Sieci komputerowe
Dr inż.. Marcin Blachnik
http://metet.polsl.pl/~mblachnik
Część materiałów opracowanych wspólnie z dr Katarzyna Statkiewicz
Forma zaliczenia
• Ocena z laboratorium
• Ocena z wykładu = dwa kolokwia
• Ocena końcowa = średnia z obydwu ocen
• Jeśli jedna ocena w indeksie to dodatkowo średnia z lab
• Obecność na wykładach powoduje zaokrąglanie ocen w górę w nie jsnych sytuacjach:
czyli jeśli średnia jest 3.25 i osoba uczęszczała na wykłady to dostanie 3,5, jeśli nie uczęszczała to dostanie 3
Literatura
• Rob Scrimger, Paul LaSalle, Clay Leitzke, Mridula Parihar, Meeta Gupta,TCP/IP. Biblia, Helion 2002
• Mark Sportack, księga eksperta, helion, 1999
• James Semick, networking essentionials, MCSE, testy, przygotowawcze, egzamin MCP 70-058, 1999
• Craig Hunt, TCP/IP, administracja sieci, 1996
• Vito Amato, akademia sieci CISCO, autoryzowany podręcznik programu CISCO Networting Academy, 2001
• Bruce Hallberg, sieci komputerowe, kurs podstawowy, edition 2000, 2001
W sieci
• http://klub.chip.pl/lipka/lan/historia.html
• http://dione.ids.pl/~radek/projekt/dok2.html
• http://www.matematyka.ab.edu.pl/wu/sieci_wsh.htm
• http://pl.wikipedia.org/wiki/Historia_Internetu
• http://www.siteimpulse.com/wiedza/historia_internetu.html
• http://www.winter.pl/internet/krotka.html
• http://wislad.w.interia.pl/strony/konkurs/mk/historia.htm
• http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=Sieci_komputerowe
• http://www.scientist.pl/viewtopic.php?p=12356
• http://www.viruslist.pl/hackers.html?chapter=articles&id=21
Po co nam sieci?
• Wymiana informacji
• Współdzielenie danych
• Współdzielenie urządzeń
• Współdzielenie mocy obliczeniowej –
obliczenia rozproszone
• Bezpieczeństwo danych i informacji –
centralizacja źródeł informacji
• Bezpieczeństwo użytkowników sieci
• Centralizacja zarządzania infrastrukturą
Serwer *Bezpieczne
pomieszczenie
*) Serwer = bezpieczeństwo i łatwość dostępu do danych – centralizacja
informacji.
Administrator
= Centralne
zarządzanie
np. GPO
Współdzielenie
urządzeń
Ewolucja
• każdy sobie rzepkę skrobie
• czasy zintegrowanych rozwiązań systemowych -wszystkie składowe sytemu informatycznego i sieci –część zintegrowanego rozwiązania jednego producenta
• zmiany:– pc - biurko
– potrzeba poprawy wydajności (współdzielenie plików) pracowników Xerox w Palo Alto (PARC)
• wynik:– pierwsza sieć lokalna Ethernet I
– Xerox, Digital, Intel – DIX Ethernet (II)
• ustalenie standardów sieciowych - przestrzeganie
– inteligentne urządzenia końcowe + LAN = paradygmat otwartego rozproszonego przetwarzania danych
Standardy
• zmęczenie zindywidualizowanym podejściem do sieciowego przetwarzania danych– sukces Ethernet I i II
• postulat otwartych środowisk– tworzenie własnych rozwiązań z różnych produktów wielu
producentów
• cele otwartości:– niższe koszty
– większe możliwości• konkurencja – tempo
– współdziałanie produktów różnych producentów• platformy rozpoznają się, wiedzą jak się komunikować i współdzielić
dane
• uniwersalnych standardów dotyczących każdego aspektu przetwarzania danych - normalizacja
Ewolucja problemy
rozwiązanie - Projekt 802 instytutu IEEE
– LAN, Local Area Networks
• do łączenia urządzeń w niewielkiej odległości
• dostęp użytkowników do mediów komunikacyjnych
• współdzielenie danych/zasobów – pliki, drukarki,
moc obliczeniowa
• Granicą jest router
– MAN, Metropolitan Area Networks
• Duże sieci miejskie, działające w obrębie całych
