Standardizace, referenční model ISO/OSI a TCP/IP

Přenos informací po síti je složitá úloha z mnoha kroků: převést bity na signál, poznat začátek a konec rámce, najít cestu přes cizí sítě, ohlídat ztracená data, předat je správné aplikaci. Proto se komunikace dělí do vrstev – každá řeší jen svou část úlohy, využívá služeb vrstvy pod sebou a nabízí služby vrstvě nad sebou, aniž by ji zatěžovala detaily, jak je služba ve skutečnosti provedena. Aby si rozuměla zařízení různých výrobců, musí se vrstvy a jejich protokoly řídit společnými standardy.

Standardizace v počítačových sítích

Standard (norma) je veřejně dostupný dokument, který přesně popisuje, jak má technologie fungovat – formát rámců, význam polí hlavičky, napěťové úrovně, rozměry konektorů. Díky standardům spolu spolupracuje síťová karta jednoho výrobce se switchem jiného výrobce.

• Standardy de jure („podle práva“) vydávají oficiální normalizační organizace po schvalovacím procesu. Příkladem je referenční model ISO/OSI nebo normy IEEE 802.
• Standardy de facto („podle skutečnosti“) se prosadily samy tím, že je všichni začali používat, i když je zprvu nikdo oficiálně neschválil. Příkladem je rodina protokolů TCP/IP, která vznikla pro síť ARPANET a stala se základem Internetu.
• Otevřené standardy může kdokoli zdarma použít; firemní (proprietární) patří jednomu výrobci (např. protokol EIGRP firmy Cisco, který byl později zveřejněn).

Normalizační organizace

Nejdůležitější normy IEEE 802

Proč vrstvy

Rozdělení složitého procesu na skupiny jednodušších procesů dělá výsledné řešení pružnějším a univerzálnějším. Do jedné vrstvy se seskupují činnosti, které spolu úzce souvisejí.

• Každá vrstva má jasně definované funkce a rozhraní k sousedním vrstvám.
• Protokol jedné vrstvy lze vyměnit bez dopadu na ostatní – stejná aplikace funguje přes Ethernet, optické vlákno, Wi-Fi i sériovou linku.
• Komunikace mezi stejnými vrstvami dvou systémů se řídí protokolem té vrstvy a probíhá za pomoci spojení, které vytvořila vrstva pod ní.
• Vrstvy poskytují výrobcům i správcům společný jazyk („switch pracuje na 2. vrstvě“).

Referenční model ISO/OSI

OSI (Open Systems Interconnection, propojení otevřených systémů) vytvořila organizace ISO a v roce 1984 byl přijat jako mezinárodní norma ISO 7498. Norma nepředepisuje implementaci konkrétních systémů, ale stanoví obecné principy sedmivrstvé síťové architektury – popisuje vrstvy, jejich funkce a služby. V praxi se plně neprosadil (zvítězil TCP/IP), ale slouží jako referenční model, podle kterého se o sítích mluví.

Spodní tři vrstvy jsou orientovány na přenos dat sítí, čtvrtá (transportní) je přizpůsobovací a horní tři jsou orientovány na podporu aplikací. Spodní vrstvy jsou realizovány převážně hardwarem, horní softwarem. Pro zapamatování pořadí zdola: Fyzická – Linková – Síťová – Transportní – Relační – Prezentační – Aplikační.

1. Fyzická vrstva

Stará se o to, aby byl každý bit přenesen korektně a příjemce ho správně rozpoznal. Bitům nepřiřazuje žádný význam.

• Aktivuje, udržuje a deaktivuje fyzické spojení mezi koncovými systémy. Spojení může být dvoubodové (sériová linka) nebo mnohobodové (Ethernet na sběrnici).
• Definuje elektrické a fyzikální vlastnosti: rozložení pinů konektoru, napěťové úrovně, vlastnosti a maximální délku kabelu, způsob, jak se vyjadřují „jedničky a nuly“.
• Patří sem modulace a linkové kódování, bitová synchronizace, fyzická topologie, sériový nebo paralelní přenos a režimy simplex, half duplex a full duplex – viz informace, signály a přenosový kanál.
• Pracují zde hub, opakovač, transceiver, kabely a konektory (RJ-45, ST/SC).

2. Linková (spojová) vrstva

• Poskytuje spojení mezi dvěma sousedními systémy – v rámci jedné lokální sítě.
• Uspořádává bity z fyzické vrstvy do logických celků – rámců (frames). Musí rozpoznat začátek a konec rámce i jeho jednotlivé části včetně hlavičky a adres.
• Rámce opatřuje fyzickou (MAC) adresou odesílatele a příjemce.
• Pomocí kontrolního součtu detekuje chyby vzniklé na fyzické vrstvě a vadné rámce zahodí; řídí přístup ke sdílenému médiu.
• Dělí se na dvě podvrstvy: horní LLC (Logical Link Control, softwarová – ovladač karty; určuje protokol vyšší vrstvy, řídí tok) a spodní MAC (Media Access Control, závislá na hardwaru; adresace a řízení přístupu k médiu).
• Pracují zde switch, bridge a síťová karta. Vytvářejí doménu, ve které se šíří všesměrové vysílání (broadcast).

3. Síťová vrstva

• Hlavním úkolem je směrování – nalezení vhodné cesty od odesílatele až ke koncovému příjemci. Odesílatel a příjemce většinou nejsou sousedé; mezi nimi leží několik dalších uzlů. Síťová vrstva v každém uzlu rozhodne, ke kterému sousedovi paket poslat, a to se opakuje, dokud paket nedorazí k cíli.
• Zajišťuje logické (hierarchické) adresování – IP adresy se skládají z části sítě a části zařízení.
• Překlenuje rozdílné vlastnosti technologií jednotlivých sítí a hlásí problémy při doručování.
• Protokoly: IP, ICMP, ARP, RARP, IGMP, směrovací protokoly. Jednotkou je paket, typickým zařízením router.

4. Transportní vrstva

• Zajišťuje přenos dat mezi koncovými uzly (end-to-end). Přijímá data od vyšších vrstev, dělí je na segmenty, u příjemce je zase skládá ve správném pořadí.
• Pomocí portů rozlišuje, které aplikaci data patří.
• Nabízí dva protokoly: TCP – spojovaný, spolehlivý přenos se zárukami (ztracené segmenty se pošlou znovu, zachová se pořadí, odstraní se duplikáty); hodí se pro soubory, e-maily, webové stránky, kde nesmí chybět ani bajt. UDP – nespojovaný přenos bez záruk; hodí se tam, kde by čekání na opakované odeslání vadilo víc než ztráta, a ztráty se řeší jinak (snížením kvality, opakováním dotazu): DNS, VoIP, streamované video, internetová rádia, online hry.

Podrobně viz protokoly TCP/IP.

5. Relační vrstva

• Organizuje a synchronizuje dialog mezi relačními vrstvami obou systémů a řídí výměnu dat.
• Umožňuje vytvořit a ukončit relaci, synchronizovat ji a po výpadku obnovit; vkládá do toku dat synchronizační značky, od kterých lze přenos zopakovat.
• Typicky tvoří relaci mezi naším počítačem a serverem webu, na který se díváme; řeší i přihlašování.
• Řadí se sem např. NetBIOS, RPC, SMB, AppleTalk; protokol SSL/TLS bývá řazen sem nebo do prezentační vrstvy.

6. Prezentační vrstva

• Všechny nižší vrstvy se snaží přenést data přesně tak, jak byla odeslána, bit po bitu. Tentýž řetězec bitů ale může mít pro různé systémy různý význam – například používají jiné kódování znaků nebo pořadí bajtů.
• Prezentační vrstva proto transformuje data do tvaru, kterému rozumí aplikace: převádí kódy a abecedy, přizpůsobuje pořadí bajtů, komprimuje a šifruje.
• Zabývá se jen strukturou dat, ne jejich významem – ten zná jen aplikační vrstva.
• Typické formáty: ASCII, Unicode, JPEG, PNG, GIF, MP3, MP4, MIME.

7. Aplikační vrstva

• Poskytuje aplikacím přístup ke komunikačnímu systému a umožňuje jejich spolupráci: přístup k souborům na jiných počítačích, vzdálený tisk, elektronická pošta, web, přístup do databáze.
• Využívá služeb nižších vrstev, a je proto odstíněna od problémů síťových technických prostředků.
• Protokoly: HTTP, HTTPS, FTP, SSH, Telnet, DNS, DHCP, TFTP, SNMP, SMTP, POP3, IMAP, LDAP, BitTorrent.

Zapouzdření

Když aplikace odesílá data, každá vrstva k nim přidá hlavičku se svými řídicími informacemi (u linkové vrstvy i zápatí s kontrolním součtem) a předá je vrstvě pod sebou. Tomu se říká zapouzdření (encapsulation). Datová jednotka, se kterou pracuje určitá vrstva, je PDU (Protocol Data Unit).

