyzická vrstva se stará například o to, jakým způsobem jsou datové bity zakódovány do takového signálu, jaký se skutečně přenáší, jaký je časový průběh tohoto signálu, jaké jsou obvodové vlastnosti přenosových cest apod. Fyzická vrstva tedy definuje všechny elektrické a fyzikální vlastnosti zařízení. Určuje napěťové úrovně a specifikuje vlastnosti kabelů; stanovuje způsob přenosu jedniček a nul. Nestará se o to, co znamenají přenášené bity (nijak je neinterpretuje). Vrstva linková spojová (data link layer) Vrstva linková má za úkol přenášet celé bloky dat rámce (frames), a to mezi sousedními uzly - přesněji mezi takovými, které spolu mají přímé spojení a nevyžadují přestup přes nějaký přestupní uzel. Na zasílání údajů v síti využívá fyzické adresy zařízení (MAC adresy), prostřednictvím kterých identifikuje jednotlivá zařízení v síti. K úspěšnému přenosu celých rámců pak linková vrstva potřebuje zajistit několik dílčích úkolů: Zajištění synchronizace na úrovni rámců - vyznačit začátek a konec každého rámce, tak aby jej přijímající strana správně rozpoznala. Začátek a konec každého rámce indikuje celými speciálními znaky nebo prostřednictvím speciální bitových sekvencí. Zajištění transparence dat - zajistit, aby pro každý kus" přenesených dat bylo jasné, zda jde o užitečná data, nebo o řídící údaj (např. označení začátku či konce rámce), tedy aby se speciální znaky resp. speciální bitové sekvence nevyskytly uvnitř" přenášených rámců. Řízení toku - správné dodržování tempa" přenosu - zajištění, aby příjemce stačil přijímat a zpracovat všechno to, co mu odesílatel posílá. Příjemce diktuje tempo přenosu jednotlivých rámců, podle svých momentálních dispozic (nejčastěji volné vyrovnávací paměti). Síťová vrstva (network layer) Hlavní úkol síťové vrstvy je snaha doručit data až ke koncovému příjemci. Pro tento úkol tato vrstva přidává k přenášeným datům hlavičku s logickými adresami cíle a zdroje. Síťová vrstva rozhoduje o tom, kudy (jakou cestou) budou postupně přenášena data, která se mají dostat k určitému konkrétnímu adresátovi. Síťová vrstva provádí rozhodování, kterému se obecně říká směrování (routing) - podkladem pro toto rozhodování je znalost úplné topologie sítě (často postačuje i znalost neúplná). Výsledkem rozhodnutí je směr, kterým má být přenos uskutečněn, resp. 24.2.2012 Software POS 3/7
posloupnost takovýchto směrů (celá postupná cesta od odesilatele k příjemci). Praktická aplikace směrování může být dosti různá. Je například možné nejprve vytyčit cestu" mezi příjemcem a odesilatelem, a pak všechna data posílat touto cestou (v případě tzv. spojovaných přenosů), nebo je možné rozhodování o směru přenosu provádět pro každý přenášený blok dat vždy znovu, dokonce znovu v každém přestupním uzlu (v případě tzv. nespojovaných přenosů). Síťová vrstva přenáší bloky dat, kterým se obecně říká pakety (packets). Ve skutečnosti však síťová vrstva tyto pakety sama fyzicky nepřenáší, ale předává je k přenesení vrstvě linkové. Ke svému požadavku samozřejmě musí vždy připojit i výsledek svého rozhodnutí o směru, kterým má být paket odeslán. Způsoby směrování: Statické vychází z údajů o topologii, které jsou v jednotlivých uzlech zadány na pevno a v čase se nemění. Nevýhodu tohoto způsobu je neschopnost vyrovnat se se změnami v topologii sítě, ke kterým v reálné praxi dochází. Dynamické počítá s průběžnou aktualizací údajů o topologii sítě, neboli s dynamickým šířením směrovacích informací. Na úrovni síťové vrstvy musí být přesně definováno jak, kdy, v jakém tvaru atd. si jednotlivé uzly