aglomeracji miejskich
• Do łączenia sieci lokalnych
Rodzina IEEE 802.x
• IEEE 802.1 Higher layer LAN protocols
• 802.1d STP – Spanning Tree Protocol Protokół drzewa rozpinającego
• 802.1w RSTP – Rapid Spanning Tree Protocol
• IEEE 802.2 Logical link control
• IEEE 802.3 Ethernet
• 802.3ad LACP – Link Aggregation Control Protocol
• IEEE 802.4 Token bus (disbanded)
• IEEE 802.5 Token Ring
• IEEE 802.6 Metropolitan Area Networks(disbanded)
• IEEE 802.7 Broadband LAN using Coaxial Cable (disbanded)
• IEEE 802.8 Fiber Optic TAG (disbanded)
• IEEE 802.9 Integrated Services LAN (disbanded)
• IEEE 802.10 Interoperable LAN Security (disbanded)
• IEEE 802.11 Wireless LAN (Wi-Ficertification)
• IEEE 802.12 demand priority
• IEEE 802.13 Cat.6 – 10 Gb LAN (new founded)
• IEEE 802.14 Cable modems (disbanded)
• IEEE 802.15 Wireless PAN
– IEEE 802.15.1 (Bluetooth certification)
– IEEE 802.15.4 (ZigBee certification)
• IEEE 802.16 Broadband Wireless Access(WiMAX certification)
– IEEE 802.16e (Mobile) Broadband Wireless Access
• IEEE 802.17 Resilient packet ring
• IEEE 802.18 Radio Regulatory TAG
• IEEE 802.19 Coexistence TAG
• IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access
• IEEE 802.21 Media Independent Handoff
• IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network
Organizacje ustanawiające
standardy• ISO – International Organization for Standarization 1946 Genewa (grec. isos – równy ,
standardowy) międzynarodowa organizacja normalizacyjna, wynajęta przez ONZ do określania standardów międzynarodowych. zakres działania obejmuje praktycznie wszystkie dziedziny wiedzy ludzkiej poza elektryką i elektroniką. składa się z 90 org.
• ETSI – the European Standards Organisation by the European Commission
• IEEE – the Institute of Elektrical and Electronic Engineers – def. i pub. standardy telekomunikacyjne oraz przesyłania danych. standard sieci LAN i MAN. zbiór norm technicznych – Projekt 802
• ANSI – the American National Standards Institute – prywatna org. niekomercyjna. misja: ułatwianie rozwoju, koordynowanie, publikowanie nieobligatoryjnych standardów. org uczestniczy w pracach organizacji ustanawiających standardy globalne tj. IOS, IEC
• IEC – International Elektrotechnical Commission – międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna, 1909 Genewa, ust. międz. standardy dot. zagadnień elektrycznych i elektronicznych
• IAB – The Internet Architecture Board, Komisja Architektury Internetu (uprzednio działań –Activities) zarządza techniczną stroną rozwoju Internetu. 2 komisje robocze: Grupa robocza ds. Technicznych Internetu (IETF – Internet Engineering Task Force) – odbiorca badań grupy naukowej – ustanawia standardy techniczne dla Internetu oraz technologii internetowych np. protokół Internetu IP oraz Grupy Roboczej ds. Naukowych Internetu (IRTF – Internet Research Task Force) – bada nowe technologie
• IETF - Internet Engineering Task Force - Standardy Internetu regulowane są przez tą agencję ipublikowane w dokumentach RFC. Zgodnie z definicją słowa Internet oznacza ono globalnysystem informacyjny spełniający następujące warunki.
Internet, Intranet i Ekstranet
• Internet – ogólnodostępna sieć komputerowa
• Intranet – wewnętrzny Internet –oddzielona i niezależna sieć komputerowa w firmie lub organizacji, udostępniająca usługi Internetu – wewnętrzne WWW, poczta, komunikatory itp.
• Ekstranet – połączenie kilku Intranetów różnych firm i organizacji.
