Wprowadzenie do sieci

Wprowadzenie do sieci
Wiadomości podstawowe
W swojej działalności człowiek eksploatuje różne sieci, np. kolejową, Z czego składa się
lotniczą, pocztową, a zwłaszcza drogową. Sieci te służą do transportu sieć?
ludzi, towarów lub wiadomości. Sieć komputerowa służy do
przesyłania (transmisji) informacji, która może mieć charakter
multimedialny (składać się z tekstów, obrazów i głosu). Przesyłanie
w sieci komputerowej odbywa się z bardzo dużymi szybkościami
(przepływnościami), co jest osiągane dzięki zastosowaniu techniki
elektronicznej oraz oprogramowania komputerowego i może mieć
zasięg od lokalnego do ogólnoświatowego (np. sieć Internet).
Informacja w sieci komputerowej, zanim zostanie przesłana do
miejsca przeznaczenia, znowu podobnie jak w wypadku innych sieci,
jest "pakowana" w pewnego rodzaju "kontenery sieciowe", zwane
jednostkami danych (Data Units). W węzłach (na skrzyżowaniach) każdej sieci, także
komputerowej, podejmowane są decyzje o dalszej trasie ruchu kontenera sieciowego. W tym
miejscu zachęcam do krótkiej analizy rysunku, na którym pokazano podobieństwo sieci
komputerowej do innych rodzajów sieci. Uświadomienie sobie tych analogii może ułatwić
zrozumienie mechanizmów pracy sieci komputerowej.
Co to jest intersieć?
Intersieć składa się z wielu sieci najczęściej połączonych routerami (routers), pełniących rolę
urządzeń kierujących pakiety między sieciami.
Sieci w intersieci mogą być także łączone innymi urządzeniami intersieciowymi, na przykład
mostami (bridges). W intersieci każda sieć musi mieć swój unikatowy adres, a w ramach
danej sieci - każda stacja sieciowa.
Wyraźnie rozróżniajmy dwa pojęcia: sieć (Network) i intersieć (Internetwork). Pozwoli to
uniknąć nieporozumień wynikających z tego, że w języku polskim zarówno sieć, jak i
intersieć są nazywane siecią (po prostu intersieć jest większą, bardziej złożoną siecią).
Jak i dlaczego doszło do powstania intersieci?
Ćwierć wieku temu w pierwszych sieciach komputerowych
stosowano duże komputery (Mainframes) oraz podłączone do nich
terminale (Terminals). Rozwiązania takie były używane przez
amerykańskie firmy IBM (system SNA - Systems Network
Architecture) i DEC (system DNA - Digital Network Architecture).
Znaczenie tych systemów staje się dzisiaj coraz mniejsze.
Z czego składa się
intersieć?
Sieci lokalne - LAN (Local Area Networks) - pojawiły się po
uruchomieniu masowej produkcji i upowszechnieniu zastosowań
komputerów personalnych PC (Personal Computers). Sieci LAN
umożliwiały wymianę zbiorów informacji (Files) i komunikatów (Messages) między
użytkownikami znajdującymi się na niewielkim obszarze geograficznym, a także wspólne
użytkowanie zasobów (Shared Resources), np. serwerów zbiorów (File Servers).
Sieci rozległe - WAN (Wide Area Networks) - łączą ze sobą oddzielne sieci LAN używając
do tego celu zwykłych sieci telefonicznych lub innych mediów. W ten sposób sieci WAN
łączą ze sobą geograficznie oddalonych użytkowników.
Coraz częściej są stosowane szybkie sieci LAN (High speed LANs) i przełączane intersieci
(Switched Internetworks) przede wszystkim dlatego, że - pracując z dużymi
przepływnościami - umożliwiają realizację takich zastosowań jak tele- i wideokonferencje.
Można zatem wyróżnić trzy główne przyczyny powstania intersieci:
1. Izolowane sieci LAN uniemożliwiały elektroniczną komunikację użytkowników
pracujących w różnych biurach lub wydziałach tej samej instytucji.
2. Powielanie zasobów, rozumiane jako potrzeba dostarczania takich samych modułów
sprzętowych i programowych, instalowanych w każdym biurze lub wydziale i posiadających
swoje oddzielne zespoły specjalistów.
3. Brak systemu zarządzania siecią, co uniemożliwiałoby centralne zarządzanie siecią i
wyszukiwanie uszkodzeń.
Model OSI
Model OSI (Open Systems Interconnection) opisuje sposób
Model OSI
przepływu informacji między aplikacjami software'owymi w jednej
stacji sieciowej a software'owymi aplikacjami w innej stacji sieciowej
przy użyciu kabla sieciowego. Model OSI jest modelem
koncepcyjnym, skomponowanym z siedmiu warstw, z których każda
opisuje określone funkcje sieciowe. Model został opracowany przez
ISO (International Standardization Organization) w 1984 r. i w
zasadzie powinien być znany przez każdego, kto zajmuje się sieciami
komputerowymi. Model OSI dzieli zadanie przesyłania informacji między stacjami
sieciowymi na siedem mniejszych zadań składających się na poszczególne warstwy. Zadanie
przypisane każdej warstwie ma charakter autonomiczny i może być implementowane
niezależnie.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Co to są protokoły komunikacyjne?
Należy wyraźnie zaznaczyć, że model OSI jest tylko ogólnym modelem koncepcyjnym
komunikacji między stacjami podłączonymi do sieci. Model OSI nie określa szczegółowych
metod komunikacji. Mechanizmy rzeczywistej komunikacji są określone w formie
protokołów komunikacyjnych (Communication Protocols).
Protokołem komunikacyjnym nazywamy zbiór formalnych reguł i konwencji szczegółowo
określających mechanizmy wymiany informacji między stacjami połączonymi medium
transmisyjnym (kablem sieciowym).
Protokół realizuje funkcje jednej lub wielu warstw modelu OSI. Zwracamy uwagę, że
istniejąca obecnie bardzo duża liczba różnych protokołów komunikacyjnych utrudnia często
zorientowanie się w mechanizmach działania sieci. Pomocne może okazać się uświadomienie
sobie podziału wszystkich protokołów komunikacyjnych na następujące klasy:
1. Protokoły sieci lokalnych LAN (LAN Protocols).
2. Protokoły sieci rozległych WAN (WAN Protocols).
3. Protokoły trasowania (Routing Protocols).
4. Protokoły sieciowe (Network Protocols).
Protokoły sieci lokalnych obsługują funkcje dwóch najniższych warstw modelu OSI (warstw
Fizycznej i Łącza danych). Protokoły sieci rozległych obsługują funkcje trzech najniższych
warstw modelu OSI (Fizycznej, Łącza danych i Sieciowej) i definiują komunikację przez
różne media stosowane w sieciach rozległych. Protokoły trasowania, obsługujące warstwę
Sieciową modelu OSI, są odpowiedzialne za określanie tras przepływu pakietów. Protokoły
sieciowe to zbiory wielu różnych protokołów obsługujących wyższe warstwy modelu OSI
(np. AppleTalk, DECnet, SNA, IP, IPX).
Jak odbywa się komunikacja między stacjami sieciowymi według modelu OSI?
Informacja przesyłana z aplikacji programowej w jednej stacji sieciowej (np. A) do aplikacji
software'owej w innej stacji sieciowej (np. B) musi przejść każdą warstwę modelu OSI w obu
stacjach.
Na przykład w sytuacji, gdy stacja sieciowa A, mając do przesłania aplikację programową do
stacji B, sprawia, że program aplikacyjny w stacji A wysyła swoje informacje do warstwy
Aplikacja (warstwa 7). Warstwa Aplikacja przesyła następnie informację do warstwy
Prezentacja (warstwa 6), która przesyła informację do warstwy Sesja (warstwa 5) itd., aż do
warstwy Fizycznej (warstwy 1). W warstwie Fizycznej informacja zostaje przekazana do
medium, po którym dociera do stacji sieciowej B. Tutaj warstwa Fizyczna stacji B odbiera
informację i przekazuje ją do warstwy Łącza danych (warstwa 2), która przesyła ją do
warstwy Sieciowej (warstwa 3) itd., aż do warstwy Aplikacja (warstwa 7) w stacji sieciowej
B. Na zakończenie tego procesu warstwa Aplikacja stacji B przesyła informację do
odbiorczego programu aplikacyjnego w celu zakończenia procesu komunikacji.
Proces wymiany informacji w modelu OSI
Warstwy modelu OSI używają różnych form informacji sterujących
służących do komunikowania się równorzędnych warstw różnych
stacji sieciowych. Wspomniane informacje sterujące zawierają
żądania i instrukcje wymieniane między równorzędnymi warstwami
modelu OSI.
Jak warstwy modelu
OSI współpracują ze
sobą?
Informacje sterujące mogą mieć jedną z dwóch form: nagłówka
lub końcówki. Nagłówek jest przedrostkiem dodawanym do
informacji przesyłanej "w dół", począwszy od najwyższej warstwy.
Końcówka zaś jest uzupełnieniem informacji przesyłanej "w dół", począwszy od warstwy
najwyższej.