budou mezi sebou potřebné směrovací informace vyměňovat. Transportní vrstva (transport layer) Zajišťuje komunikaci koncových uzlů, může měnit charakter přenosových služeb vrstvy. Vyrovnává rozdíly mezi schopnostmi tří spodních přenosových vrstev a požadavky tří vyšších, aplikačně orientovaných vrstev. Možné rozdíly jsou: Z nespolehlivých přenosových služeb, jaké nabízí přenosový subsystém tvořený třemi nejnižšími vrstvami, vyrobí spolehlivou službou, jakou požadují horní, aplikačně orientované vrstvy. Z nedostatečně spolehlivé služby vyrobí službu více spolehlivou. Z nespojovaných přenosových služeb udělá služby spojované, pokud je vyšší vrstvy preferují před službami nespojovanými. Přizpůsobuje délky přenášených paketů vlastnostem nižších vrstev. Tato vrstva je implementována až v koncových uzlech, nikoli ve vnitřních uzlech v rámci přenosové části sítě. Transportní vrstvu tedy najdeme v koncových počítačích, ale nikoli již ve směrovačích (routerech), mostech či dokonce opakovačích. S tím, že tato vrstva není pro vnitřní uzly sítě patrná, souvisí ještě jeden další a nesmírně důležitý aspekt: tři nejnižší, přenosově orientované vrstvy, chápou všechny uzly sítě jako dále nedělitelné celky. To znamená, že pokud někam doručí nějaká data, doručí je vždy uzlu jako takovému. Zde ale tato data mohou mít mnoho různých příjemců - mohou patřit různým programům, procesům či úlohám, které na tomto uzlu právě běží nebo alespoň běžet mají. Po třech nejnižších vrstvách tedy musí nastoupit někdo, kdo data doručená uzlu jako takovému převezme. Zjistí, komu patří a zařídí jejich cílené předání konkrétnímu příjemci v rámci daného uzlu. Vrstva totiž označuje požadované i zdrojové aplikace čísly. 24.2.2012 Software POS 4/7
Relační vrstva (session layer) Tato vrstva na rozdíl od ostatních vrstev nemá příliš mnoho povinností. Úkolem této vrstvy je správa relací. Relace je spojení mezi dvěma koncovými uzly. Tato vrstva spojení: navazuje, udržuje a synchronizuje, ukončuje. Prezentační vrstva (presentation layer) Úkolem této vrstvy je zajistit, aby přenášená data měla stejný význam pro příjemce i odesílatele. Zajišťuje převody znaků, formátů čísel. Dále zajišťuje přenos složených datových struktur, tedy jejich správné zabalení (serializaci) u odesílatele a rozbalení (deserializaci) u příjemce. Aplikační vrstva (application layer) Původní představa tvůrců referenčního modelu ISO/OSI ohledně aplikační vrstvy byla taková, že její součástí budou všechny konkrétní aplikace, používané v prostředí sítě. To se ale ukázalo jako neschůdné, zejména z následujícího důvodu: aplikací je hodně, neustále jich přibývá, a pokud by měly být přímo součástí aplikační vrstvy, musely by být pokryty standardy, které by přesně definovaly jejich chování i všechny jejich vlastnosti. To by znamenalo standardizovat uživatelská rozhraní aplikačních programů, a tím značně svázat ruce a tvůrčí rozlet autorům těchto aplikacím. Proto nakonec v aplikační vrstvě zůstaly jen takové části aplikací, jaké má smysl standardizovat (typicky jejich společné části, zajišťující základní funkčnost - například přenos zpráv u elektronické pošty), zatímco ostatní části (zejména týkající se uživatelského rozhraní) se vystěhovaly" nad aplikační vrstvu a přestaly být její součástí. Vazba mezi RM ISO/OSI a modelem TCP/IP Zkratka TCP/IP označuje celou soustavu protokolů a ucelenou soustavu názorů otom, jak by se počítačové sítě měly budovat, a jak by měly fungovat. Zahrnuje i vlastní představu o tom, jak by mělo být síťové programové vybavení členěno na