Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Telekomunikační sítě Protokolové modely Datum: 14.2.2012 Autor: Ing. Petr Machník, Ph.D. Kontakt: petr.machnik@vsb.cz Předmět: Telekomunikační sítě ts_120214_kapitola2
Protokolové modely Ing. Petr Machník, Ph.D.
Referenční model OSI Referenční model pro propojení otevřených systémů (RM OSI Reference Model for Open Systems Interconnection) je souborem pravidel a standardů, které jsou potřebné pro výměnu informací mezi otevřenými systémy. Otevřeností se myslí otevřenost pro komunikaci. Systém se skládá z jednoho nebo více počítačů, příslušného programového vybavení, vnějších zařízení, terminálů, lidských operátorů, fyzických procesů, z prostředků pro přenos informací atd. Propojení systémů znamená nejen možnost přenášet informace, ale i schopnost systémů spolupracovat. 2
RM OSI byl vytvořen v letech 1977 až 1984 mezinárodní standardizační organizací ISO (International Organization for Standardization). RM OSI se skládá ze 7 vrstev. Nejvyšší (7.) vrstva vytváří rozhraní systému vůči uživatelské aplikaci, nejnižší (1.) vrstva je rozhraním k fyzickému přenosovému médiu. Sousedící vrstvy mají také společné rozhraní pro výměnu informací mezi sebou. Vlastnosti vrstev jsou modelovány pomocí entit. Entita je samostatná programová nebo technická komponenta, která realizuje jednu nebo více funkcí vrstvy. Komunikace mezi entitami je popsána pomocí komunikačních protokolů. Partnerské entity z různých systémů si vyměňují informace formou protokolových datových jednotek (PDU Protocol Data Unit). Entita z níže ležící vrstvy nabízí službu entitě z výše ležící vrstvy prostřednictvím přístupového bodu služby (service access point). 3
Tranzitní systémy v síti obvykle nepotřebují funkce všech 7 vrstev. Proto mají jen spodní vrstvy a některé horní vrstvy chybí. RM OSI dvou koncových systémů a jednoho tranzitního systému 4
Jak zpráva prochází jednotlivými vrstvami od nejvyšší po nejnižší, každá vrstva k ní může přidat své řídící informace, které jsou důležité pro partnerské vrstvy jiných systémů. Tento proces se nazývá zapouzdření (encapsulation). Proces zapouzdření 5
Obecné vlastnosti vrstev Jsou společné všem vrstvám. Popisují služby mezi sousedními vrstvami. Multiplexování a demultiplexování spojení (Multiplexing/demultiplexing) Rozdělování a slučování spojení (Splitting/recombining) Segmentace a znovu poskládání datových jednotek (Segmenting/Reassembling) Tvorba datových bloků a dělení datových bloků (Blocking/Deblocking) Řízení toku (Flow Control) Vytváření pořadí (Sequencing) Potvrzování (Acknowledgment) 6
Vlastnosti vrstev RM OSI 7. Aplikační vrstva (Application layer) 6. Prezentační vrstva (Presentation layer) 5. Relační vrstva (Session layer) 4. Transportní vrstva (Transport layer) 3. Síťová vrstva (Network layer) 2. Spojová vrstva (Data link layer) 1. Fyzická vrstva (Physical layer) 7. 4. vrstva koncově orientované vrstvy jsou implementovány jen v koncových zařízeních 3. 1. vrstva síťově orientované vrstvy síťové tranzitní zařízení používají jen je (nebo některé z nich) 7
Aplikační vrstva (Application layer) Tato vrstva vytváří rozhraní mezi aplikacemi, které uživatelé používají ke komunikaci, a sítí, přes kterou jsou přenášeny uživatelské zprávy. Protokoly aplikační vrstvy se používají k výměně dat mezi programy, které běží na zdrojovém a cílovém zařízení. Existuje mnoho protokolů aplikační vrstvy a nové protokoly dále vznikají (př. HTTP, FTP, SMTP, POP3 atd.) PDU této vrstvy se nazývá zpráva (message). 8