Nagłówki, końcówki i dane są pojęciami zależnymi od warstwy, w
Kapsułkowanie w
której analizowana jest jednostka informacji. Na przykład w warstwie procesie wymiany
Sieciowej jednostka informacji składa się z nagłówka warstwy 3 i
informacji
danych. W warstwie Łącza danych cała informacja przesyłana w dół
przez warstwę Sieciową (nagłówek warstwy Sieciowej i dane) jest
traktowana jako dane.
Inaczej mówiąc, porcja danych jednostki informacyjnej w konkretnej warstwie modelu OSI
może zawierać nagłówki, końcówki i dane pochodzące ze wszystkich wyższych warstw. Jest
to znane pod nazwą kapsułkowania.
Proces wymiany informacji między warstwami modelu OSI
Wymiana informacji następuje między równorzędnymi warstwami modelu OSI. Każda
warstwa w stacji nadawczej dodaje informacje sterujące (nagłówki i/lub końcówki) do
danych, a każda warstwa w stacji odbiorczej analizuje i usuwa z tych danych informacje
sterujące.
Jeśli stacja A ma w aplikacji software'owej dane do przesłania do stacji B, to dane te są
przekazane do warstwy Aplikacja. Warstwa Aplikacja w stacji A komunikuje o tym dowolną
informację sterującą wymaganą przez warstwę Aplikacja w stacji B przez dodanie nagłówka
do danych. Wynikowa jednostka informacji (nagłówek i dane) zostaje przesłana do warstwy
Prezentacja, która dodaje swój własny nagłówek, zawierający informację sterującą
przeznaczoną dla warstwy Prezentacja w stacji B. Rozmiar jednostki informacji zwiększa się,
ponieważ w każdej warstwie dodawany jest nowy nagłówek (a czasem także końcówka)
zawierający informację sterującą przeznaczoną dla równorzędnej warstwy w stacji B.
Warstwa Fizyczna stacji A całą jednostkę informacji przekazuje do medium sieciowego.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Warstwa Fizyczna w stacji B odbiera jednostkę informacyjną i przekazuje ją do warstwy
Łącza danych. Warstwa ta odczytuje następnie informacje sterujące zawarte w nagłówku,
przygotowane przez warstwę Łącza danych w stacji A. Następnie nagłówek zostaje usunięty,
a pozostała zawartość jednostki informacji zostaje przekazana do warstwy Sieciowej. Każda
warstwa realizuje taką sama czynność: odczytuje nagłówek przynależny tej warstwie,
następnie usuwa go, a pozostałą jednostkę informacji przekazuje do następnej, wyższej
warstwy. Po zrealizowaniu takiego zadania przez warstwę Aplikacja dane są przekazane do
oprogramowania użytkowego w stacji B w formie, w jakiej zostały wysłane przez aplikacje w
stacji A.
Formaty informacji przesyłanych w sieci
W sieci (lub intersieci) przesyłane są dane oraz informacje sterujące. Jedne i drugie mogą
przyjmować różne formaty. Warto zwrócić uwagę na to, że nazwy tych formatów, zarówno w
literaturze, jak i w praktyce, nie zawsze są używane konsekwentnie i, co gorsze, czasami
zamiennie, co może powodować spore nieporozumienia.
Ramka, pakiet, komórka, datagram, segment, komunikat to formy (formaty) informacji
przesyłane w sieci (lub intersieci):
Ramka (Frame) to jednostka informacji, której źródłem i
Struktura ramki
przeznaczeniem jest warstwa Łącza danych (warstwa 2) modelu OSI.
Ramka składa się z trzech elementów:
1. Nagłówka warstwy Łącza danych,
2. Danych warstwy wyższej,
3. Końcówki warstwy Łącza danych.
Nagłówek i końcówka zawierają informację sterującą przeznaczoną dla warstwy Łącza
danych w stacji odbiorczej. Można powiedzieć, że dane z wyższej warstwy są otoczone
(kapsułkowane) przez nagłówek i końcówkę warstwy Łącza danych. Przedstawiony tu format
ramki ma charakter ogólny; każda technologia sieciowa (np. Ethernet, Token Ring, FDDI) ma
swój specyficzny format ramki, przedstawiony szczegółowo przy opisie tych technologii.
Pakiet (Packet) to jednostka informacji, której źródłem i
przeznaczeniem jest warstwa Sieciowa (warstwa 3) modelu OSI.
Pakiet składa się z trzech elementów:
1. Nagłówka warstwy Sieciowej,
2. Danych warstwy wyższej,
3. Końcówki warstwy Sieciowej.
Struktura pakietu
Nagłówek i końcówka zawierają informację sterującą przeznaczoną dla warstwy 3 w stacji
odbiorczej. Można powiedzieć, że dane z wyższej warstwy są otoczone (kapsułkowane) przez
nagłówek i końcówkę warstwy 3.
Komórka (Cell) to jednostka informacji złożona z dwóch elementów: Struktura komórki
1. Nagłówka komórki o długości 5 bajtów,
2. Danych komórki o długości 48 bajtów.
Komórka ma zawsze stałą długość 53 bajtów i odnosi się do warstwy
Łącza danych (warstwa 2) modelu OSI. Komórki są używane w sieciach technologii ATM
(Asynchronous Transfer Mode) i SMDS (Switched Multimegabit Data Service).
Datagram, segment, komunikat
Datagram jest jednostką informacji, której źródłem i przeznaczeniem jest warstwa Sieciowa
(warstwa 3) modelu OSI, używająca bezpołączeniowej obsługi sieci.
Segment jest jednostką informacji, której źródłem i przeznaczeniem jest warstwa
Transportowa modelu OSI.
Komunikat jest jednostką informacji, której źródłem i przeznaczeniem jest zwykle warstwa
Aplikacji.
Hierarchiczna organizacja sieci komputerowej
Współczesne, coraz większe sieci komputerowe są zwykle zorganizowane hierarchicznie, co
ułatwia ich zarządzanie, zwiększa elastyczność w razie modyfikacji i redukuje zbędny ruch.
Dlatego Międzynarodowa Organizacja Standaryzacyjna ISO (International Organization for
Standardization) sprecyzowała cztery pojęcia dla określania różnych części hierarchicznej
struktury sieciowej. Są to:
 System końcowy ES (End System),
 System pośredniczący IS (Intermediate System),
 Obszar A (Area),
 System autonomiczny AS (Autonomous System).
System końcowy ES to urządzenie, często zwane stacją sieciową, nie wykonujące funkcji
zmiany kierunku przepływu informacji, a w szczególności trasowania. Typowymi
urządzeniami należącymi do klasy ES są terminale, personalne lub sieciowe komputery i
drukarki.
System pośredniczący IS to urządzenie zmieniające kierunek przepływu informacji w sieci;
należą tu takie urządzenia jak routery (Routers), przełączniki (Switches) i mosty (Bridges).
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Obszarem A nazywamy grupę logiczną sieciowych segmentów i związane z nimi urządzenia.
Obszary są częściami systemów autonomicznych. System autonomiczny AS jest zbiorem
sieci znajdujących się pod działaniem wspólnego systemu zarządzającego i mającego wspólną
strategię trasowania. Systemy autonomiczne czasem nazwane są segmentami.
Połączeniowe i bezpołączeniowe usługi sieciowe
Protokoły i obsługiwany przez nie ruch danych w sieci mogą mieć charakter połączeniowy
lub bezpołączeniowy. W połączeniowej obsłudze danych używana jest trasa (ścieżka) między
stacją nadawczą a stacją odbiorczą, utworzona tylko na czas trwania transmisji. W obsłudze
bezpołączeniowej dane przepływają przez połączenie ciągle istniejące.
W usłudze połączeniowej można wyróżnić trzy fazy:
1. Budowa połączenia,
2. Przesyłanie danych,
3. Likwidacja połączenia.
W wyniku budowy połączenia zostaje utworzona pojedyncza ścieżka między stacją nadawczą
a stacją odbiorczą. Zasoby sieciowe powinny mieć rezerwę pozwalającą na zapewnienie
realizacji usługi, np. zagwarantowaną szybkość przesyłania danych.
W fazie przesyłania dane są transmitowane przez utworzoną ścieżkę w sposób sekwencyjny.
Dane docierają do stacji odbiorczej w kolejności ich wysyłania przez stację nadawczą.
W fazie likwidacji połączenia utworzone połączenie ulega przerwaniu. Dalsza transmisja
między stacjami nadawczą i odbiorczą musi być ponownie poprzedzona fazą budowy
połączenia.
Usługę połączeniową charakteryzują dwie istotne wady w porównaniu z usługą
bezpołączeniową:
 Statyczny wybór ścieżki,
 Statyczna rezerwacja zasobów sieciowych.
Statyczny wybór ścieżki jest kłopotliwy, ponieważ oznacza potrzebę przesyłania całego ruchu
przez tę samą statyczną trasę; uszkodzenie jej w dowolnym miejscu powoduje zerwanie
całego połączenia. Statyczna rezerwacja zasobów sieciowych stwarza kłopoty, ponieważ
wymaga gwarantowanej szybkości transmisji oraz zaangażowania zasobów sieciowych, z
których nie mogą korzystać inni użytkownicy sieci.
Należy jednak podkreślić, że połączeniowa usługa jest bardzo przydatna w aplikacjach nie
tolerujących opóźnień. Na przykład zastosowania wymagające przesyłania głosu i obrazu są
oparte na usługach połączeniowych.
W usłudze bezpołączeniowej nie buduje się jedynej ścieżki między stacją nadawczą i
odbiorczą, pakiety do stacji odbiorczej mogą docierać w innej kolejności niż są wysyłane
przez stację nadawczą, ze względu na to, że mogą być przesyłane różnymi trasami. W usłudze
bezpołączeniowej dane przepływają przez trwałe połączenia między węzłami sieci, a każdy
pakiet jest obsługiwany indywidualnie i niezależnie od innych pakietów danego komunikatu.
Jest to możliwe pod warunkiem, że każdy pakiet jest kompletnie zaadresowany, to znaczy, że
każdy z nich ma swój adres stacji nadawczej i stacji odbiorczej.
Usługa bezpołączeniowa ma dwie zalety:
 dynamiczną selekcję ścieżki (trasy),
 dynamiczny przydział pasma.
Dynamiczna selekcja ścieżki umożliwia trasowanie z pominięciem uszkodzonego miejsca w
sieci dzięki sterowaniu przepływem odnoszącym się do każdego pakietu z osobna.
Dynamiczny przydział pasma jest bardzo efektywny, ponieważ pasmu nie przydziela się
zasobów, jeśli nie są one używane.
Usługi bezpołączeniowe są zalecane przy transmisji danych w aplikacjach tolerujących pewne
opóźnienia i powtórzenia.
Adresowanie w sieci komputerowej
Aby w sieci mogła poprawnie przebiegać transmisja informacji, interfejs każdego urządzenia
lub grupy urządzeń musi mieś swój unikatowy adres. Mechanizmy adresowania są zależne od
protokołu sieciowego i warstwy w modelu OSI. Można wyróżnić trzy zasadnicze typy
adresów:
 Adresy warstwy 2 (Łącza danych) modelu OSI,
 Adresy MAC (Media Access Control),
 Adresy warstwy 3 (Sieciowej) modelu OSI.
Adres warstwy 2 modelu OSI jednoznacznie identyfikuje każde połączenie urządzenia z
siecią. Jest także często nazywany fizycznym adresem (Hardware Address).
Stacje sieciowe (systemy końcowe ES) mają zwykle tylko jedno fizyczne połączenie z siecią,
co oznacza, że mają tylko jeden adres warstwy 2 modelu OSI. Natomiast routery i inne
urządzenia intersieciowe mają zwykle wiele połączeń z siecią i w konsekwencji wiele
adresów warstwy 2 modelu OSI.
Stacja sieciowa ma
zwykle jeden adres
warstwy 2. Routery
mają wiele adresów
warstwy 2
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Adresy MAC (Media Access Control) są podzbiorem adresów warstwy 2 modelu OSI. Adres
MAC ma długość 48 bitów i jest pokazany na rysunku Fizyczny adres... w postaci 12 cyfr
hexadecymalnych. Składa się z dwóch podstawowych części: w pierwszej z nich zapisany jest
kod producenta karty sieciowej, przydzielany przez IEEE (Institute of Electrical and
Electronic Engineers), a w drugiej - unikatowy adres karty sieciowej tego producenta. W
dolnej części rysunku pokazano adres rozgłoszeniowy (Broadcast Address) karty Ethernet,
używany przy stosowaniu protokołu ARP do automatycznego odszukiwania adresów
fizycznych stacji sieciowych i routerów. Adresem rozgłoszeniowym jest 48 jedynek
zapisanych w sześciu bajtach adresu.
Adresy warstwy Sieciowej zwykle należą do hierarchicznej
przestrzeni adresowej i są także nazywane adresami wirtualnymi lub
logicznymi. Bardzo ważna jest zależność między adresami warstwy
sieciowej a urządzeniami sieciowymi.
Fizyczny adres
Ethernet HA
(Hardware Address)
Przestrzenie adresowe: hierarchiczna i płaska
W intersieci przestrzeń adresowa zwykle przyjmuje jedną z dwóch
form: hierarchiczną lub płaską.
Hierarchiczna przestrzeń adresowa jest zorganizowana z myślą o
podgrupach, z których każda kolejna zawęża adres aż do wskazania
pojedynczego urządzenia.
Płaska przestrzeń adresowa odnosi się do jednej grupy.
Adresowanie hierarchiczne cechuje wiele zalet w porównaniu do
adresowania płaskiego, np. sortowanie adresów jest znacznie
uproszczone przez stosowanie operacji porównania.
Router dla każdego
interfejsu fizycznego
ma jeden adres
warstwy sieciowej dla
każdego
obsługiwanego
protokołu warstwy
sieciowej
Przydzielanie adresów
Można wyróżnić trzy sposoby przydziału adresów:
 Statyczny,
 Dynamiczny,
 Adresy przydziela serwer.
Adresy statyczne przydziela administrator sieci stosownie do
Różnice między
wcześniej przyjętego planu adresacji. Adres statyczny pozostaje
hierarchiczną a płaską
niezmienionym aż do momentu zdecydowania o tym przez
przestrzenią adresową
administratora sieci. Adresy dynamiczne są przydzielane
urządzeniom w momencie podłączenia ich do sieci przez działanie
pewnych specyficznych protokołów. Dowolne urządzenie używające
dynamicznego adresowania często ma inny adres po każdym
podłączeniu urządzenia do sieci. Adresy przydzielane przez serwer są
ponownie przydzielane po uprzednim odłączeniu urządzenia od sieci, a następnie jego
podłączeniu.
Adresy i nazwy
Urządzenia zainstalowane w sieci mają adresy z nimi związane. Nazwy są niezależne od
lokalizacji i związane z urządzeniem, nawet jeśli urządzenie to zostaje przeniesione do innego
miejsca (np. z budynku do budynku). Adresy niezależne od lokalizacji nie zmieniają się, gdy
urządzenie zmienia lokalizację (chociaż adresy MAC należą do wyjątków).
Sterowanie przepływem w sieci
Sterowanie przepływem polega na zapobieganiu przeciążaniu sieci
przez unikanie nadmiaru informacji napływających do stacji
odbiorczej ze stacji nadawczej. Istnieje wiele przyczyn powodujących
przeciążanie sieci, np. bardzo szybki komputer może generować
informację z szybkością większą niż przepływność sieci lub stacja
odbiorcza jest zbyt wolna, by szybko napływającą informację odebrać
i przetworzyć.
Najważniejsze
instytucje prowadzące
standaryzację w
dziedzinie sieci
komputerowych
Są trzy metody zapobiegania przeciążeniom sieci komputerowej:
 Buforowanie,
 Transmisja komunikatów ograniczania szybkości transmisji stacji nadawczej,
 Generowanie okien (Windowing).
Buforowanie polega na chwilowym zapamiętywaniu nadmiaru informacji w pamięci
(buforze) do czasu, kiedy będzie mogła być przetworzona. Okazjonalne "przepełnienia"
danych są skutecznie obsługiwane przez mechanizm buforowania. Jeśli jednak
"przepełnienia" są zbyt intensywne, mechanizm buforowania może zawieść i następuje
"odrzucenie" niektórych datagramów.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Komunikaty ograniczające szybkość transmisji stacji nadawczej zapobiegają nadmiarom
występującym w buforach stacji odbiorczych. Dzieje się to w ten sposób, że stacja odbiorcza
wysyła komunikat do stacji nadawczej żądający zmniejszenia szybkości jej transmisji.
Początkowo stacja odbiorcza zaczyna odrzucać przyjmowane dane, w miarę jak następuje
przepełnianie buforów, po czym rozpoczyna wysyłanie komunikatu (żądającego zmniejszenia
szybkości pracy) do stacji nadawczej z szybkością jednego komunikatu na jeden pakiet.
Stacja odbiorcza, odbierając komunikaty żądające zmniejsza szybkości, wykonuje te
polecenia aż do momentu, kiedy przestanie odbierać komunikaty. Wtedy stacja nadawcza
stopniowo zaczyna zwiększać szybkość transmisji, ale tak by nie dopuścić do ponownego
przyjmowania komunikatów.
Generowanie okien jest mechanizmem sterowania przepływem, w którym stacja nadawcza
wymaga potwierdzenia przez stację odbiorczą faktu przetransmitowania pewnej liczby
pakietów. Jeśli okno ma np. "szerokość pięć", to stacja nadawcza żąda potwierdzenia po
przesłaniu pięciu pakietów. Mechanizm działa w następujący sposób:
Po odbiorze pięciu pakietów stacja odbiorcza wysyła potwierdzenie do stacji nadawczej,
stacja nadawcza odbiera potwierdzenie i wysyła pięć pakietów więcej. Jeśli stacja odbiorcza
nie odbiera jednego lub więcej pakietów z jakiegoś powodu, to nie odbiera ona wystarczającej
liczby pakietów, aby wysłać potwierdzenie. Po tym fakcie stacja nadawcza retransmituje
pakiety ze zmniejszoną szybkością.
