Historie počítačových sítí

Historie počítačových sítí vývoj PS probíhal postupně v několika etapách na počátku, kdy neexistovaly PS se data mezi počítači přenášela pomocí různých fyzických médií - takovéto systémy se označovaly jako tzv. nespřažené (off-line) systémy uživatelé však volali po systémech schopných komunikovat v reálném čase, tzv. spřažených (on-line) systémech aplikace žádná aplikace žádná aplikace vazba vazba

Historie počítačových sítí pro tyto účely se velmi rychle začaly využívat sériové a paralelní porty pro dvojbodové propojení později byly budovány terminálové sítě umožňovaly práci více uživatelů na jednom počítači nejednalo se o pravé PS neinteligentní terminály (např. VT100...) byly postupně nahrazovány emulovanými inteligentními terminály na bázi PC

Sítě s terminály aplikace počítačová síť aplikace, zajišťující funkce terminálu lokální terminálová relace host A vzdálená terminálová relace terminálový emulátor TA1 TA2 TA3 T1 3 terminál terminál terminál... nebo sériová linka počítač, chovající se jako terminál

Budování prvních PS sítě byly budovány živelně, maximálně podle interních firemních specifikací velmi rychle se ukázala potřeba existence nějakých standardů, doporučení tato potřeba se ještě více projevila v okamžiku slučování více různorodých sítí do jednoho celku - sítě ARPANET proto se objevily tzv. referenční modely, dělící jednotlivé fáze komunikace do vrstev pro nás bude vhodné se s některými z těchto modelů seznámit podrobněji

Fáze komunikace Komunikační proces si můžeme rozdělit na fáze: otevření přenosu přenos (výměna) dat ukončení přenosu srovnej např. průběh telefonického spojení mezi dvěma účastníky

Komunikační funkce na základě tohoto rozdělení je možné vymezit typické úlohy potřebné pro realizaci komunikačního procesu, např.: funkce vytvoření spoje funkce otevření přenosu funkce výměny dat funkce ukončení přenosu funkce zrušení spoje.. Jednotlivé fáze komunikace můžeme dále dělit na podfáze a definovat další komunikační funkce

Komunikační funkce synchronizace adresace každou funkci lze řešit řízení toku různými metodami zabezpečení směrování přidělování přenosových kapacit rozklad a slučování zpráv monitorování stavu utajení.

Filozofie vrstev implementovat síť je hodně složité a náročné stejná situace jako při řešení velkých SW celků jde o rozsáhlý problém, který se vyplatí dekomponovat rozdělit na menší části, které je možné řešit samostatně dekompozice se provede po hierarchicky uspořádaných vrstvách dobře to odpovídá povaze řešeného problému přináší to i další výhody možnost alternativních řešení na úrovni nižších vrstev větší modulárnost

Dekompozice síť (jako celek) vrstva vrstva vrstva vrstva vrstva vrstva kolik má být vrstev? co má která vrstva dělat? jak má která vrstva fungovat?.?

Způsob komunikace mezi vrstvami vrstva poskytování služeb vyšší vrstvě vrstva komunikace s partnerskou vrstvou jiného uzlu vrstva využívání služeb nižší vrstvy

Způsob komunikace mezi vrstvami vrstva vrstva vrstva vrstva komunikace probíhá pouze mezi stejnolehlými (rovnocennými, angl.: peer) vrstvami vrstva vrstva

definováno protokolem Představa: obálka (envelope) s údaji pro partnerskou vrstvu vrstva vrstva vrstva vrstva data data data data data do obálky se transparentně vloží data vyšší vrstvy vrstva vrstva vrstva vrstva obálka nejnižší vrstvy se přenese i s obsahem do cílového uzlu

Síťový model a síťová architektura síťový model je ucelená představa o tom, jak mají být sítě řešeny zahrnuje: představu o počtu vrstev představu o tom, co má mít která vrstva na starosti nezahrnuje: konkrétní představu o tom, jak má která vrstva své úkoly plnit tedy konkrétní protokoly síťová architektura obsahuje navíc také: konkrétní představu o způsobu fungování jednotlivých vrstev tj. obsahuje konkrétní protokoly příklad síťového modelu: referenční model ISO/OSI příklad síťové architektury: TCP/IP

Referenční model ISO/OSI Podíváme se důkladněji na jeden ze síťových modelů, tzv. RM ISO/OSI Co je RM ISO/OSI? Neformálně: Soustava představ a názorů na to, jak mají být PS budovány a jak mají fungovat formálně Formálně Síťový model

Referenční model ISO/OSI byl pokusem o vytvoření univerzální síťové architektury skončil jako síťový model bez protokolů, ty se měly dodělávat postupně pochází ze světa spojů - a je to na něm vidět... od organizace ISO (International Standards Organization členy ISO jsou národní normalizační instituce měl být oficiálním řešením prohrál v souboji s TCP/IP Používá se hlavně pro srovnávací a studijní účely

Filosofie RM ISO/OSI vznikal od zeleného stolu a pak byl nadiktován uživatelům vznikal maximalistickým způsobem autoři se snažili zahrnout vše, co by někdy někomu mohlo hodit výsledek byl dosti odtažitý od reálné praxe celá řešení se často ukázala jako nerealizovatelná, a hledala se implementovatelná podmnožina vznikaly různé implementovatelné podmnožiny, které nebyly vzájemně kompatibilní mnohé výchozí předpoklady se ukázaly jako chybné

Sedm vrstev ISO/OSI autoři ISO/OSI se dosti dlouho přeli o počtu vrstev nakonec zvítězil návrh na 7 vrstev dnes se to zdá být zbytečně mnoho zde šlo hlavně o již existující standard X.25 kritéria pro volbu vrstev: činnosti na stejném stupni abstrakce mají patřit do stejné vrstvy odlišné funkce by měly patřit do odlišných vrstev aby bylo možné převzít již existující standardy aby datové toky mezi vrstvami byly co nejmenší aby vrstvy byly rovnoměrně vytíženy...

Architektura RM ISO/OSI RM ISO/OSI je složen ze sedmi na sebe navazujících vrstev (tzv. jemné dělení) RM ISO/OSI je často dělen ještě hrubě na vrstvy: aplikační a podpůrné aplik. - aplk. vr., prezent. vr., relač. vr., přizpůsobovací vrstvu - transportní vrstva orientované na přenos dat - fyz. v, link. v, síť. v.

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 1. vrstva - Fyzická vrstva Definuje prostředky pro komunikaci s přenosovým médiem a s technickými prostředky rozhraní. Dále definuje fyzické, elektrické, mechanické a funkční parametry týkající se fyzického propojení jednotlivých zařízení. Je to čistě hardwarová vrstva. F.V. se mimojité zabývá: kódováním, modulacemi, synchronizací na úrovní bitů Některé standardy Fyzické vrstvy: RS232, X.21, V.24, pojmy jako tenký koaxiál, kroucená dvoulinka a další...

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 2. vrstva - Linková vrstva Zajišťuje základní integritu přenášených bloků dat z jednoho uzlu sítě na druhý. V rámci této činnosti je prováděna synchronizace bloků dat a řízení jejich toku. Je také realizována v HW Přenášené bloky dat jsou na úrovni 2. vrstvy označovány jako rámce. Linková vrstva přenáší rámce vždy pouze k přímím sousedům! - ne přes mezilehlé uzly! L.V. řídí přístup ke společnému médiu L.V. řídí tok dat (např. tak, aby nedošlo k zahlcení příjemce množstvím odesílaných dat) Některé pojmy související s 2. vrstvou: metody CSMA, ALOHA, protokol SLIP, MAC adresa...

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 3. vrstva - Síťová vrstva přenáší bloky dat označované jako datagramy či pakety (packets) Definuje protokoly pro směrování dat, jejichž prostřednictvím je zajištěn přenos informací do požadovaného cílového uzlu. Uplatní se zejména v momentě, kdy neexistuje přímá cesta k příjemci a musí se hledat vhodná cesta Dochází k tzv. směrování (routingu) - vyhledání nejvhodnější cesty k cíly Některé pojmy související s 3. vrstvou: směrovače (routery), adaptivní / neadaptivní směrovací protokoly, směrovací tabulky, soubory lmhosts, RIP, LSP, EGRP, IP adresa, IP protokol...

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 4. vrstva - Transportní vrstva Hlavní úkoly T.V. jsou: zajistit komunikaci koncových účastníků překlenout rozdíly mezi požadavky a představami vyšších vrstev a možnostmi nižších - často je tato vrstva nazývána přizpůsobovací vrstvou Definuje protokoly pro strukturované zprávy a zabezpečuje bezchybnost přenosu (provádí některé chybové kontroly). Řeší například rozdělení souboru na pakety a potvrzování teprve T.V. dokáže poznat, že se nějaká data po cestě ztratila T.V. také obnovuje správné pořadí přenášených dat

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI Při přenosech přes mezilehlé uzly se data dostávají jen na úroveň 3. vrstvy T.V. a vyšší sídlí pouze v koncových uzlech - přestupné uzly T.V. mít nemusí Co je zde?

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 5. vrstva - Relační vrstva Koordinuje komunikace, udržuje a obnovuje relaci tak dlouho, dokud je potřebná. Dále zajišťuje zabezpečovací, přihlašovací a správní funkce. nevíce kritizovaná / problematická vrstva RM ISO/OSI - její náplň je spíše problematická Relace - má svojí analogii spíše z hlediska spojařského, telefonního pohledu Její obsah se přelévá se sousedními vrstvami

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 6. vrstva - Prezentační vrstva Specifikuje způsob, jakým jsou data formátována, prezentována, transformována a kódována. Řeší například háčky a čárky, CRC, kompresi a dekompresi, šifrování dat. Stará se o to, aby např. datové struktury byly na obou stranách prezentovány stejně (Little (Intel) / Big (Motorola) Endian, kódování češtiny...) Všechna přenášená data jsou v této vrstvě linearizována - převedena do 1D

Jednotlivé vrstvy RM ISO/OSI 7. vrstva - Aplikační vrstva Vrstva nejvyšší. Definuje způsob, jakým komunikují se sítí síť využívající aplikace, například elektronická pošta, IE, ICQ... Používá služby nižších vrstev a díky tomu je izolována od problémů síťových technických prostředků.

Nedostatky RM ISO/OSI RM vznikal v době, kdy ještě lokální sítě prakticky neexistovaly, což se projevuje některými nedostatky nepamatuje například na přístup ke sdílenému médiu - kam například implementovat přístupové metody musí být nad F.V., protože vyžadují služby na úrovni přenesení jednotlivých bitů musí být pod L.V., protože pro úspěšný přenos celého datového rámce již musí být přístup k médiu vyřešen

Řešení místo přidání nové vrstvy mezi F.V. a L.V. bylo zvoleno následující řešení: L.V. byla rozdělena na dvě části: vyšší podvrstva LLC (Logical Link Control) - zajišťuje původní funkce L.V. nižší podvrstva MAC (Media Access Control) - zajišťuje přístup ke sdílenému médiu Takovýchto nedostatků / otazníků obsahuje RM ISO/OSI více

Budoucnost RM ISO/OSI proces tvorby RM ISO/OSI není dodnes zcela ukončen stále vznikají nové standardy ale také nové verze již existujících standardů RM ISO/OSI možná do budoucna převáží a sítě budou budovány podle něj v současné době to ale vypadá naopak - viz porovnání 7vr.m. s 4vr.m TCP/IP v další části sedmivrstvý RM se může zdát zbytečný přesto je důležité se v něm dobře orientovat