jednotlivé vrstvy, jaké úkoly by tyto vrstvy měly plnit, a také jakým způsobem by je měly plnit tedy jaké konkrétní protokoly by na jednotlivých úrovních měly být používány. TCP/IP je tedy stejně jako referenční model ISO/OSI síťovou architekturou. Hlavní odlišnosti mezi referenčním modelem ISO/OSI a TCP/IP vyplývají především z rozdílných výchozích předpokladů a postojů jejich tvůrců. Při koncipování referenčního modelu ISO/OSI měli hlavní slovo zástupci spojových organizací, kteří kladli důraz na vlastnosti sítě (především spojovaný a spolehlivý charakter služeb) s tím, že k síti připojované hostitelské počítače budou mít relativně jednoduchou úlohu. Později se ale ukázalo, že např. právě v otázce zajištění spolehlivosti to není nejšťastnější řešení, že vyšší vrstvy nemohou považovat spolehlivou komunikační síť za dostatečně spolehlivou pro své potřeby, a tak se snaží zajistit si požadovanou 24.2.2012 Software POS 5/7
míru spolehlivosti vlastními silami. V důsledku toho se pak zajišťováním spolehlivosti do určité míry zabývá každá vrstva referenčního modelu ISO/OSI. Tvůrci protokolů TCP/IP naopak vycházeli z předpokladu, že zajištění spolehlivosti je problémem koncových účastníků komunikace, a mělo by tedy být řešeno až na úrovni trasportní vrstvy. Komunikační síť pak podle této představy nemusí ztrácet část své přenosové kapacity na zajišťování spolehlivosti (na potvrzování, opětné vysílání poškozených paketů atd.) a může ji naopak plně využít pro vlastní datový přenos. V komunikační síti může docházet ke ztrátám přenášených paketů, a to bez varování a bez snahy o nápravu. Komunikační síť by ovšem neměla zahazovat pakety bezdůvodně. Měla by naopak vyvíjet maximální snahu přenášené pakety doručit (best effort), a zahazovat pakety až tehdy, když je skutečně nemůže doručit - tedy např. když dojde k jejich poškození při přenosu, když pro ně není dostatek vyrovnávací paměti pro dočasné uložení, v případě výpadku spojení apod. Na rozdíl od referenčního modelu ISO/OSI tedy TCP/IP předpokládá jednoduchou a rychlou komunikační podsíť, ke které se připojují inteligentní hostitelské počítače.tcp/ip předpokládá nespojovaný charakter přenosu v komunikační síti tedy jednoduchou datagramovou službu a obsahuje jen čtyři vrstvy. Porovnání vrstev TCP/IP a ISO/OSI Normy Důležité je normovat první a druhou vrstvu ISO/OSI, a proto uvedené následující standardy se týkají jen těchto vrstev. IEEE 802.1 norma umožňující návaznost norem 802.2 802.5 IEEE 802.2 - norma definující linkovou vrstvu, provádí logické řízení linkové vrstvy, je nezávislí na médiu IEEE 802.3 norma definující sítě Ethernet, podnormy upřesňují jednotlivé druhy ethernetu IEEE 802.5 norma definující sítě Token Ring 24.2.2012 Software POS 6/7
Kontrolní otázky K čemu slouží referenční model ISO/OSI? Jaké jsou výhody vrstvového modelu? Jaké jsou úkoly fyzické vrstvy? Jaké jsou úkoly linkové vrstvy? Jaké jsou úkoly síťové vrstvy? Jaké jsou úkoly transportní vrstvy? Jaké jsou úkoly vyšších vrstev? Jaký je rozdíl mezi TCP/IP a ISO/OSI? Použitá literatura KLIMEŠ, C. - SKALKA, J. LOVÁSZOVÁ, G. ŠVEC, P. Informatika pro maturanty a zájemce o studium na vysokých školách. České vydání. Nitra: ENIGMA, 2008. 460 s. ISBN 970-80-89132-71-3. Referenční model ISO/OSI - Wikipedie [online]. poslední revize 27. 11. 2010 [cit. 2010-11-28]. Dostupný z <http://cs.wikipedia.org/wiki/referenční_model_iso/osi> PETERKA, J. Jiří Peterka: Díl 1. Úvod [online]. [cit. 2010-11-28]. Dostupný z <http://www.earchiv.cz/a96/a623k150.php3> 24.2.2012 Software POS 7/7