Zasady kontroli błędów w sieci
Informacja przesyłana w sieci między stacją nadawczą i odbiorczą może ulec zniekształceniu
lub zniszczeniu. Dlatego wymyślono mechanizmy sprawdzania błędów (Error-checking) na
różnych poziomach modelu OSI.
Najpowszechniej stosowanym z nich jest kodowanie nadmiarowe CRC (Cyclic Redundancy
Check), wykrywające i usuwające informacje zniekształcone. CRC jest skomplikowaną
procedurą dopisywania do transmitowanego bloku danych pozycji kontrolnych wg reguły
kodowania. Na podstawie tych bitów odbiornik jest w stanie wykryć błędy powstające
podczas transmisji, a w pewnych przypadkach nawet je skorygować. Funkcje korekcji błędów
są realizowane przez protokoły wyższych warstw (np. powtórzenie transmisji). Wartość CRC
jest obliczana w stacji nadawczej. Stacja odbiorcza porównuje tę wartość z wartością
obliczoną w stacji odbiorczej w celu stwierdzenia, czy w czasie transmisji wystąpił błąd. Na
początku stacja nadawcza wykonuje cały szereg obliczeń na zawartości pakietu
przeznaczonego do przesłania. Następnie obliczone wartości uzupełniają pakiet, który jest
wysyłany przez stację nadawczą do stacji odbiorczej, która również wykonuje obliczenia na
zawartości otrzymanego pakietu, po czym porównuje ją z zawartością pakietu. Jeśli wartości
są równe, to uznaje się, że pakiet został przetransmitowany poprawnie, przy wartościach
różnych - pakiet zawiera błędy i zostaje usunięty.
Wstępne wiadomości o LAN
Powszechnie używany skrót LAN (Local Area Network) oznacza lokalną sieć komputerową,
obejmującą swoim zasięgiem stosunkowo mały obszar geograficzny i łączącą ze sobą stacje
sieciowe (stacje robocze, komputery personalne, komputery sieciowe, serwery, drukarki i
inne urządzenia). LAN umożliwiają współdzielony dostęp wielu użytkowników do tych
samych urządzeń i aplikacji, wymianę plików między użytkownikami oraz komunikację
między użytkownikami za pośrednictwem poczty elektronicznej i innych aplikacji.
Obecnie są stosowane trzy podstawowe technologie sieci LAN:
 Ethernet/IEEE 802.3,
 Token-Ring/IEEE 802.5,
 FDDI (Fiber Distributed Data Interface).
Sieci LAN powinny spełniać trzy istotne wymagania: możliwie dużej Sieć LAN a model OSI
przepływności (szybkości), skalowalności i wysokiej niezawodności.
Metody dostępu do medium transmisyjnego
Dowolna stacja może rozpocząć transmisję w sieci tylko wtedy, gdy
medium (np. miedziany 4-parowy kabel sieciowy) nie jest zajęte
przez inną transmisję. Mechanizm kontrolujący stan medium i
uruchamiania transmisji nazywamy metodą dostępu do medium.
Protokoły LAN używają jednej z dwóch metod dostępu do medium:
 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detect) -wielodostęp z rozpoznaniem
stanu kanału i wykrywaniem kolizji,
 Token Passing (Token Passing) - wielodostęp z przekazywaniem uprawnień.
W metodzie dostępu CSMA/CD stacje sieciowe konkurują między sobą o dostęp do medium.
Przykładami technologii używających metody dostępu CSMA/CD są: Ethernet, IEEE 802.3
i 100Base-T.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
W metodzie dostępu Token Passing stacje sieciowe uzyskują dostęp do medium w zależności
od tego, gdzie aktualnie znajduje się token (specjalna ramka sterująca). Przykładami
technologii sieciowych, w których stosuje się metodę dostępu Token Passing, są Token-Ring
(IEEE 802.5) i FDDI.
Sposoby transmisji i adresowania w LAN
Wyróżnia się trzy sposoby transmisji i adresowania w LAN:
 Transmisja pojedyncza Unicast,
 Transmisja grupowa Multicast,
 Transmisja rozgłoszeniowa Broadcast.
Transmisje: Unicast,
Multicast i Broadcast
W transmisji Unicast pojedynczy pakiet jest wysyłany przez stację
nadawczą do stacji odbiorczej. Przedtem jednak stacja nadawcza
adresuje pakiet używając adresu stacji odbiorczej. Po zaadresowaniu
pakiet jest wysyłany do sieci, w której "przepływa" do stacji
odbiorczej.
W transmisji Multicast pojedynczy pakiet danych jest kopiowany i
wysyłany do grupy stacji sieciowych (określonej przez adres
multicast). Przedtem jednak stacja nadawcza adresuje pakiet
używając adresu multicast. Po zaadresowaniu pakiet jest wysyłany do
sieci, gdzie jest kopiowany; każda kopia pakietu jest wysyłana do
wszystkich stacji należących do grupy adresów multicast.
W transmisji Broadcast pojedynczy pakiet jest kopiowany i
wysyłany do wszystkich stacji sieciowych. W tym typie transmisji stacja nadawcza adresuje
pakiet używając adresu broadcast. Następnie pakiet jest wysyłany do sieci, gdzie jest
kopiowany; kopie są wysyłane do wszystkich stacji sieciowych .
Topologie sieci LAN
Topologia LAN określa sposób wzajemnego połączenia stacji w sieci.
Wyróżnia się cztery najczęściej stosowane topologie LAN:
 Szynowa (Bus),
 Pierścieniowa (Ring),
 Gwiaździsta (Star),
 Drzewiasta (Tree).
Topologie: szynowa
(Bus), pierścieniowa,
gwiaździsta i
drzewiasta
Wymienione topologie są strukturami logicznymi i technicznie nie
muszą być w taki sposób zorganizowane. Na przykład logicznie
rozumiane topologie szynowa i pierścieniowa są zorganizowane jako
gwiazda fizyczna.
W topologii szynowej pakiet wysyłany przez dowolną stację sieciową
dociera, za pośrednictwem medium, do wszystkich stacji sieciowych.
W sieciach Ethernet/IEEE 802.3, włącznie z 100Base-T, jest
stosowana topologia szynowa.
Topologia pierścieniowa jest strukturą, w której stacje sieciowe są
podłączone do okablowania tworzącego pierścień. Topologię
pierścienia stosuje się w technologiach Token Ring/IEEE 802.5 i
FDDI.
W topologii gwiaździstej kable sieciowe są połączone w jednym
wspólnym punkcie, w którym znajdują się hub lub przełącznik.
Topologia drzewiasta jest strukturą podobną do topologii szynowej, z tą różnicą, że są tu
możliwe gałęzie z wieloma węzłami.
Urządzenia aktywne LAN
Sieci LAN buduje się z biernych i aktywnych urządzeń sieciowych. Bierne urządzenia
sieciowe to komponenty systemów okablowania strukturalnego.
Do aktywnych urządzeń sieci LAN należą:
 Regeneratory (Repeaters),
 Huby,
 Mosty,
 Przełączniki LAN,
 Rozszerzacze LAN.
Regenerator (koncentrator) jest urządzeniem pracującym w warstwie fizycznej modelu OSI,
stosowanym do łączenia segmentów kabla sieciowego. Łączący wiele kabli regenerator
logicznie jest traktowany jak jeden kabel sieciowy. Po prostu regenerator, odbierając sygnały
z jednego segmentu sieci, wzmacnia je, poprawia ich parametry czasowe i przesyła do innego
segmentu. W rezultacie zabiegi te regenerują (stąd nazwa) sygnały zniekształcone długimi
kablami i dużą liczbą podłączonych urządzeń. Liczby regeneratorów i segmentów są
ograniczone.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Hub jest urządzeniem pracującym również w warstwie fizycznej. Jest czasami określany jak
wieloportowy regenerator. Hub służy do tworzenia fizycznej gwiazdy przy istnieniu logicznej
szyny lub pierścienia.
Rozszerzacz LAN to wielowarstwowy przełącznik zdalnego dostępu, podłączony do
głównego routera. Rozszerzacze LAN przesyłają ruch z wszystkich standardowych
protokołów warstwy sieciowej (np. IP, IPX, AppleTalk) i filtrują go zależnie od adresów
MAC lub typu protokołu warstwy Sieciowej modelu OSI (warstwa 3). Rozszerzacze LAN
dobrze spełniają funkcję skalowania sieci, ponieważ główny router odfiltrowuje niepożądane
pakiety typu broadcast i multicast. Rozszerzacze LAN nie zapewniają ani segmentowania, ani
nie służą do budowy zapór ogniowych.
Wstępne wiadomości o sieciach rozległych WAN
WAN (Wide Area Network) jest siecią transmisji danych obejmującą
swoim zasięgiem stosunkowo duży obszar geograficzny, często
używającą środków transmisji będących w dyspozycji towarzystw
telekomunikacyjnych. Technologie sieci WAN funkcjonują w trzech
najniższych warstwach modelu OSI: Fizycznej, Łącza danych i
Sieciowej.