Prezentační vrstva (Presentation layer) Úkolem této vrstvy je kódování a konverze dat aplikační vrstvy tak, aby data vytvořená aplikací zdroje mohla být správně interpretovaná aplikací cílového zařízení (př. ASCII, JPEG, MPEG atd.). Komprese dat způsobem umožňující jejich dekompresi v cílovém zařízení. Šifrování dat ve zdrojovém zařízení a dešifrování dat v cílovém zařízení. 9
Relační vrstva (Session layer) Úkolem této vrstvy je vytvářet a udržovat komunikaci mezi zdrojovou a cílovou aplikací. Relační vrstva se stará o výměnu informací sloužících k zahájení komunikace, k jejímu udržení v aktivním stavu a k obnovení relace, která byla přerušena nebo byla neaktivní po dlouhou dobu. 10
Transportní vrstva (Transport layer) Transportní vrstva provádí segmentaci dat a jejich znovu poskládání do různých komunikačních toků. Hlavními úkoly této vrstvy jsou: Sledování jednotlivých komunikací mezi aplikacemi ve zdroji a v cíli. Segmentace dat a kontrola každého segmentu. Znovu poskládání segmentů do toků aplikačních dat. Identifikace různých aplikací. Příklady protokolů: TCP, UDP (z TCP/IP modelu). PDU této vrstvy se nazývá segment. 11
Síťová vrstva (Network layer) Síťová vrstva se zabývá přenosem dat sítí od zdroje k cíli. Hlavními úkoly této vrstvy jsou: adresování zařízení v síti, zapouzdření dat, směrování dat k cíli u nespojově orientovaného přenosu, signalizace u spojově orientovaného přenosu. Příklady protokolů: CLNP (z OSI modelu), IP (z TCP/IP modelu). PDU této vrstvy se nazývá paket (někdy také datagram). 12
Spojová vrstva (Data link layer) Spojová vrstva se zabývá přenosem dat přes lokální přenosové médium. Hlavními úkoly této vrstvy jsou: Umožňuje vyšším vrstvám přenos dat v podobě rámců přes přenosové médium. Řídí vysílání dat na přenosové médium a příjem dat z přenosového média pomocí metod jako řízení přístupu k médiu (media access control) a detekce chyb. Pomocí návěstí (flag) provádí synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem. Příklady protokolů: Ethernet, Token Ring, Frame Relay, HDLC, PPP, IEEE 802.11. PDU této vrstvy se nazývá rámec. 13
Fyzická vrstva (Physical layer) Fyzická vrstva se zabývá přenosem jednotlivých bitů, které tvoří dohromady rámec spojové vrstvy, přes přenosové médium. Do fyzické vrstvy patří: fyzické médium a příslušné konektory, reprezentace bitů na médiu (elektrický, optický nebo rádiový signál), kódování bitů přenášených dat a řídících informací, vysílací a přijímací obvody síťových zařízení. Příklady standardů: standardy EIA/TIA pro UTP a optické kabely, ISO 8877 pro RJ-45 konektory, EIA RS-232, IEEE 802.11a/b/g/n. 14
Protokolový model TCP/IP Protokolový model TCP/IP byl vytvořen na základě iniciativy Ministerstva obrany USA s cílem zajistit spojení mezi experimentální sítí ARPANET a jinými sítěmi. Model TCP/IP byl navržen jako sada protokolů pro heterogenní síťové prostředí. Jeho protokoly vznikaly postupně v 70. a 80. letech 20. století. Tento model je pojmenován podle jeho dvou nejvýznamnějších protokolů TCP a IP. V současnosti se protokoly tohoto modelu používají při komunikaci mezi počítači v rámci Internetu i v mnoha jiných sítích. 15
Výhody modelu TCP/IP: - fragmentace IP paketů podle použité technologie spojové vrstvy, - flexibilní adresní systém. 16
Protokolový model TCP/IP (vybrané protokoly) 17
Vrstvy protokolového modelu TCP/IP Aplikační vrstva (Application layer) Aplikační vrstva odpovídá třem vrchním vrstvám modelu OSI (aplikační, prezentační a relační vrstva). Nabízí služby poskytované systémem uživatelským aplikacím. Existuje mnoho protokolů a služeb aplikační vrstvy - File Transfer Protocol (FTP), Terminal emulation protocol (telnet), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), Hypertext Transfer Protocol (HTTP) atd. 18