warstwy OSI
• określenie
– zadań, funkcji - usługi
– protokołów
– standardy
– urządzeń
• warstwom odpowiadają
określone elementy
sprzętowe i programowe
biorące udział w procesie
wymiany informacji
model OSI
• różnorodny sprzęt + oprogramowanie= niekompatybilność
– 1984 r. - rynek sieci komputerowych zdominowany przez rozwiązania dużych producentów (DEC, IBM)
• indywidualnie tworzone architektury
– standardy
• model OSI (open sysytems interconnect) -ISO:
– realizacja otwartych połączeń systemów komputerowych
– płaszczyzna porównywania standardów
– opis struktury i funkcji stosu protokołów komunikacji danych
– podział sieci• każda warstwa – funkcje wykonywane
podczas przekazywania danych za pośrednictwem sieci miedzy współpracującymi aplikacjami
• wyklucza bezpośrednie komunikowanie się między równorzędnymi warstwami różnych systemów
warstwa fizycznaFunkcja:
• transmisja strumienia danych pomiędzy dwoma (lub więcej) komputerami bez "kontroli ruchu" i bez uwzględnienia rodzaju informacji
• ciągłość transmisji nie jest zabezpieczona – jeśli medium zostanie zablokowane lub uszkodzone, komunikacja zostanie przerwana
• wymagane charakterystyki wydajnościowe nośników i parametry urządzeń, sprzętowe możliwości przesyłania danych:
– skrętka, włókna światłowodowe i kable koncentryczne - warstwa 0
• opisuje parametry elektryczne i mechaniczne łącza: określa poziomy napięć, częstotliwość zmiany napięcia, fizyczną prędkość przesyłania danych, maksymalna odległość, na jaka można prowadzić wymianę danych, kształt złącz, szybkość transmisji, opóźnienia transmisyjne, stopę błędów
• obejmuje procesy i mechanizmy dotyczące przenoszenia sygnałów na nośnik i odbierania z niego sygnałów
• odbiera ramki z warstwy 2 i przesyła szeregowo strukturę i zawartość
• odbiera bity przychodzących strumieni danych i przesyła je do warstwy 2
Standardy:
• RS-232 opisuje sposób połączenia urządzeń DTE (Data Terminal Equipment np.. komputer) oraz DCE (Data Communications Equipment np,. modem), w Europie V.24
Urządzenia:
• hub/koncentrator/ wtórniki/karta sieciowa
• modem
warstwa łącza danych
• funkcja:– sterowanie przepływem danych
pomiędzy dwoma lub więcej stacjami połączonymi tym samym łączem
– nadawania i odbierania-• upakowanie instrukcji, danych w ramki
• informacji do pomyślnego przesłania danych przez sieć lokalną
– bezkolizyjny dostęp do łącza - kontrola przepływu • synchronizacja bloków danych - uporządkowane dostarczanie ramek
• rozpoznawanie, wykrywanie i powiadamianie i korygowanie błędów transmisji (ramka nie osiąga miejsca docelowego, ulega uszkodzeniu)
– jakość transmisji - niezawodne przesyłanie danych• węzeł początkowy odbiera od końcowego potwierdzenie otrzymania każdej ramki w postaci niezmienionej
• węzeł docelowy przed wysłaniem potwierdzenia weryfikuje integralność zawartości ramki - końcowa zgodność przesyłania danych
• standardy: Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP (Point to Point) - WAN
• urządzenia:– karta sieciowa, unikatowy adres MAC przypisywany na etapie produkcji karty - adresowanie
fizyczne• przełączniki używają MAC do sterowania ruchem w sieci
• podwarstwa Media Acces Control warstwy łącza danych, łaczy sieci LAN, nie rozróżnia protokołów tylko je przekazuje
– most/bridge
– switch/przełącznik/ komutator - łączy segmenty sieci komputerowej, przekazuje ramki między segmentami
warstwa sieci• funkcja:
– zapewnia wybór optymalnej drogi (trasy transmisji) pakietów (tj. danych i informacji sterujących) - pomiędzy dwoma stacjami końcowymi (nadawca i odbiorca) przy wykorzystaniu węzłów pośredniczących w oparciu o stan sieci, priorytety usług
– nie jest sprawdzana zawartość pakietów, brak mechanizmów kontroli korekcji błędów – polega na wiarygodnej transmisji warstwy 2
– do komunikowania z komputerami poza lokalnym segmentem sieci LAN – architektura trasowania
– zapewnia jednoznaczną adresację wszystkich urządzeń w sieci
• protokoły:– IP
– trasowania – RIP, IGRP, EIGRP, OSPF• określenie ścieżek optymalnych dla adresu docelowego
