Standardizace počítačových sítí

Obecný úvod

Původní strategie významných výrobců spočívala ve vytváření a udržování takových specifikací, které zajišťovaly uživatelům kompatibilitu výhradně vlastních výrobků firmy. Tyto počítačové sítě označované jako homogenní nebo uzavřené systémy měly nevýhodu v tom, že se jim museli přizpůsobovat jak výrobci technického vybavení, tak i výrobci programového vybavení (vyjmenujme alespoň některé ze známých vlastnických protokolů - DECnet od firmy DEC, SNA - Systems Network Architekture od firmy IBM, SPX/IPX - Sequenced/Internet Packet Exchange od firmy Novell atd..). Na rozdíl od těchto uzavřených systémů otevřené neboli heterogenní systémy jsou počítačové systémy, které jsou navrženy v souladu s uznávanými mezinárodními standardy a lze je získat od více nezávislých výrobců. Užití otevřených systémů umožňuje, aby programy pracující v lokálních nebo vzdálených systémech sítě mohly navzájem spolupracovat a aby komunikace uživatele s těmito aplikacemi byla jednotná.

Pojem propojení otevřených systémů (OSI - Open Systems Interconnection) označuje technické a programové vybavení počítačové sítě. V oblasti počítačových sítí jsou mezinárodní organizace CCITT (Comité Consultatif International de Télégraphique et Téléphonique - je jednou ze tří stálých komisí ITU - International Telecomunications Union) a ISO (International Organization for Standardization) nejdůležitější a zabývají se tvorbou standardů. Členy CCITT jsou především vládní instituce nebo organizace, které zodpovídají v jednotlivých členských zemích za telekomunikace. CCITT vydává doporučení, které se po schválení ITU stávají mezinárodními standardy. Narozdíl od této organizace je ISO dobrovolnou nevládní organizací, jejími členy jsou normalizační instituce. Další důležité a známé jsou např. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), což je prestižní americká společnost elektrotechnických a elektronických inženýrů. Tato společnost vydává odborné časopisy, pořádá konference a má vlastní orgán, který se zabývá tvorbou standardů. Pro oblast lokálních počítačových sítí je známá skupina standardů IEEE 802. V roce 1979 přijala organizace ISO standard pod označením Reference Model of Open Systems Interconnection (RM OSI).

Síťová komunikace

Činnost sítě znamená posílat data z jednoho počítače do druhého. Tento složitý problém se dá rozdělit do těchto úkolů:

rozpoznat data

rozdělit data do zpracovatelných dávek

připojit ke každé dávce dat informace (zdroj a cíl)

připojit informace o časování a kontrole chyb

převést data do sítě a poslat je do určeného místa

Základní pojmy RM OSI

Vrstva (Layer) - je dána přesným vymezením funkcí. Ke každé vrstvě, kromě nejvyšší a nejnižší, přísluší rozhraní s bezprostředně vyšší a nižší vrstvou. Nejvyšší vrstvě náleží rozhraní s aplikačním procesem. Nejnižší vrstva pak sdílí rozhraní s fyzickým médiem.

Entita (Entity) - je objekt, který v určité vrstvě něco aktivního vykonává. Obvykle se jedná o programový celek. U nižších úrovní jde o hardwarový celek (I/O port). Bezprostřední poskytovatel a uživatel služby není vrstva, ale právě určitá entita vrstvy.

Protokol (Protocol) - entity ležící ve stejných vrstvách různých otevřených systémů spolu komunikují pomocí předem dohodnutých pravidel, kterým říkáme protokoly.

Služba (Service) - entity určité vrstvy, když vykonávají své funkce poskytují služby bezprostředně vyšší vrstvě , pro realizaci těchto funkcí využívají služeb vrstvy bezprostředně nižší. Jednotlivé služby jsou nabízeny v tzv. bodech poskytování služby (Service Access Point, SAP), které jsou identifikovány prostřednictvím svých adres. Služby lze rozdělit na:

þ     Spojové služby (Connection - oriented Services) - kde dvě entity na stejných úrovních, když chtějí komunikovat, musí nejdříve navázat spojení. Po spojení odesílající posílá, co si přeje odeslat a příjemce si na druhé straně zprávu přebere. Jde o obdobu navázání jako u telefonního spojení.

þ     Nespojované služby (Connectionless Services) - nepočítají se zřízením stálého spojení mezi odesílatelem a příjemcem. Místo toho se považují jednotlivé části přenášených dat za samostatné celky opatřené adresou svého konečného příjemce a doručují se nezávisle na ostatních zprávách. Jednotlivé zprávy mohou být přenášeny různými cestami.

þ     Spolehlivá služba (Reliable Service) - je taková, která nikdy neztrácí žádná data. Obvykle je to služba realizována prostřednictvím vhodného mechanismu potvrzování zpráv.

þ     Nespolehlivá služba (Unreliable Service) - kde není potvrzování zpráv, ale přesto se jedná o službu s velmi vysokou spolehlivostí.