Transportní vrstva (Transport layer) Transportní vrstva poskytuje dva typy služeb vyšší vrstvě garantované doručení dat pomocí TCP protokolu (Transmission Control Protocol ) a doručení dat metodou best effort pomocí UDP protokolu (User Datagram Protocol). Funkce TCP a UDP zahrnují úlohu spojení mezi aplikační vrstvou a Internetovou vrstvou. Transportní vrstva má za úkol realizovat datový přenos z aplikační vrstvy s určitou kvalitou. Následně pak aplikační vrstvu informuje o jeho provedení. Na druhou stranu TCP a UDP využívají níže položenou internetovou vrstvu jako nástroj k přenosu paketů sítí bez zajištění spolehlivosti přenosu. 19
Internetová vrstva (Internet layer) Internetová vrstva je jádrem celé architektury TCP/IP. Její funkce odpovídají síťové vrstvě modelu OSI. Hlavním protokolem internetové vrstvy je IP protokol (Internet Protocol). Jeho úkolem je přenos paketů mezi sítěmi, od jednoho směrovače k jinému, až k cílové síti. Na rozdíl od protokolů aplikační a transportní vrstvy není IP implementován jen v koncových zařízeních, ale i v síťových zařízeních jako například směrovač. IP je nespojově orientovaný datagramový protokol, který funguje na principu best effort. Protokoly, které vykonávají ve vztahu k IP pomocnou funkci se často řadí na internetovou vrstvu TCP/IP modelu. K těmto protokolům patří RIP (Routing Information Protocol ) a OSPF (Open Shortest Path First ), které zkoumají síťovou topologii, stanovují cesty k cíli a vytvářejí směrovací tabulky, což pomáhá přenášet IP pakety k jejich cíli. 20
Ze stejného důvodu i další dva protokoly jsou řazeny na internetovou vrstvu: ICMP (Internet Control Message Protocol), který má za úkol přenášet informace o přenosových chybách datových paketů, a IGMP (Internet Group Management Protocol), který se používá pro podporu multicastingu přenosu paketu na více adres současně. 21
Vrstva přístupu k síti (Network access layer) Vrstva přístupu k síti je zodpovědná za spolupráci s různými síťovými technologiemi. TCP/IP model považuje každou technologii této vrstvy za nástroj k přenosu paketů k dalšímu směrovači na cestě k cíli. Cíl poskytnout rozhraní mezi IP a technologiemi této vrstvy zahrnuje následující úkoly: definování způsobu zapouzdření IP paketu do PDU dané přenosové technologie, stanovení způsobu překladu IP adres na adresy používané danou přenosovou technologií. 22
Takovýto přístup umožňuje síti postavené na TCP/IP využít jakoukoli přenosovou technologii. Je pro ně jen potřeba definovat určité rozhraní. Vrstva přístupu k síti není striktně regulovaná. Podporuje mnoho různých technologií Ethernet, FDDI, X.25, Frame Relay, ATM, PPP atd. 23
Internet Protocol (IP) Úkolem IP je umožnit spojení s jednotlivými níže ležícími technologiemi. IP je nespojově orientovaný protokol, tzn. IP pracuje s každým paketem jako s nezávislou datovou jednotkou bez vazby na jiné IP pakety. Jestliže během přenosu IP paketu nastane nějaká chyba, IP neumí provést žádnou činnost k opravě této chyby IP používá metodu best effort. V současnosti se používá především IP verze 4, ale stále více se prosazuje verze 6, která umožňuje lepší podporu kvality služby (QoS), multicastingu a bezpečnosti. Hlavně ale přináší dostatečně velký počet adres pro rostoucí Internet. 24
Formát IP paketu, TCP segmentu a UDP segmentu 25