Technologie WAN
działają w trzech
najniższych warstwach
modelu OSI
Łącze Punkt-Punkt
Łącze Punkt-Punkt zapewnia pojedyncze, zawczasu zestawione
połączenie komunikacyjne między siedzibą użytkownika a siecią odległą, z użyciem sieci
operatora, na przykład sieci telefonicznej.
Łącza Punkt-Punkt znane są także pod nazwą linii dzierżawionych, ponieważ ich trasa
(ścieżka) jest stała i określona dla każdej zdalnej sieci dostępnej przez zasoby sieci operatora.
Operator sieci rezerwuje łącza Punkt-Punkt na prywatne cele użytkownika. Łącza te
umożliwiają dwa typy transmisji: transmisję datagramów skomponowanych z indywidualnie
adresowanych ramek oraz transmisję strumienia danych, dla którego sprawdzanie adresów
odbywa się tylko raz.
Przełączanie obwodów
Stosowane w sieciach WAN przełączanie obwodów polega na zestawianiu, utrzymywaniu i
rozłączaniu fizycznego obwodu przez sieć operatora dla każdej sesji komunikacyjnej.
Przełączanie obwodów obsługuje dwa typy transmisji: transmisję datagramów, na które
składają się indywidualnie zaadresowane ramki, i transmisję strumienia danych, dla których
następuje tylko jednokrotne sprawdzenie adresu. Przełączanie obwodów jest szeroko
stosowane w sieciach telefonicznych. ISDN jest typowym przykładem przełączania
obwodów.
Przełączanie pakietów
Stosowane w sieciach WAN przełączanie pakietów polega na
współdzieleniu przez urządzenia sieciowe łącza Punkt-Punkt
przeznaczonego do transportu pakietów między stacją nadawczą a
stacją odbiorczą, poprzez sieć operatora. Dla współdzielenia
obwodów przez urządzenia sieciowe używa się statystycznej
multipleksacji. ATM, Frame Relay, SMDS (Switched Multimegabit
Data Service) i X.25 to przykłady technologii przełączania pakietów
w sieciach WAN.
Mechanizm
przełączania pakietów
przesyła pakiety przez
sieć operatora
Obwody wirtualne w sieci WAN
Obwodem wirtualnym (Virtual Circuit) nazywamy obwód logiczny utworzony dla
zapewnienia niezawodnej komunikacji między dwoma urządzeniami sieciowymi.
Rozróżniamy dwa typy obwodów wirtualnych:
 Przełączane obwody wirtualne SVC (Switched Virtual Circuits),
 Stałe obwody wirtualne PVC (Permanent Virtual Circuit).
SVC to obwody wirtualne zestawiane dynamicznie na żądanie oraz rozłączane po
zakończeniu transmisji. Komunikacja przez obwód SVC składa się z trzech faz: 1.
Zestawienie obwodu, 2. Transmisja danych, 3. Rozłączanie obwodu.
Faza zestawiania obwodu polega na tworzeniu obwodu między stacją nadawczą a stacja
odbiorczą. Transmisja danych polega na ich przesyłaniu (przez obwód wirtualny) między
stacją nadawczą a odbiorczą. Rozłączenie obwodu powoduje zakończenie jego
funkcjonowania.
Obwody wirtualne SVC są używane w sytuacjach, gdy transmisja danych między stacjami
odbywa się sporadycznie. Jest to głównie związane z tym, że w obwodzie SVC zwiększa się
szerokość pasma w fazie zestawiania obwodu i w fazie jego rozłączania oraz zmniejsza koszt
związany ze stałą dostępnością obwodu wirtualnego.
Obwód PVC jest zestawiany na stałe i pracuje tylko w trybie transmisji danych. Obwód PVC
jest stosowany w sytuacjach, gdy transmisja między stacjami jest stała. PVC zmniejsza
szerokość pasma związanego z zestawianiem i rozłączaniem obwodu wirtualnego, zwiększa
natomiast koszt w związku ze stałą dostępnością obwodu wirtualnego.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Produkty sprzętowe stosowane w sieciach WAN
W sieciach WAN stosuje się wiele różnych produktów sprzętowych. Do typowych należą:
przełączniki WAN, serwery dostępowe, modemy, urządzenia CSU/DSU i adaptery terminali
ISDN. Ponadto stosowane są routery, przełączniki ATM i multipleksery.
Przełącznik WAN jest wieloportowym urządzeniem intersieciowym stosowanym do
przełączania ruchu w sieciach, takich jak Frame Relay, X.25 i SMDS (Switched Multimegabit
Data Service), działającym w warstwie 2 modelu OSI.
Serwer dostępowy gra rolę punktu koncentrującego połączenia "do sieci" i "od sieci".
Modem jest urządzeniem, które interpretując sygnały cyfrowe i analogowe, umożliwia
przesyłanie danych przez zwykłą linię telefoniczną. Modem usytuowany przy stacji
nadawczej zamienia sygnały cyfrowe na formę wygodną do transmisji przez linię analogową,
podczas gdy modem znajdujący się przy stacji odbiorczej sygnały analogowe ponownie
zamienia na formę cyfrową.
Urządzenie CSU/DSU (Channel Service Unit/Data Service Unit) jest urządzeniem
dopasowującym fizyczny interfejs urządzenia DTE (Data Terminal Equipment), np. interfejs
terminala, do interfejsu urządzenia DCE (Data Communications Equipment), np. interfejs
przełącznika. Urządzenie CSU/DSU ponadto zapewnia impulsy czasowe niezbędne dla
komunikacji między tymi urządzeniami.
Adapter terminala ISDN jest urządzeniem zapewniającym połączenia interfejsu BRI (Basic
Rate Interface) z innymi interfejsami, np. EIA/TIA-232. W istocie adapter terminala jest
modemem ISDN.
Ogólne zasady mostowania i przełączania
Do czego służą mosty i przełączniki?
Mosty i przełączniki to ważne sprzętowe składniki sieci komputerowej. Działają w warstwie
Łącza danych (warstwa 2) modelu OSI. Mosty pojawiły się na początku lat osiemdziesiątych i
wtedy służyły do łączenia sieci jednorodnych (homogenicznych). Ostatnio zdefiniowano i
przyjęto standardy określające proces mostowania również między sieciami pracującymi w
różnych technologiach.
Obecnie wyróżnia się kilka rodzajów mostowania:
 Mostowanie przezroczyste (Transparent Bridging), stosowane głównie w sieciach
Ethernet;
 Mostowanie wg trasy źródłowej (Source-Route Bridging), spotykane przede wszystkim w
sieciach Token Ring;
 Mostowanie translacyjne (Translational Bridging), zapewniające tłumaczenie formatów i
zasad przejścia między różnymi mediami (zwykle Ethernet i Token Ring);
 Mostowanie przezroczyste wg trasy źródłowej (Source-Route Transparent Bridging)
używające zarówno algorytmów mostowania przezroczystego, jak i mostowania wg trasy
źródłowej dla zapewnienia komunikacji w instalacjach mieszanych Ethernet/Token Ring.
Mostowanie i przełączanie to funkcje dwóch najpopularniejszych urządzeń sieciowych:
mostów i przełączników. Znajomość ogólnych zasad mostowania (Bridging) i przełączania
(Switching) ułatwia zrozumienie reguł funkcjonowania sieci komputerowej.
Należy podkreślić, że w obecnie projektowanych sieciach dominuje technologia przełączania.
Przełączniki są lepsze niż mosty - zapewniają wyższą przepustowość, większą gęstość
portów, niższą cenę za port. Umożliwiają także trasowanie, uzupełniając funkcje routerów.
Charakterystyka urządzeń warstwy 2
Mechanizmy mostowania i przełączania są realizowane w warstwie 2 modelu OSI, która
steruje przepływem danych, obsługuje błędy transmisji, zapewnia fizyczne (w odróżnieniu od
logicznego) adresowanie oraz dostęp do fizycznego medium sieci. Funkcje te mosty realizują
przez używanie specyficznych dla każdej technologii protokołów, np. Ethernet, Token Ring
czy FDDI.
Mosty i przełączniki są urządzeniami stosunkowo prostymi. Analizują one napływające ramki
i decydują o ich sposobie transportu do stacji odbiorczej. W pewnych wypadkach
(mostowanie wg trasy źródłowej) cała ścieżka do stacji odbiorczej jest pamiętana w każdej
ramce. W innych przypadkach (mostowanie przezroczyste) ramki są transportowane między
kolejnymi mostami w kierunku stacji odbiorczej na zasadzie "najtańszej" ścieżki.
Procesy mostowania i przełączania są przezroczyste w wyższych warstwach modelu OSI.
Oznacza to, że ani mosty, ani przełączniki nie muszą sprawdzać informacji w wyższych
warstwach i w związku z tym szybko przesyłają ruch należący do dowolnego protokołu. Nie
ma zatem nic niezwykłego w tym, gdy most przesyła ruch AppleTalk, DECnet, TCP/IP i
innych protokołów między dwiema lub wieloma sieciami. Jest to
istotna zaleta mostów.
Przełącznik LAN
Mosty mogą również filtrować ramki na podstawie zawartości ich
może łączyć segmenty
pól. Na przykład, most może być zaprogramowany tak, aby nie
Ethernet 10 Mb/s z
przepuszczać żadnej ramki pochodzącej z określonej sieci. Filtry
segmentami Ethernet
mogą być również bardzo pomocne w likwidowaniu niepożądanych 100 Mb/s
pakietów typu broadcast czy multicast.
Dzieląc duże sieci na autonomiczne jednostki, mosty i przełączniki
zapewniają wiele udogodnień. Przede wszystkim zmniejszają ruch
między połączonymi segmentami. Most lub przełącznik pracuje też
jako zapora ogniowa (firewall) chroniąc sieć przed intruzami
mogącymi ją uszkodzić. Mosty i przełączniki umożliwiają rozbudowę
sieci LAN.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Pomimo że mosty i przełączniki charakteryzuje wiele wspólnych cech, różnią się one między
sobą. Przełączniki zwykle są znacznie szybsze niż mosty, ponieważ przełączanie jest
realizowane sprzętowo.
Typy przełączników
Przełączniki będąc urządzeniami warstwy Łącza danych - podobnie jak mosty - łączą wiele
fizycznych segmentów LAN w jedną większą sieć. Ponadto, znowu podobnie do mostów,
przełączniki transportują ruch opierając się na adresach MAC. Działanie przełączników jest
jednak bardzo szybkie, ponieważ proces przełączania jest realizowany sprzętowo.
Można wyróżnić następujące rodzaje przełączników:
 Przełączniki ATM,
 Przełączniki LAN,
 Przełączniki WAN.
Wstępne wiadomości o trasowaniu
Trasowanie (Routing) jest mechanizmem kierowania i przenoszenia informacji w intersieci,
od stacji nadawczej (Source) do stacji odbiorczej (Destination). Na tej drodze informacja musi
przejść przez co najmniej jeden element pośredniczący, którym może być most lub router. Na
pierwszy rzut oka trasowanie i mostowanie to mechanizmy bardzo podobne. Tak jednak nie
jest - różnią się one istotnie.
Zasadnicza różnica polega na tym, że mostowanie realizowane jest w warstwie 2 modelu OSI
(warstwa Łącza danych), a trasowanie w warstwie 3 (Sieciowa). Mostowanie i trasowanie
korzystają więc z różnych informacji w procesie przenoszenia danych od stacji nadawczej do
stacji odbiorczej, a to sprawia, że ich funkcje są realizowane w różny sposób.
Nauka zdefiniowała funkcje i zadania trasowania już ponad 20 lat temu. Technicznie i
komercyjnie mechanizm trasowania zaczęto stosować jednak dopiero w połowie lat 80.
Przyczyną tego była prostota i jednorodność technologiczna sieci lat 70. (trasowanie było
zbyteczne). Dopiero niedawno popularne stały się duże intersieci. Stąd obecne wielkie
zainteresowanie mechanizmami trasowania.
Dwie podstawowe funkcje trasowania
Proces trasowania można sprowadzić do dwóch zasadniczych funkcji:
1. Wyznaczenie optymalnych tras (ścieżek) między stacją nadawczą i stacją odbiorczą.
2. Transport grup informacji (pakietów) przez intersieć, często nazywany przełączaniem.
Wyznaczanie trasy należy do zadań trudnych, a przełączanie pakietów jest stosunkowo proste.
Wyznaczanie optymalnej trasy
Przy określaniu optymalnej trasy algorytmy trasowania używają
standardowej miary trasowania, np. długości ścieżki.
Tablica trasowania
Przy określaniu optymalnej trasy między stacją nadawczą a stacją
odbiorczą algorytmy trasowania tworzą tablice trasowania (Routing
Tables), przechowujące informacje o trasach przesyłania pakietów.
Informacje o trasach są różne, zależnie od stosowanego algorytmu
routingu.
Istotny jest związek stacja odbiorcza/następny hop, informujący router o tym, że do
określonej stacji odbiorczej można optymalnie dotrzeć wysyłając pakiet do routera
reprezentującego następny hop. W sytuacji gdy router odbiera przychodzący pakiet, sprawdza
adres stacji odbiorczej i usiłuje skojarzyć ten adres z następnym hop. Tablice trasowania
mogą zawierać także inne informacje, takie jak zalety trasy. Routery porównują miary tras w
celu wyboru trasy optymalnej; miary te różnią się zależnie od użytego algorytmu trasowania.
Routery komunikują się między sobą i pamiętają zawartości swoich tablic trasowania w
czasie transmisji różnych komunikatów. Jednym z nich jest komunikat aktualizacji trasowania
(Routing Update), składający się w całości lub w części z zawartości tablicy trasowania. Dany
router - na podstawie analizy komunikatów aktualizacji trasowania, pochodzących od
wszystkich pozostałych routerów - może budować szczegółowy obraz topologii sieci. Innym
komunikatem, przesyłanym między routerami, jest stan łącza (Link-State Advertisement).
Również ten komunikat może być użyty do budowy kompletnej topologii sieci po to, by
umożliwić routerom określenie optymalnych tras między stacjami nadawczymi a
odbiorczymi.
Przełączanie
Algorytmy przełączania to mechanizmy stosunkowo proste i są w
Trasa pakietu od stacji
zasadzie takie same dla większości protokołów trasowania. W
nadawczej do stacji
większości wypadków stacja nadawcza decyduje o wysłaniu pakietu odbiorczej
do stacji odbiorczej. Stacja nadawcza, dysponując adresem routera,
wysyła pakiet pod jego fizyczny adres MAC (Media Access Control)
wraz z adresem logicznym (np. protokołu IP - warstwa Sieciowa)
stacji odbiorczej.
Po otrzymaniu pakietu router stwierdza, czy potrafi transportować
pakiet do następnego hop. Jeśli router nie może tego zrobić, to zwykle
pakiet zostaje stracony. Jeśli router wie, jak transportować pakiet, to
zmienia fizyczny adres, tak by osiągnąć następny hop, po czym
transmituje pakiet.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Hop - termin opisujący przemieszczanie pakietu danych między dwoma routerami.
Hop count - miara trasowania używana do pomiaru odległości między stacją nadawczą i
odbiorczą.
W szczególnym przypadku następny hop może być stacją odbiorczą.
Jeśli tak nie jest, to znaczy, że następnym hop jest router, który realizuje proces decyzyjny. W
miarę jak pakiet przesuwa się w sieci, jego adres fizyczny zmienia się, natomiast jego adres
logiczny nie ulega zmianie.
Warto podkreślić, że ISO opracowała terminologię związaną z hierarchiczną organizacją
sieci, bardzo użyteczną przy opisie omawianego procesu. Przypomnijmy, urządzenia bez
możliwości przesyłania pakietów między sieciami nazywane są stacjami sieciowymi lub
urządzeniami końcowymi ES (End Systems), z kolei urządzenia mające takie możliwości
nazywa się systemami pośredniczącymi IS (Intermediate Systems). Urządzenie IS można
dalej dzielić na komunikujące się w ramach domeny (Intradomain IS) oraz komunikujące się
w ramach domeny i między domenami (Interdomain IS). Domena trasowania to część
intersieci będącej pod wspólnym zarządem, to znaczy regulowana przez określony zestaw
reguł administracyjnych. Domeny trasowania są także zwane autonomicznymi systemami AS
(Autonomous Systems). Przy pewnych protokołach domeny trasowania mogą być dzielone na
obszary trasowania (Routing Areas), ale mimo to protokoły trasowania intradomenowego
(Intradomain Routing) są ciągle stosowane do przełączania wewnątrz i między obszarami.
Algorytmy trasowania
Algorytmy trasowania są różne pod względem wielu parametrów. Po pierwsze zróżnicowanie zależy od celów określonych przez konstrukcję algorytmu. Po drugie - istnieją
różne typy algorytmów trasowania i każdy z nich ma inny wpływ na sieć i zasoby routerów.
Wreszcie po trzecie - algorytmy trasowania używają różnych miar mających wpływ na
obliczenie trasy optymalnej.
Cele wyznaczone przez konstrukcję algorytmów trasowania
Konstrukcje algorytmów trasowania spełniają jeden lub więcej celów spośród następującego
zbioru możliwości:
 optymalizacja,
 prostota,
 odporność i stabilność,
 szybka konwergencja,
 elastyczność.
Optymalizacja odnosi się do możliwości algorytmu trasowania co do wyboru najlepszej trasy,
a to zależy od przyjętej do obliczeń miary trasowania i wagi przypisanej poszczególnym
miarom. Na przykład jeden algorytm może używać liczby hop i opóźnień, ale w kalkulacjach
waga związana z opóźnieniami może być większa. Oczywiście protokoły trasowania muszą
dokładnie definiować algorytmy kalkulacji miar.
Algorytmy trasowania powinny być zaprojektowane tak, by były możliwie najprostsze.
Inaczej mówiąc, algorytm trasowania musi mieć bardzo efektywnie zaprojektowaną warstwę
funkcjonalną przy minimalnych nakładach na oprogramowanie i eksploatację. Efektywność
jest szczególnie ważna w sytuacji, gdy oprogramowanie algorytmu trasowania musi działać
na komputerze z ograniczonymi zasobami sprzętowymi.
Algorytmy trasowania muszą być odporne i stabilne, co oznacza ich poprawne działanie
nawet w niezwykłych okolicznościach i trudnych do przewidzenia warunkach, np. przy
uszkodzeniach sprzętu czy niewłaściwej eksploatacji. Routery pracujące w punktach
stykowych sieci mogą powodować poważne kłopoty w razie uszkodzenia. Dlatego
najlepszymi algorytmami trasowania okazują się te, które wytrzymały próbę czasu i okazały
się stabilne w różnych warunkach pracy sieci.
Ponadto algorytmy trasowania muszą charakteryzować się krótkim czasem konwergencji.
Konwergencja jest procesem uzgadniania optymalnych tras między wszystkimi routerami w
sieci. Jeśli wydarzenia w sieci powodują naprzemian zanikanie lub dostępność tras, to routery
obwieszczają ten fakt rozgłaszając komunikaty aktualizujące, przenikające całą sieć,
stymulujące ponowną kalkulację optymalnych tras i uzgodnienie tych tras. Algorytmy o
długim czasie konwergencji mogą powodować powstawanie pętli trasowania, a nawet zaniki
pracy sieci.
Algorytmy trasowania powinny być ponadto elastyczne, co oznacza, Pętle trasowania
iż powinny szybko i dokładnie dostosowywać się do różnorodnych
okoliczności występujących w sieci. Jeśli np. segment sieci ulega
uszkodzeniu, to algorytmy trasowania powinny szybko określić
następną optymalną trasę dla wszystkich routerów normalnie
obsługujących omawiany segment. Algorytmy trasowania mogą być
tak programowane, by adaptować m.in. zmiany w szerokości pasma,
rozmiarze kolejki routerów i opóźnieniu wprowadzanemu przez sieć.
Typy algorytmów trasowania
Rozróżnia się następujące typy algorytmów trasowania:
 statyczne i dynamiczne,
 jednościeżkowe i wielościeżkowe,
 płaskie i hierarchiczne,
 z inteligencją stacji i z inteligencją routera,
 intradomenowe i interdomenowe,
 działające według stanu łącza i na podstawie wektora odległości.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Statyczne i dynamiczne algorytmy trasowania
Przed rozpoczęciem trasowania statyczne algorytmy wymagają od administratora sieci
wpisywania zawartości tabel routerów, będących odwzorowaniem topologii sieci.
Odwzorowania te mogą być zmienione również tylko przez administratora sieci. Algorytmy
używające statycznych routerów są stosukowo proste w swojej konstrukcji i pracują
poprawnie w sieciach małych o prostej architekturze.
Ponieważ statyczne systemy trasowania nie mogą reagować na zmiany w sieci, to generalnie
nie są one przydatne do stosowania w sieciach dużych, gdzie zmiany następują praktycznie
ciągle. Dlatego większość obecnie stosowanych algorytmów trasowania to algorytmy
dynamiczne, dostosowujące się do zmiennych warunków występujących w sieci, na drodze
analizy aktualizujących komunikatów trasowania. W wypadku, gdy aktualizujący komunikat
trasowania wskazuje, że w sieci wystąpiły zmiany, oprogramowanie trasujące ponownie
oblicza trasy i wysyła do routerów nowe komunikaty aktualizujące. W ślad za tym
komunikaty, przenikając przez sieć, stymulują routery do uruchomienia algorytmów
trasowania i zmieniają ich tablice trasowania.
Jednościeżkowe i wielościeżkowe algorytmy trasowania
Niektóre protokoły trasowania wspierają tworzenie wielościeżkowych tras między stacją
nadawczą i odbiorczą. Algorytmy realizujące taki mechanizm zezwalają na przemieszczanie
ruchu przez wiele linii. Zaleta algorytmów wielościeżkowych jest oczywista: zapewniają one
większą przepustowość i niezawodność.
Płaskie i hierarchiczne algorytmy trasowania
Niektóre algorytmy trasowania operują w płaskiej przestrzeni, inne zaś używają hierarchii
trasowania. W systemie płaskim wszystkie routery są równoprawne względem siebie. W
systemie hierarchicznym niektóre routery tworzą kręgosłup trasowania. Pakiety z routerów
nie tworzących kręgosłupa wędrują do routerów w kręgosłupie trasowania, przez który
przepływają do obszaru, w którym znajdują się stacje odbiorcze.
Systemy trasowania często wyznaczają logiczne grupy stacji sieciowych, zwane domenami,
systemami autonomicznymi lub obszarami. W systemach hierarchicznych pewne routery w
domenie mogą komunikować się z routerami z innych domen, inne zaś mogą komunikować
się z routerami w ramach ich własnej domeny. W sieciach bardzo dużych mogą istnieć
dodatkowe poziomy hierarchii, z routerami na najwyższym poziomie, tworzącymi
wspomniany kręgosłup trasowania.
Podstawową zaletą trasowania hierarchicznego jest to, że odwzorowuje ono organizację firmy
lub instytucji. Większość komunikacji przebiega w małych grupach firmowych (domenach).
Ponieważ intradomenowe routery muszą mieć tylko informację o routerach w swojej
domenie, to ich algorytmy trasowania mogą być uproszczone, a co za tym idzie - ruch
aktualizujący może zostać również zredukowany.
Algorytmy trasowania z inteligencją stacji i routera
W niektórych algorytmach trasowania zakłada się, że stacja nadawcza będzie określać całą
trasę. Trasowanie takie jest nazywane trasowaniem źródłowym (Source Routing). W
systemach trasowania źródłowego routery pracują jak urządzenia z mechanizmem pamiętaj i
transportuj, przesyłając pakiety do następnego routera.
W innych algorytmach zakłada się, że stacje nic nie wiedzą o routerach. W tych wypadkach
routery określają trasę w intersieci opierając się na własnych kalkulacjach. Mówimy, że w
pierwszej metodzie stacje sieciowe mają inteligencję trasowania, a w metodzie drugiej
inteligencję trasowania mają routery.
Intradomenowe i interdomenowe algorytmy trasowania
Niektóre algorytmy pracują tyko wewnątrz domen, inne zaś wewnątrz domen i między
domenami. Natura tych algorytmów jest różna. To dlatego optymalny algorytm
intradomenowy jest niekoniecznie optymalny jako algorytm interdomenowy.
Algorytmy działające według stanu łącza i na podstawie wektora odległości
Algorytmy działające według stanu łącza (pierwszą trasą jest trasa najkrótsza - Shortest
Path First) przesyłają informację trasowania do wszystkich węzłów w intersieci. Jednak każdy
router przesyła tylko porcję tabeli trasowania opisującej stan swoich łączy.
Algorytmy działające na podstawie wektora odległości (znane także jako algorytmy
Bellmana-Forda) zwracają się do każdego routera w celu przesłania całych lub częściowych
swoich tablic trasowania, ale tylko do swoich sąsiadów. W istocie algorytmy działające
według stanu łącza wysyłają aktualizacje w mniejszych porcjach wszędzie, a algorytmy
działające na podstawie wektora odległości wysyłają większe porcje aktualizacji tylko do
routerów sąsiednich.
Algorytmy działające na podstawie stanu łącza dokonują konwergencji szybciej i dlatego są
mniej podatne na powstawanie pętli trasowania niż algorytmy działające na podstawie
wektora odległości. Z drugiej strony - algorytmy działające na podstawie stanu łącza
potrzebują więcej mocy procesora i więcej pamięci niż algorytmy działające na podstawie
wektora odległości. Dlatego algorytmy działające na podstawie stanu łącza mogą być droższe
w implementacji i użytkowaniu. Mimo różnic oba typy algorytmów spełniają swoje zadania w
wielu okolicznościach.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Miary trasowania
Tabele trasowania zawierają informacje używane przez programowanie w celu wybrania
najlepszej trasy. Powstaje pytanie, jak tabele trasowania są zbudowane? Co stanowi specyfikę
informacji zawartej w tabelach? W jaki sposób algorytmy trasowania decydują o tym, że
jedna trasa jest preferowana bardziej niż inna?
Algorytmy trasowania używają wielu różnych miar do określania najlepszej trasy.
Zaawansowane algorytmy trasowania mogą przy selekcji trasy opierać się na wielu miarach,
tworząc z nich miarę wypadkową (hybrydową). Rozróżnia się obecnie następujące miary
trasowania:
 długość ścieżki,
 niezawodność,
 opóźnienie,
 szerokość pasma,
 obciążenie,
 koszt komunikacji.
Długość ścieżki jest najczęściej używaną miarą trasowania. Niektóre protokoły trasowania
zezwalają administratorowi sieci na arbitralne przypisywanie kosztów każdemu łączu
sieciowemu. W takim wypadku koszt ścieżki jest sumą kosztów związanych z każdym łączem
składającym się na ścieżkę. Inne protokoły trasowania natomiast używają miary hop count,
rozumianej jako liczba przejść pakietu przez urządzenia intersieciowe - np. routery - od stacji
nadawczej do stacji odbiorczej.