Referenční model ISO/OSI

Tento model byl vytvořen mezinárodní organizací ISO jako jednotný standard pro vzájemné propojování systémů různých typů a koncepcí, pocházejících od různých výrobců. Vzniklý model  má sedm vrstev. Sedm vrstev tvoří hierarchii začínající aplikacemi na vrcholu a končící fyzickými spojeními vespod. Referenční model OSI zahrnuje dva modely komunikace:

horizontální, model na protokolové bázi, pomocí něhož komunikují programy a procesy různých počítačů

vertikální, model na bázi služeb, pomocí něhož komunikují vrstvy na jediném počítači

Komunikace vyžaduje následující prvky. Alespoň dvě strany mající zájem komunikovat a musí existovat společný jazyk (protokol) pomocí kterého budou strany komunikovat. Vertikální vrstvy komunikují přes rozhraní API (Application Program Interface).

Aplikační vrstva (Application Layer

Tato vrstva specifikuje prostředí, ve kterém síťové aplikace komunikují se síťovými službami. Koncový uživatel využívá sítě pro spouštění aplikací, přenos souborů, poštu, pro vzdálené přihlášení (remote login) apod.. Protokoly aplikační vrstvy obsahují především aplikační programy. Nalezneme zde i síťové nadstavby, které umožňují připojení stanice k síti. Mezi programy a protokoly poskytující služby aplikační vrstvy patří následující:

NICE (Network Information and Control Exchange), který poskytuje monitorování a správu sítě.

FTAM (File Transfer Access and Management), který poskytuje vzdálenou správu souborů.

X.400, který specifikuje protokoly a funkce pro předávání zpráv a elektronickou poštu.

CMIP, který nabízí správu sítě postavené na rámci formulovaném OSI.

Telnet, který poskytuje terminálovou emulaci a vzdálené připojení.

rlogin, který poskytuje vzdálené připojení pro prostředí UNIX.

Prezentační vrstva (Presentation Layer)

Tato vrstva řídí formátování datových přenosů. Data, která prostřednictvím sítě se přenášejí mohou být texty, čísla nebo obecnější datové struktury. Jsou zde obsažena specifika pro kódování a dekódování znakových sad, v rámci této vrstvy bývá realizována i komprese dat nebo jejich šifrování atd.. Prezentační vrstva poskytuje služby pro aplikační vrstvu ležící nad ní a využívá relační vrstvu pod ní.

Relační vrstva (Session Layer)

Tato vrstva poskytuje procesy, které řídí přenos dat, zpracovává chyby vysílání a přenosu, vede záznamy o vyslaných přenosech. Jinak tato vrstva navazuje, udržuje a ruší relace mezi koncovými účastníky (mezi uživatelem a cílovým počítačem). V rámci navazování relace se tato vrstva vyžádá na transportní vrstvě vytvoření spojení, jehož prostřednictvím pak probíhá komunikace mezi oběma účastníky relace. Rovněž určuje, kdo má kdy vysílat a ruší existující spojení. Protokoly relační vrstvy:

þ     ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol), který umožňuje, aby dva uzly vytvořily spolehlivé spojeni pro přenos dat.

þ     NetBEUI, který je implementací a rozšířením NetBIOSu.

þ     NetBIOS, který využívá vrstev 5. 6 a 7, nabízí i služby monitorování relací.

þ     PAP (Printer Access Protocol), který poskytuje přístuů k tiskárně PostScript v síti AppleTalk.

Transportní vrstva (Transport Layer)

Tato vrstva poskytuje funkce pro vytvoření příslušných spojení, rozkládá data na menší části, tzv. pakety, do kterých rozděluje přenášená data a při příjmu je zase z paketů vyjímá a skládá do původního tvaru. Dokáže tak zajistit přenos libovolně velkých zpráv, přestože jednotlivé pakety mají omezenou velikost. Transportní vrstva je z mnoha důvodů nepostradatelná, protože sídlí mezi horními vrstvami a nižšími vrstvami, které jsou síťově orientované.

Síťová vrstva (Network Layer)

Tato vrstva popisuje procesy, které směřují data mezi síťovými adresami a kontrolují, zda zprávy byly poslány kompletní a včas. Jinak zajišťuje potřebné směrování (routing) přenášených rámců označovaných nyní jako pakety (packets). Musí si uvědomovat konkrétní topologii sítě tzn. způsob vzájemného přímého propojení jednotlivých uzlů.

Linková vrstva (Data Link Layer)

Tato vrstva, která se často nazývá jako spojová vrstva se zabývá procesy, které detekují a opravují chyby na úrovni dat během datového přenosu mezi fyzickou vrstvou a vrstvami nad fyzickou vrstvou. Linková vrstva vytváří pakety příslušné síťové architektury. Na přenosové cestě může docházet k poruchám, v jejichž důsledku jsou přijaté bity jiné než odeslané. Fyzická vrstva se nezabývá významem jednotlivých bitů, tento druh chyb rozpozná až linková vrstva. Ta kontroluje, zda byly přeneseny správně celé rámce (posílání různých kontrolních součtů apod.). Odesílateli potvrzuje linková vrstva přijetí bezchybně přenesených rámců, zatímco při chybě si vyžádá jejich opětovné vyslání.

Fyzická vrstva (Physical Layer)

Tato vrstva popisuje elektrické, mechanické a funkční požadavky na zpracování síťových dat. Úkol má zdánlivě jednoduchý, zajišťuje přenos jednotlivých bitů mezi příjemcem a odesílatelem.

Model TCP/IP

Zkratka TCP/IP znamená Transmission Control Protocol/Internet Protocol, je to standardní soubor protokolů, které se používají např. v síti Internet, která se stala největší počítačovou sítí ve světě.

Z historie víme, že v roce 1969 vyhlásila DARPA (Defense Advanced Projekct Agency) výzkumný a vývojový projekt na vytvoření experimentální sítě s přepínáním paketů. Tato síť se jmenovala ARPANET a vznikla ke studiu technik, poskytujících spolehlivé a na dodavatelích nezávislé datové komunikace. Tento experiment vyšel a řada organizací začala jej využívat k běžné denní datové komunikace. V roce 1975 se ARPANET změnil z experimentální sítě na operační síť. Základy protokolu TCP/IP vznikly v době, kdy už byl ARPANET operační sítí. Tento protokol byl v roce 1983 přijat jako Military Standard as přibližně v této době se rozšířilo slovo Internet.

Výhody TCP/IP

Otevřený protokolový standart, volně dostupný a vyvinutý nezávisle na konkrétním technickém vybavení nebo operačním systému.

Nezávislost na konkrétním fyzickém síťovém hardware. Díky tomu je možné provozovat TCP/IP na řadě různých sítí. TCP/IP může běžet na Ethernetu, token ringu, telefonní lince a prakticky na každém fyzickém přenosovém médiu.

Obecné adresové schéma, které umožňuje, aby jakékoliv TCP/IP zařízení jednoznačně adresovalo jakékoliv zařízení v celé síti.

Standardizované vysokoúrovňové protokoly, které poskytují široce dostupné uživatelské služby.

Protokolová architektura TCP/IP

Protokoly představují formální pravidla chování v datových komunikacích. V homogenních sítích definuje komunikační pravidla dodavatel systému. TCP/IP vytváří heterogenní síť s otevřenými protokoly, které nezávisí na rozdílech mezi operačními systémy a architekturami. Jsou dostupné pro každého a jejich vývoj a modifikace se řídí dohodou. Nejvíce informací o TCP/IP je publikováno jako RFC (Requests for Comments), tyto dokumenty obsahují poslední verze specifikací všech standardů.

Obvykle se TCP/IP považuje za model složený z méně vrstev než model OSI. Většina popisů TCP/IP definuje protokolovou architekturu pomocí tří až pěti funkčních úrovní.

Vrstva síťového rozhraní (Network Interface Layer)

Tato vrstva má na starosti vše, co je spojeno s ovládáním konkrétní přenosové cesty a s přímým vysíláním a příjmem datových paketů. Je závislá na konkrétní přenosové technologii. (prakticky všechny průmyslové standardy - Ethernet, IEEE 802.x, FDDI)

Síťová vrstva (Internet Layer)

Někdy je nazývána také jako IP vrstva, vzhledem k protokolu IP, tato vrstva se stará, aby jednotlivé pakety se dostaly od odesílatele až ke svému skutečnému příjemci, bez ohledu na to, zda mezi nimi existuje přímé spojení nebo ne. Vzhledem k nespojovanému charakteru přenosu (protokol IP) je na úrovni této vrstvy zajišťována jednoduchá datagramová služba.

Internetový protokol je základním kamenem Internetu. Jeho funkce zahrnují:

definici datagramu, což je základní přenášená jednotka v Internetu

definici internetového adresovacího schématu

přenos dat mezi síťovou vrstvou a transportní

směrování datagramů na vzdálené cíle

zajištění fragmentace a složení datagramů

Datagram je formát paketu (paket - je blok dat, který obsahuje informace nezbytné pro své doručení) definovaný internetovým protokolem.

Transportní vrstva (Transport layer)

Často též TCP vrstva podle protokolu. Hlavním úkolem této vrstvy je zajistit přenos mezi koncovými účastníky, kterými jsou v případě architektury TCP/IP aplikační programy. Podle jejich požadavků může transportní vrstva regulovat tok dat oběma směry, zajišťovat spolehlivost přenosu a také měnit nespojový charakter přenosu v síťové vrstvě na spojový.

Aplikační vrstva (Aplication Layer)

Nejvyšší vrstvou architektury TCP/IP je aplikační vrstva, jejími entitami jsou jednotlivé aplikační programy. Ty, na rozdíl od RM OSI, komunikují přímo s transportní vrstvou. Případné prezentační a relační služby si aplikační programy zajišťují samy.