Čtyřvrstvý model TCP/IP prakticky nezávisle na 7 vrstvém modelu ISO/ OSI se vyvinul 4 vrstvý model TCP/IP* obsahuje ucelenou představu o počtu a úloze vrstev - proč? důvodem je postup vzniku: Nejprve vznikly protokoly Teprve potom vrstvy proto je koncepce vrstev dobře uzpůsobena protokolům ve skutečnosti síťová architektura právě proto, že obsahuje také konkrétní protokoly * výzkumné práce byly zahájeny pod vlivem prvotního zděšení USA z vypuštění první družice v SSSR vývoj financovalo ministerstvo obrany USA (DoD)

Filosofie TCP/IP zachovala se z původních požadavků na ARPANET* (který byl navržen pro vojáky): nesmí mít žádnou centrální část (tu by nepřítel zničil jako první) charakter bude převážně decentralizovaný! musí být velmi robustní (tak aby to alespoň nějak fungovalo, když nepřítel část sítě zničí) komunikace bude mít tedy spíše nespojovaný charakter! * zárodečná síť ARPANET používala paketovou technologii NCP (Network Control Protocol) cílem projektu bylo ověřit životaschopnost paketové technologie

Internet když TCP/IP vznikalo, ARPANET už existoval a byl velký zájem o připojení k němu o připojení k ARPANETu usilovaly sítě různého typu (s různými síťovými technologiemi) TCP/IP* je řešeno tak, aby: šlo snadno připojovat dříve samostatné sítě bylo možné propojit i různé síťové technologie postupným připojováním dalších sítí k zárodečnému ARPANETu vzniká Internet = síť sítí * specifikace jsou volné (PD, veřejné vlastnictví) koncepce protokolů TCP/IP vznikla zhruba v letech 1977-78 Internet přešel na TCP/IP k 1.1.1983

Koncepce vrstev TCP/IP Motto: víš-li jak na to, čtyři vrstvy ti plně postačí. Nevíš-li, ani sedm ti jich nepomůže... též: IP vrstva TCP/IP aplikační transportní síťová vrstva síťového rozhraní RM ISO/OSI aplikační prezentační relační transportní síťová linková fyzická

Síťová vrstva TCP/IP zajišťuje pouze nespojovaný a nespolehlivý přenos holé minimum, ale snaží se být co nejrychlejší zajišťuje jednotné přenosové služby nad všemi možnými přenosovými technologiemi nižších vrstev vytváří jednotnou pokličku protokol IP (Internet Protocol) hlavní (a jediný) přenosový protokol snaží se zakrývat specifika přenosových technologií nižších vrstev, a fungovat nad nimi optimálně varianty: SLIP (Seriál Line IP) PPP (Point-to-Point Protocol) podrobněji později S.V. zajišťuje jednoznačnou identifikaci každého komunikujícího uzlu v síti - jak to dělá? - IP adresou!

Transportní vrstva TCP/IP řeší komunikaci koncových účastníků (end-to-end communication) sama využívá nespojovaný a nespolehlivý přenos na úrovni síťové vrstvy sama alternativně nabízí: spojovaný a spolehlivý přenos nespojovaný a nespolehlivý přenos aplikace si mohou vybrat podle potřeby!!! protokol TCP (Transmission Control Protocol): zajišťuje spolehlivý a spojovaný přenos tváří se jako proud (stream), který přenáší jednotlivé byty protokol UDP (User Datagram Protocol) zajišťuje nespojovaný a nespolehlivý přenos je jen lehkou nadstavbou nad síťovou vrstvou, nemění povahu přenosových služeb síťové vrstvy Síťová vrstva se tedy stará o doručení dat konkrétním aplikacím na jednotlivých uzlech. Jak to dělá? pomocí tzv. TCP/UDP portů!

Aplikační vrstva TCP/IP koncepce obdobná aplikační vrstvě ISO/OSI jsou zde základní části aplikací, ostatní (UI) jsou nad aplikační vrstvou služby relačního a prezentačního charakteru jsou přímou součástí aplikací původní služby aplikační vrstvy: elektronická pošta přenos souborů vzdálené přihlašování později vznikají další: sdílení souborů správa sítě zpřístupnění informací Gopher, WWW,...

Vrstva síťového rozhraní (Network Interface Layer) zahrnuje vše, co se nachází pod síťovou vrstvou architektura TCP/IP tuto vrstvu sama nijak nenaplňuje tj. nespecifikuje svoje vlastní přenosové technologie na nižších vrstvách!!! PROČ? předpokládá se, že se bude používat to, co vznikne někde jinde, mimo rámec TCP/IP (např. Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25, ATM,.) TCP/IP se zabývá pouze tím, jak tyto technologie co nejlépe využít tj. jak nad nimi provozovat protokol IP

Implementace IP protokol IP sám data fyzicky nepřenáší, využívá cizích přenosových technologií služby pod protokolem IP mohou být značně různorodé, zejména z hlediska: velikosti přenášených bloků (rámců) míry spolehlivosti přenosového zpoždění spojovaného či nespojovaného charakteru charakteru přenosu protokol IP se zaměřuje na holé minimum vše ostatní ponechává na vyšších vrstvách

Standardizace TCP/IP standardy TCP/IP jsou skutečně otevřené nejsou v rukou jediné firmy nový standard může navrhnout kdokoliv jsou přijímány na základě všeobecného konsensu dokumentů RFC (Request For Comments) nejprve diskuse, potom standardizace specifikace protokolů jsou veřejným vlastnictvím za jejich využití se neplatí žádné licenční poplatky texty specifikací mají povahu volně šiřitelných dokumentů přibývají stále nové protokoly a služby: např. NFS, ICQ, VoIP, VIDoIP jiné se obohacují...

Taxonomie počítačových sítí a topologie

Co je taxonomie? taxonomie = klasifikace, škatulkování, dělení podle nejrůznějších kritérií příklady kritérií: dosah sítě, prostor který síť fyzicky pokrývá topologie sítě použité přenosové technologie a techniky role (postavení) uzlů sítě účel, kterému síť slouží -hlasové, datové... mobilita uživatelů otevřené / privátní sítě...

Kritérium: dosah sítě vzdálenost celek příklad 0,1 m motherboard, karta počítač 1 m systém multiproc. systém 10 m místnost LAN 100 m budova LAN 1 km campus LAN 10 km město MAN 100 km stát WAN 1000 km kontinent WAN 10 000 km planeta Internet

Srovnání LAN a WAN LAN WAN kvůli čemu se zřizují přenosová rychlost topologie sítě vlastnictví přenosové infrastruktury charakter uzlů spíše pro potřeby sdílení vyšší (např. 10 až 100 Mb/s) systematická (pravidelná) provozovatel vlastní menší, převažují pracovní stanice spíše pro potřeby komunikace nižší (např. 64 kb/s) nesystematická (nepravidelná) provozovatel si pronajímá větší, převažují servery dostupnost uzlů podle potřeb uživatelů trvale přenosové zpoždění malé velké spolehlivost přenosových cest vyšší nižší

Kritérium: topologie sítě Topologie =uspořádání prvků sítě a spojů mezi nimi neorientovaný graf: hrany = spoje, uzly = prvky topologie sítě ovlivňuje některé její vlastnosti: rozšiřitelnost (možnost a snadnost doplňování nových uzlů do sítě) rekonfigurovatelnost (možnost změnit strukturu sítě při závadě komponenty) spolehlivost (odolnost proti výpadkům komponent) složitost uzlů (HW, SW) výkonnost (využití média, zpoždění přenášených dat)

Topologie počítačové sítě A B většina sítí WAN C D polygon E některé počítače jsou spojeny fyzicky: A-C, A-E, B-E, B-F, C-E, C-F, D-F, E-F některé pouze logicky (přes mezilehlé uzly): A-B, A-D, A-F, B-C, B-D, C-D F

Topologie LAN hvězda (star) centrální prvek sběrnice (bus) společné médium

Topologie LAN kruh (ring) strom (tree)

Jiné kritérium dělení: postavení (role) uzlů sítě jde o to, zda uzel sítě: pouze nabízí své vlastní zdroje k využití ostatním uzlům formou sdílení chová se jako server pouze využívá zdroje ostatních uzlů prostřednictvím sdílení chová se jako klient nabízí vlastní zdroje a současně využívá zdroje jiných uzlů chová se současně jako klient i server pokud převažuje současně využívání i nabízení, jde o síť typu peer-to-peer postavení uzlů je zde symetrické, uzly komunikují jako rovný s rovným pokud existuje jasná hranice mezi nabízením a využíváním, jde o síť typu klient-server postavení uzlů je asymetrické, některé uzly se chovají jako klienti, jiné jako servery

Jiné kritérium dělení: k čemu síť slouží inter-net (s malým i) je síť propojující relativně samostatné sítě tuto úlohu dnes obvykle plní Internet (s velkým I) technicky intranet představuje: využití Internetových technologií (TCP/IP, WWW...) uvnitř podnikových sítí levnější SW snadnější zaškolení, údržba,... výhodné i pro uživatele intranet je síť sloužící potřebám organizace (podniku, firmy, instituce,...) firemní informační a komunikační systém propojení fyzicky oddělených a někdy velmi vzdálených segmentů firemní sítě (pobočky ve světě) ochrana firemních dat před přístupem cizích subjektů

PS je možné dělit také např. podle přenosové technologie... týká se hlavně nejnižších vrstev fyzické linkové síťové (někdy) drátové sítě optické sítě bezdrátové sítě... pro LAN: Ethernet Token Ring FDDI (páteřní sítě) pro WAN: X.25 Frame relay HDLC PPP, SLIP (TCP/IP) univerzální: ATM A mnoha dalších hledisek...

Některé důležité pojmy související s topologií PS V dalších přednáškách se budeme setkávat s některými pojmy uzel základní aktivní prvek. Má v síti (alespoň v lokálním segmentu) jednoznačnou identifikaci nejčastěji například uzly označujeme všechna zařízení s vlastní IP adresou (v případě TCP/IP sítí) repeater (opakovač, zesilovač) z hlediska sítí poměrně hloupé zařízení znovuobnovující některé charakteristiky signálu, pracuje pouze na fyzické úrovni na topologii sítě nemá vliv

Některé důležité pojmy související s topologií PS tranceiver (převodník) obecný prvek převádějící signál z jednoho typu síťové technologie na jinou pojem zahrnuje jak jednoduché převodníky typu AUI-RJ45 až po transívery mezi optikou a satelitním příjmem... nejjednoduší pracují na F.V. až po složité zasahující až do T.V. bridge (most) prvek propojující mezi sebou sítě zcela odlišné sítě (segmenty sítí) s různými síťovými standardy např. ISDN Ethernet pracuje na T.V. (musí řešit zahlcování sítě...) kombinuje v sobě tranciever, repeater... znáte jej nejčastěji z WiFi

Některé důležité pojmy související s topologií PS hub (rozbočovač) prvek zajišťující větvení sítě funguje pouze jako zesilovač odchozí data jsou přeposílána do všech směrů funguje pouze na F.V. switch (přepínač) prvek zajišťující inteligentnější větvení sítě na rozdíl od hubu dochází k volbě směru odesílaných dat základní přepínače fungují na 2. vrstvě, složitější i na vyšších vrstvách

Některé důležité pojmy související s topologií PS router (směrovač) prvek shromažďující informace o okolních sítích vybírající nejvhodnější cestu pro přeposílaná data technologicky nejvyspělejší síťové prvky směrovací prvek ze kterých je složena celá síť Internet

Konec přednášky příště se podíváme na fyzickou vrstvu podíváme se podrobněji na přenosová média kódování a modulace signálů konektory a kabeláž...