Niezawodność, w kontekście algorytmów trasowania, odnosi się do skuteczności każdego
łącza (określanego liczbą przekłamanych bitów). Niektóre łącza mogą ulegać uszkodzeniom
częściej od innych. Po uszkodzeniu sieci niektóre łącza można naprawić szybciej i prościej
niż inne.
Opóźnienie trasowania oznacza czas potrzebny do przesłania pakietu od stacji nadawczej do
stacji odbiorczej w intersieci. Opóźnienie zależy od wielu czynników, m.in. od szerokość
pasma, jakim dysponują pośredniczące łącza sieciowe, przeciążenia wszystkich
pośredniczących łączy oraz fizycznej drogi, którą musi przepłynąć informacja. Jak widać, na
opóźnienie składa się wiele różnych zmiennych, dlatego miara ta jest ważna i popularna.
Szerokość pasma odnosi się do dostępnej pojemności ruchu w określonym łączu.
Obciążenie to stopień zajętości zasobu sieciowego, np. routera. Obciążenie zależy od wielu
czynników, np. stopnia wykorzystania procesora czy liczby pakietów przetwarzanych w
czasie jednej sekundy.
Koszt komunikacji jest ważną miarą trasowania, przede wszystkim dlatego, że niektóre firmy
nie dbają o wydajność. Nawet wtedy, gdy opóźnienia są duże, przesyłają pakiety przez własne
linie zamiast korzystać z sieci publicznych, za które się płaci tylko w czasie ich używania.
Ogólne zasady zarządzania sieciami
Pojęcie zarządzanie siecią często ma inne znaczenia dla różnych specjalistów. Niekiedy jest
ono interpretowane jako monitorowanie sieci z użyciem analizatora protokołów sieciowych.
Innym razem przywodzi na myśl rozproszoną bazę danych, automatyczne zbieranie danych o
urządzeniach sieciowych czy wreszcie wysokowydajne stacje robocze wyświetlające na
swoich ekranach schematy zmian w topologii lub zmian w ruchu pakietów w rozpatrywanej
sieci.
Zarządzanie siecią to usługa angażująca wiele różnych narzędzi, aplikacji i urządzeń
wykorzystywanych przez specjalistów ze służby administratora sieci w trakcie monitorowania
i utrzymywania sieci w stanie poprawnej pracy.
Pierwsze pozytywne wyniki ekonomiczne stosowania sieci komputerowych na początku lat
80. spowodowały rozwój nowych technologii i urządzeń sieciowych oraz wzrost liczby
użytkowników w sieciach już istniejących. W wyniku tego procesu w połowie, a zwłaszcza
pod koniec lat 80. pojawiły się pierwsze kłopoty związane z zastosowaniem różnych
technologii i urządzeń sieciowych, często niekompatybilnych względem siebie. Rosnące
liczebnie zespoły specjalistów, angażowane do usuwania tych problemów, dodatkowo
pogłębiały kryzys. Doprowadziło to do silnego zapotrzebowania na zautomatyzowany system
zarządzania siecią komputerową.
Architektura zarządzania siecią
Większość używanych obecnie systemów zarządzania siecią opiera się na typowej
architekturze pokazanej na rysunku. Stacje sieciowe (systemy komputerowe, komputery PC i
NC oraz inne urządzenia sieciowe) są nadzorowane przez oprogramowanie umożliwiające im
wysyłanie alarmów w sytuacjach wystąpienia nieprawidłowości (np. w wypadku
przekroczenia zadanych przez użytkownika wartości progowych). Alarmy są przyjmowane
przez program menedżer, rezydujący w centralnej stacji zarządzającej i inicjujący takie akcje,
jak powiadamianie operatora, zamknięcie systemu lub próba
automatycznej naprawy systemu.
Typowa architektura
Program menedżer może ponadto odpytywać (Polling) stacje
systemu zarządzania
sieciowe w celu sprawdzenia wartości pewnych zmiennych.
siecią
Odpytywanie może być automatyczne lub zainicjowane przez
użytkownika; w obu wypadkach rezydujące w urządzeniach
sieciowych moduły programowe - zwane agentami - udzielają
odpowiedzi na te zapytania. W urządzeniach sieciowych ponadto
rezydują moduły baz danych do zarządzania MIB (Management
Information Base), przechowujące informacje o tych obiektach.
Znormalizowanym mechanizmem zbierania, przesyłania i pamiętania informacji
zarządzających jest protokół zarządzania siecią. Najpopularniejszymi z nich są: protokół
SNMP (Simple Network Management Protocol) i protokół CMIP (Common Management
Information Protocol). Elementy proxy dostarczają informacji zarządzającej na rzecz innych
jednostek.
Wprowadzenie do sieci
24-10-2001
Model zarządzania siecią według ISO
ISO wniosło wielki wkład w opracowanie standardów sieci komputerowych. Model
opracowany przez tę organizację jest bardzo przydatny do tego, aby zrozumieć istotne funkcje
systemu zarządzania. Składa się on z pięciu podstawowych części:
 zarządzanie wydajnością,
 konfiguracją,
 sprawozdawczością,
 uszkodzeniami,
 bezpieczeństwem.
Zarządzanie wydajnością
Celem zarządzania wydajnością jest pomiar i kontrola parametrów sieci. Umożliwia to
utrzymywanie wydajności na akceptowanym poziomie. Przykładami tej funkcji systemu
zarządzającego są: przepustowość sieci, czasy odpowiedzi oraz stopień użytkowania
poszczególnych części sieci.
Zarządzanie wydajnością można sprowadzić do trzech podstawowych kroków:
1. Gromadzenie danych w formie zmiennych, interesujących administratora sieci.
2. Analiza danych w celu określenia normalnej pracy sieci.
3. Określenie progu wartości dla każdej zmiennej tak, by jego przekroczenie oznaczało
problem występujący w sieci, którym trzeba się zająć.
Jednostki zarządzające, rezydujące w poszczególnych urządzeniach sieciowych, w sposób
ciągły monitorują zmienne. Jeśli zadany próg zostaje przekroczony, to jest generowany alarm,
wysyłany następnie do systemu zarządzania siecią.
Zarządzanie konfiguracją
Celem zarządzania konfiguracją sieci jest monitorowanie sieci i systemowych informacji
konfiguracyjnych w taki sposób, że działanie różnych wersji elementów sprzętowych i
programowych może być śledzone i nadzorowane. Każde urządzenie sieciowe ma wiele
wersji informacji z nim związanych, np. NetWare wersja 4.1.
Podsystemy zarządzania konfiguracją pamiętają te informacje w bazie danych. Przy
pojawieniu się problemu baza danych jest przeszukiwana, aby wspomóc proces rozwiązania
problemu.
Zarządzanie sprawozdawczością
Celem zarządzania sprawozdawczością jest pomiar parametrów użytkowych sieci, które mogą
być regulowane w odniesieniu do pojedynczego użytkownika lub grupy użytkowników.
Regulacja taka minimalizuje problemy sieci i ułatwia użytkownikom dostęp do sieci.
Pierwszym krokiem w zarządzaniu sprawozdawczością jest pomiar wykorzystania wszystkich
ważnych zasobów sieciowych. Analiza tych rezultatów umożliwia wgląd w bieżące parametry
użytkowe, które mogą być teraz zanotowane. Pewne korekty mogą być oczywiście potrzebne
dla osiągnięcia optymalnych warunków dostępu. Od tego momentu poczynając, pomiary
intensywności użycia zasobów sieci mogą być związane z billingiem.
Zarządzanie uszkodzeniami
Celem zarządzania uszkodzeniami jest detekcja uszkodzeń sieci i powiadamianie
użytkowników o ich wystąpieniu. Ponieważ uszkodzenia mogą powodować nieakceptowalną
degradację pracy sieci, zarządzanie uszkodzeniami jest - być może - najszerzej
implementowanym elementem zarządzania siecią według ISO.
Zarządzanie uszkodzeniami umożliwia określenie symptomów uszkodzenia sieci oraz
izolowanie występującego problemu. Potem problem jest definiowany, a rozwiązanie
testowane. Na koniec detekcja i rozwiązanie problemu zostają zapamiętane.
Zarządzanie bezpieczeństwem
Celem zarządzania bezpieczeństwem jest sterowanie dostępem do zasobów sieci, tak by
uniknąć degradacji pracy sieci, a w szczególności, by dostęp do zasobów sieci był niemożliwy
bez właściwej autoryzacji. Na przykład, podsystem zarządzania bezpieczeństwem,
monitorując logowanie się użytkowników do zasobów sieci, może nie zezwalać na dostęp
tym, którzy nie używają właściwych kodów dostępu.
Podsystem zarządzania bezpieczeństwem dzieli niejako sieć na dwie części: autoryzowaną i
nie autoryzowaną. Użytkownicy zajmujący w hierarchii pracowników firmy niskie szczeble
mają zwykle bardzo ograniczony dostęp do zasobów sieci.
Podsystem zarządzania bezpieczeństwem realizuje wiele funkcji. Identyfikuje ważne zasoby
sieci i określa relacje między nimi a zbiorami użytkowników. Ponadto monitoruje punkty
dostępu do ważnych zasobów sieciowych.