Transmission Control Protocol (TCP) K zajištění spolehlivého doručení dat vytváří TCP logické spojení, které umožňuje číslování přenášených paketů, potvrzování jejich přijetí a zajištění znovuposlání ztracených paketů. Umí také detekovat a odstranit duplicitní pakety a doručit pakety aplikační vrstvě v pořadí, v kterém byly odeslány. Tímto způsobem TCP zajišťuje bezchybný přenos dat v síti od jednoho koncového zařízení k jinému. TCP také umožňuje komunikaci mezi koncovými zařízeními v duplexním módu. 26
TCP rozděluje zprávy na segmenty a posílá je do nižší vrstvy. Po přijetí jednotlivých segmentů cílovým zařízením je TCP znovu poskládá do podoby původní zprávy. Aplikační protokoly využívající TCP: HTTP, FTP, SMTP atd. User Datagram Protocol (UDP) UDP je jednoduchý protokol, který se používá, pokud spolehlivost přenosu dat není důležitá nebo je řešena nástroji vyšší vrstvy aplikační vrstvy. Funguje na principu best effort. Aplikační protokoly využívající UDP: TFTP, SNMP, DNS atd. 27
Real-time Transport Protocol (RTP) RTP umožňuje komunikaci (hlas nebo video) v reálném čase. Je navržen i pro multicastovou komunikaci. Jedná se o jednoduchý protokol a pro svůj přenos používá UDP. Nepodporuje sice QoS, ale používá RTCP (RTP Control Protocol) pro výměnu informací mezi zdrojovým a cílovým zařízením za účelem kontroly kvality datového přenosu. 28
Síťový řídící systém Síťový řídící systém obsahuje: Agenty Agenti jsou softwarové moduly, které jsou umístěny v síťových zařízeních a které sbírají a uchovávají různé informace jako počet chybných paketů přijatých síťovým zařízením. Řízené objekty Řízený objekt je popis něčeho, co může být řízeno. Například seznam aktuálně aktivních TCP spojení v určitém počítači je řízený objekt. Řízené objekty se liší od proměnných, které jsou instancemi jednotlivých objektů. Instancí objektu je v předchozím příkladě jedno aktivní TCP spojení v daném počítači. 29
Manažera Manažer je program, který iniciuje řídící operace a přijímá řídící informace od agentů (vyžádané nebo nevyžádané). Řídící informační databázi (Management Information Base - MIB) MIB obsahuje všechny řízené objekty. Skupiny souvisejících řízených objektů jsou sdruženy do jednotlivých MIB modulů. MIB má stromovou strukturu. Příkladem síťového řídícího softwaru je SNMP (Simple Network Management Protocol). Příklady řízených parametrů: velikost a procento využití paměti, procento využití procesoru, přenosová rychlost rozhraní, provozní zatížení atd. 30
Úkoly síťového řídícího systému je možné rozdělit do následujících pěti funkčních skupin: 1) konfigurační management (configuration management), 2) chybový management (fault management), 3) výkonnostní management (performance management), 4) bezpečnostní management (security management), 5) účtovací management (accounting management). 31
Telekomunikační řídící síť Telekomunikační řídící síť (Telecommunication Management Network - TMN) je fyzicky oddělená síť pro řízení telekomunikačních sítí a služeb. Má následující výhody: Řízení je nezávislé na zatížení telekomunikační sítě. Řídící informace o síti nebo službě jsou přenášeny nezávisle na síťových zařízeních, což umožňuje kdykoli získat informace o stavu sítě. Konfigurace síťových zařízení je možno připravit předem a realizovat v době nižšího provozu v síti. TMN může být použita i v prostředí telekomunikační sítě s vybavením od různých výrobců. 32
Použitá literatura: BLUNÁR, Karol, DIVIŠ, Zdeněk. Telekomunikační sítě, 1.díl. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2003. ISBN 80-248- 0391-7. OLIFER, Natalia, OLIFER, Victor. Computer Networks: Principles, Technologies and Protocols for Network Design. Chichester : John Wiley & Sons, 2006. 973 s. ISBN 0470869828. 33