Odesílatel: data → segment → paket → rámec → bity

Příjemce: bity → rámec → paket → segment → data

U příjemce každá vrstva přečte a odstraní „svou“ hlavičku a zbytek předá vrstvě nad sebou – odpouzdření (decapsulation).

Adresy na jednotlivých vrstvách

Každá hlavička obsahuje vždy zdrojovou a cílovou adresu, která má smysl pro danou vrstvu:

V odpovědi se zdrojová a cílová adresa na všech vrstvách prohodí. IP adresy zůstávají po celé cestě stejné (pokud je nezmění NAT), zatímco MAC adresy platí jen pro jeden úsek mezi dvěma sousedními zařízeními.

Model TCP/IP

TCP/IP je soubor protokolů, na kterém je postaven Internet. Název je složen ze zkratek dvou nejdůležitějších protokolů: TCP (Transmission Control Protocol) a IP (Internet Protocol). Vznikl v 70. letech pro americkou síť ARPANET (ta na něj přešla 1. 1. 1983) – byl navržen tak, aby nezávisel na přenosovém médiu a spolehlivost přenosu řešily až koncové uzly. Je to standard de facto, jeho protokoly popisují dokumenty RFC.

Model TCP/IP má 4 vrstvy (nejnižší se někdy po vzoru OSI dělí na dvě):

• Aplikační vrstva vznikla spojením 7., 6. a 5. vrstvy OSI – všechny tři jsou softwarové a jejich výsledkem jsou data předávaná transportní vrstvě. Aplikační protokoly používají vždy jednu ze dvou transportních služeb, TCP nebo UDP, případně obě (DNS). Aplikace se rozlišují porty – domluvenými čísly; každé spojení je jednoznačně určeno IP adresou, transportním protokolem a číslem portu.
• Transportní vrstva je implementována jen v koncových zařízeních a přizpůsobuje chování sítě potřebám aplikace. Zajišťuje multiplexování (z dat více aplikací vytvoří jeden tok) a demultiplexování (přijatá data rozdělí podle portů správným aplikacím), dělení dat na segmenty a u TCP spolehlivost – ztracené jednotky detekuje a pošle znovu, pořadí zajišťuje číslováním.
• Síťová vrstva je implementována ve všech prvcích sítě – ve směrovačích i koncových zařízeních. Na základě adres hledá cestu od odesílatele k příjemci. Nejdůležitějším protokolem je IP, jednotkou je paket (datagram).
• Vrstva síťového rozhraní zajišťuje přenos rámců mezi dvěma přímo propojenými zařízeními a definuje metody přístupu k médiu. Je specifická pro každou síťovou technologii (Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25).

Porovnání ISO/OSI a TCP/IP

Otázky k opakování

1. Jaký je rozdíl mezi standardem de jure a de facto? Uveďte příklady. de jure vydá normalizační organizace po schválení (ISO/OSI, IEEE 802.3); de facto se prosadí používáním (TCP/IP)
2. Co upravují normy IEEE 802.3 a IEEE 802.11? Ethernet; bezdrátové sítě Wi-Fi
3. Vyjmenujte vrstvy modelu ISO/OSI od nejnižší. fyzická, linková, síťová, transportní, relační, prezentační, aplikační
4. Na které vrstvě pracuje hub, switch a router a s jakými adresami? hub na fyzické (žádné adresy), switch na linkové (MAC), router na síťové (IP)
5. Co je zapouzdření a jak se jmenují PDU na vrstvách 4, 3, 2 a 1? každá vrstva přidá k datům svou hlavičku; segment, paket, rámec, bit
6. Která adresa se během cesty paketu Internetem mění a která ne? MAC adresy se mění na každém úseku mezi routery, IP adresy zůstávají (pokud je nepřekládá NAT)
7. Kterým vrstvám OSI odpovídá aplikační vrstva TCP/IP a vrstva síťového rozhraní? aplikační 7, 6, 5; síťového rozhraní 2 a 1
8. Čím se liší TCP a UDP a kdy se hodí který? TCP je spojovaný a spolehlivý (soubory, web, e-mail), UDP nespojovaný bez záruk, ale rychlejší (DNS, VoIP, video, hry)
9. Proč je transportní vrstva jen v koncových zařízeních, kdežto síťová i v routerech? router potřebuje jen IP adresu, aby paket poslal dál; spojení mezi aplikacemi a porty řeší až koncové uzly