• odbieranie i przesyłanie pakietów z wykorzystaniem tych ścieżek
– trasowalne, do transportowania danych poza granice domen warstwy 2• IP (Internet Protocol)
• Novell IPX (Internetwork Packet Exchange)
• Apple Talk
• urządzenia:– router – przeprowadza/kieruje dane/pakiety poprzez sieci z rożnymi protokołami i architekturami
warstwa transportu
• funkcja:
– oddziela oprogramowanie warstwwyższych od problemów związanychz przesyłaniem danych
– końcowa integralność transmisji, bezpieczeństwo i pewność, niezawodność wymiany danych• korekcja błędów
– warstwy leżące poniżej nie przykładają żadnej wagi do bezpieczeństwa skupiając się na zapewnieniu maksymalnej szybkości
• kontrole przepływu
• kontrola jakości
• awaria sieci - wyszukuje alternatywne trasy i ponownie wysyła pakiety danych, aż transmisja się powiedzie lub próbuje osiągnąć predefiniowany limit czasu
• sprawdza format i kolejność - resekwencjonowanie pakietów
• wykrywa pakiety odrzucone przez routery i automatycznie generuje żądanie ich ponownej transmisji
• protokoły:
– sieci komputerów różnych typów mogą używać kilku protokołów warstwy transportowej -niezawodne lub zawodne
– TCP Transmission Control Protocol - Departament Obrony USA, sprzedawany przez wielu producentów jako część pakietu protokołów TCP/IP– ustanawianie i kończenie połączenia, przesyłanie danych, potwierdzanie otrzymania (lub nie) danych, prawidłowa kolejność pakietów, kontrole przepływu (np. ustalenie rozmiaru okna) wykorzystują go np.: HTTP, FTP
– UDP – nie gwarantuje że pakiet dotrze do celu, wykorzystywany jest przez np.: DNS, NFS, TFTP
– SPX – protokół sekwencyjnej wymiany pakietów
warstwa sesji
• funkcja:
– Często nie stosowana
jako niezależna wartswa
– określa standardowe metody przesyłania danych pomiędzy
aplikacjami (duplex, pół-duplex, itp)
– Zapewnienie danym identyfikację ich źródła tzn w przypadku kilku
aplikacji korzystających z sieci warstwa ta zapewnia rozpoznanie
i kierowanie ruchem danych przesyłanych przez sieć tak by trafiły
do odpowiedniej aplikacji
– W przypadku zerwania połączenia ponawia próbę jego
wznowienia
– Zarządzanie ruchem np. QoS (ważne dla tcp przy kilku
działających aplikacjach)
warstwa prezentacji
• funkcja: – przekształca przesyłane informacje do formy
odpowiedniej dla oprogramowania wykorzystywanego przez użytkownika
• zarządzanie sposobem kodowania danych
• translacja miedzy niezgodnymi schematami kodowania znaków/danych tj. ASCII a EBCDIC (American Code for Information, Extended Binary Coded Decimal Interchange Code)
• konwersja formatów danych (obrazy, audio, wideo) w celu przesłania w sieci między klientem a serwerem
• szyfrowanie, deszyfrowanie
• kompresja, dekompresja
– często warstwy prezentacji i sesji łączone są w całość
warstwa aplikacji
• funkcja: – najbliższa użytkownikowi
nie zapewnia usług innym warstwom
– interfejs miedzy aplikacją użytkownika a usługami sieci
– inicjuje sesje komunikacyjne• np. żądanie pobrania nowych wiadomości przez klienta poczty elektronicznej do odpowiedniego protokołu
– zapewnia funkcje niezbędne do świadczenia przez aplikacje określonych usług:• współużytkowanie plików
• przesyłanie plików
• emulacja terminali
• buforowanie zadań wydruków
• poczta elektroniczna
• zarządzanie bazą danych
• obsługuje aplikacje spoza modelu np. arkusze kalc., edytory
• protokoły:– protokoły transmisji plików, działają z poziomu warstwy aplikacji, ale wykonują zadania właściwe
dla niższych warstw
– FTP (File Transfer Protocol)
– SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
– HTTP (Hypertext Transfer Protocol)
– DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
– obsługa komunikatów X.400 dla poczty elektronicznej
• model OSI nie jest implementacją sieci – tylko specyfikacją funkcji warstw
– g.w. 123 dotyczą aplikacji
– niższe związane z przenoszeniem danych
• dekompozycja zadań, podział na zagadnienia mnie złożone
– pozwala na modularne projektowanie sieci
• definicja standardowych interfejsów –kompatybilność sprzętu rożnych producentów
– nie pozwala na to aby zmiany w jednym obszarze wpływały na inne obszary – szybsza ewolucja
enkapsulacja danych
proces w którym dane są poprzedzane nagłówkiem protokołu danej warstwy przed rozpoczęciem ich
transportu w sieci
nagłówek może być rozpoznawany jedynie przez daną warstwę lub jej odpowiednik
enkapsulacja danych• przebieg procesów oraz danych
• każda warstwa zależna od usług warstwy niższej
• przed rozpoczęciem transmisji danych umieszczane są w nagłówku danego protokołu
– nagłówek zawiera dane do wykonania transferu logicznego - adresy nadawcy i odbiorcy
• każda warstwa – interfejsy warstw sąsiednich– logiczne rozgraniczenie warstw
– komunikacja – pionowo
transmisja danych• transmisja danych w modelu ISO/OSI - tylko na poziomie warstwy fizycznej
• dane wysyłane z programów przechodzą przez wszystkie warstwy modelu od warstwy aplikacji
• każda z warstw, aby móc realizować swoje zadania, rozszerza dane o charakterystyczne dla siebie informacje sterujące oraz ewentualnie sumy kontrolne
– zanim surowe dane dotrą do medium transmisyjnego, ich objętość znacząco wzrasta
– przesyłane dane są uzupełniane o nagłówki poszczególnych protokołów sieciowych
– np. do danych przesyłanych przez telnet dodawany jest nagłówek TCP, następnie IP, a na końcu np. nagłówek i suma kontrolna Ethernet
• u odbiorcy odbywa się proces odwrotny
– poszczególne protokoły (począwszy od Ethernetu) odczytują informacje sterujące z nagłówków, a dane przekazują do protokołów warstw wyższych
Architektura protokołów TCP/IP
• OSI - podstawa rozwoju protokołów sieciowych– zadania protokołów nie w pełni pokrywają się z
funkcjami odpowiednich warstw
– protokoły realizują zadania, które zostały przypisane więcej niż jednej warstwie modelu OSI
– odpowiedniość widać w protokołach warstwy fizycznej oraz sieciowej
• model o uproszczonej strukturze - zestaw protokołów IP, TCP i UDP - stos TCP/IP
– implementowany w każdym systemie operacyjnym
• standard otwartych protokołów, swobodnie dostępnych i opracowywanych niezależnie od specyfiki sprzętu komputerowego lub systemu operacyjnego
– niezależność od fizycznych właściwości sieci –dowolne medium transmisyjne
– może współpracować z różnymi protokołami poziomu łącza danych i różnymi typami nośnika
– może działać na sprzęcie różnych producentów
– wspólny schemat adresacji pozwala na łatwe łączenie wielu sieci
– udostępnia dwa niezależne mechanizmy transportowe
5 kroków
przekształcenia
• 1. generowanie danych – wysłana wiadomość pocztowa przekształcana z postaci alfanumerycznej na dane które mogą przepłynąć przez siec
• 2. pakowanie danych w celu ich transportu – dane w pakietach. poprzez zastosowanie segmentówfunkcja transportu gwarantuje niezawodne dostarczenie wiadomości miedzy agentami pocztowymi hostów na końcach sieci
• 3. umieszczenie adresu sieci w nagłówku – dane umieszczone w pakietach lub datagramach zawierających nagłówek z logicznym adresem odbiorcy i nadawcy
• 4.umieszczenie lokalnego adresu w nagłówku łącza danych – każde urz. sieciowe musi umieszczać pakiety w ramkach. ramka pozwala na przesłanie do następnego bezpośrednio dostępnego urz sieciowego w danym łączu. każde urz. wybranej ścieżki wymaga ramki aby połączyć się z kolejnym urządzeniem
• 5. konwersja na bity do celów transmisji – ramka przekształcana we wzorzec składający się z 0 i 1. funkcja synchronizacji pozwala urządzeniom na rozróżnienie bitów podczas ich przenoszenia przez medium transmisyjne. wiadomość pocztowa może powstawać w sieci LAN, przechodzić przez WAN do innej LAN
Protokoły• każda warstwa zawiera protokoły które
realizują rożne funkcje
• 1. – HTTP – dostęp do WWW
– FTP – kopiowanie plików
– SMTP – przesyłane poczty
– DNS – odnajduje adres hosta
– RIP – dzielenie informacji między routerami
– SNMP – zarządzanie urządzeniami sieci
• 2. – TCP – połączeniowy, niezawodny,
negocjacja, retransmisja, poprawne dane
– UDP – niepołączeniowy, mniejsze pasmo, zawodny
• 3. – IP – routowanie pakietów
– ARP – fizyczny adres
– IGMP – grupowanie routerów
– ICMP – kontrola błędów
• 4. – Ethernet
– Token Ring
– Frame Relay
– ATM