Síťové modely a architektury

 

Komunikace v počítačových sítích probíhá v několika fázích. Těmi jsou otevření přenosu, samotný přenos dat a ukončení přenosu.

Na základě tohoto rozdělení lze vymezit úlohy typické pro realizaci komunikace, které lze rozčlenit do jednotlivých vrstev.

 

Síťový model a síťová architektura

 

Referenční model ISO/OSI

Referenční model ISO/OSI byl definován jako standard pro návrh komunikačních systémů (ISO 7498, 1984). Hlavním důvodem vzniku tohoto standardu byla potřeba unifikovat popis komunikačního systému.

Jedná se o normalizovaný referenční model vrstvové architektury a tvůrci modelu byli vedeni všeobecnými principy sloužícími k co nejefektivnějšímu a nejjednoduššímu rozdělení komunikace do vrstev. Cílem bylo minimalizovat počet vrstev; umístit rozhraní tam, kde je specifikace příslušných služeb úsporná a kde je počet interakcí přes rozhraní minimalizovaný; vytvořit zvláštní vrstvy pro odlišné funkce; soustředit příbuzné funkce do společné vrstvy; zabezpečit snadnou výměnu protokolů a funkcí v rámci vrstvy bez dopadu na požadované a poskytované služby, tedy bez dopadu na ostatní vrstvy .

 

V souhrnu lze říci, že cílem každé z vrstev je nabídnout vyšší vrstvě takové služby, které nejsou zatíženy podrobnostmi o vlastní realizaci služby v dané vrstvě. Na určité úrovni vrstev tak mohou síťová zařízení komunikovat podle protokolů představujících soubory pravidel a konvencí. Mezi dvěma sousedními vrstvami je definováno rozhraní popisující, jaké operace a služby nabízí nižší vrstva vrstvě vyšší.

 

Komunikace mezi vrstvami

ISO/OSI model

Fyzická vrstva

 

Je to nejnižší vrstva ISO/OSI modelu, která představuje fyzické propojení počítačů v síti. Zabývá se kabely, přenosovými médii, napěťovými a jinými fyzikálními hodnotami signálu.

 

Linková vrstva

 

Fyzická vrstva ISO/OSI modelu zajišťuje přenos jednotlivých bitů mezi dvěma uzlovými počítači, mezi kterými existuje přímé spojení. Linková vrstva pak navazuje na fyzickou vrstvu v tom, že využívá těchto spojení pro přenos větších bloků dat, které se označují jako rámce (frames). Přenos těchto rámců pak nabízí vyšší (síťové) vrstvě jako službu. Linková vrstva se dělí na horní subvrstvu zvanou Logical Link Control (LLC) a dolní subvrstvu zvanou Media Access Control (MAC).

 

Úkoly linkové vrstvy

 

Síťová vrstva

 

Pokud spolu chtějí komunikovat dva uzly, mezi kterými neexistuje přímé spojení, je potřeba pro ně najít spojení nepřímé, tedy prostřednictvím jiných uzlů. Těchto spojení může být více a právě úkolem síťové vrstvy je jednu z nich vybrat a zajistit správné předávání dat touto cestou.

 

Úkoly síťové vrstvy

 

Transportní vrstva

 

Hlavním úkolem transportní vrstvy referenčního modelu ISO/OSI je poskytovat efektivní přenosové služby své bezprostředně vyšší (tj. relační) vrstvě. Tyto služby přitom mohou mít spojovaný (connection-oriented) i nespojovany (connectionless) charakter. Stejny charakter a stejnou podstatu vsak maji i sluzby sitove vrstvy, ktere transportni vrstva sama vyuziva. Do znacne miry analogicke jsou v obou vrstvach i mechanismy adresovani a rizeni toku dat. Zakonite se pak nabizi otazka, proc je vlastne nutna samostatna transportni vrstva, kdyz alespon na prvni pohled nenabizi nic principialne jineho, nez vrstva sitova?

 

Úkoly transportní vrstvy

 

Relační vrstva

 

Doposud zmíněné vrstvy (fyzická, linková, síťová, transportní) relačního modelu ISO/OSI jsou zaměřeny na předávání dat mezi dvěma uzly počítačové sítě. Vyšší vrstvy (relační, prezentační, aplikační) jsou pak již zaměřeny na potřeby síťových aplikací. Přitom využívají přenosové možnosti transportní vrstvy a k nim přídávají služby, které jsou užitečné pro většinu aplikací.
Původně se s relační vrstvou vůbec nepočítalo, nakonec se však do relačního modelu ISO/OSI přece jen prosadila. Dodnes je ovšem společně s prezentační nejméně propracovanou vrstvou.

Pro vysvětlení pojmu relace je dobré si představit klasický telefonní hovor. Vytočení a následné spojení je analogické s prací transportní vrstvy, až následně je možno vést hovor (relaci). Relaci tedy můžeme považovat za spojení mezi dvěma uzly na úrovni bezprostředně vyšší, než je transportní vrstva.

 

Úkoly relační vrstvy

 

Prezentační vrstva

 

Úkolem doposud zmíněných vrstev (fyzická, linková, síťová, transportní, relační) je, aby přenášená data vždy dorazila k příjemci přesně v takové podobě, v jaké byla odeslána. To ovšem ještě nezaručuje, že pro příjemce budou data představovat totéž, co pro odesilatele.

Obecně různé počítače používají různou reprezentaci dat (např. kódování znaků). Aby bylo zajištěno správné předávání dat mezi počítači, musí být zajištěny jejich správné konverze. A ty má právě na starosti prezentační vrstva.

Rozdíly mohou být např.:

 

Aplikační vrstva

 

Důvodem existence aplikační vrstvy je, aby umožnila aplikacím přístup do počítačové sítě na bázi ISO/OSI modelu. Funguje jako brána mezi aplikacemi běžícími v různých uzlech, které si vzájemně vyměňují informace.

V původních představách měla obsahovat aplikace, ale vzhledem k jejich velkému počtu by musely být všechny standardizovány, což je v praxi nerealizovatelné. Došlo tedy k úpravě základní myšlenky tak, že aplikační vrstva bude obsahovat pouze jádro aplikací, které má smysl standardizovat (např. přenosové mechanismy elektronické pošty). Ostatní části aplikací (typicky uživatelská rozhraní) byly posunuty nad aplikační vrstvu.

Úkolem aplikační vrstvy je tedy poskytovat uživatelským programům ucelené a dobře definované služby.

 

Názorný model ISO/OSI

 

 

 

 

 

 

Aktivní prvky, síťová vrstva

Směrovač (router) – dvou nebo více portové zařízení které pracuje na podobném principu jako můstek; rozdíl je v tom, že směrovač pracuje na třetí vrstvě modelu OSI (síťová vrstva) – pracuje tedy s logickými adresami a je protokolově závislý, ale relativně nezávislý na použité síťové technologii (pro každou technologii musí mít patřičný adaptér); směrovače jsou v LAN sítích používány převážně pro spojení rozdílných technologií (např. Ethernet a Token Ring) a pro oddělení broadcastových domén (samozřejmě oddělují i kolizní domény) – tuto oblast však opouštějí neboť jsou zda nahrazovány směrovacími přepínači; vedle použití v sítích LAN našly směrovače důležité uplatnění ve WAN sítích, kde jsou používány pro připojování vzdálených lokalit

Můstek (přepínač) pracuje s jednou tabulkou a to s tabulkou kde jsou relace mezi MAC adresou a portem zařízení. Směrovač pracuje se dvěmi tabulkami. V první je relace mezi MAC adresou, logickou adresou a portem (tabulka obsahuje údaje pouze o přímo připojených uzlech). V druhé tabulce je seznam sítí (částí logických adres) s portem kudy je na danou síť nejlepší cesta.

Směrovací přepínač (routing switch) – jde o relativně nový typ zařízení pracující s rychlostmi obvyklými pro druhou vrstvu i s informacemi třetí vrstvy, zajišťuje tedy směrování při rychlosti přepínání – tím nahrazuje pomalé směrovače v oddělení broadcastových domén; směrovače vytlačuje do použití pro spojení rozdílných technologií, do prostředí se speciálními protokoly (Banyan Vines, DECNet, …) a do WAN komunikací

Výhody směrovacích přepínačů

Nejmodernějším trendem pro centra počítačových sítí je tzv. přepínání na 3 vrstvě OSI (Layer 3 Switching). Jedná se o vlastně o směrování prováděné hardwarově. Důvod pro zavádění této technologie je následující - před několika lety se pro rozdělení sítí do více skupin používaly směrovače (tzv. colapsed backbone architektura). Při stále narůstajícím zatížení sítí přestaly směrovače vyhovovat (nízký výkon za vysoké ceny, velké zpoždění paketů při průchodu směrovačem – viz. tabulka). V té době přišly na svět výkonné přepínače. Začaly jimi být nahrazovány centrální směrovače, ale správci sítí si společně s dodavateli velice záhy ověřili slabinu přepínačů – přenášejí broadcasty a tudíž se sítě s vysokým počtem stanic začínají zahlcovat. Směrovače proto znovu našly uplatnění v propojování segmentů sítí postavených na přepínačích (tzv. virtuálních sítí). Protože jsou však směrovače drahé a technologický rozvoj postoupil značně dopředu, začali výrobci hledat cesty jak řešení maximálně zlevnit. Jako jedna z nejschůdnějších se ukázala cesta integrace směrování do přepínačů, tedy tzv. Layer 3 Switching. V podstatě se jedná o obdobu přepínání na druhé vrstvě – zde je přepínání na základě tabulky MAC adres; na třetí vrstvě je přepínání také řešeno hardwarově a rozhodovací algoritmy jsou rozšířeny o další tabulku – tabulku logických adres (převážně IP, časem i IPX). Definice směrovacího přepínače (Routing Switch), tak jak jej zavedla firma která tento pojem začala používat jako první, tedy Bay Networks, hovoří o několika základních atributech:

Obecné podmínky použití aktivních prvků

Jak bylo již zmíněno, volbou aktivních prvků lze ovlivnit chování a propustnost sítě. Použití by samozřejmě mělo být smysluplné, nicméně určitá doporučení lze aplikovat obecně: