1. Počítačové sítě PB002: Základy informačních technologií Eva Hladká Fakulta informatiky Masarykovy univerzity Podzim 2010 Osnova přednášky i> Uvod o Počítačové sítě o Komunikační protokoly o Standardizace 2 Sítové modely o ISO/OSI Model o ISO/OSI vs. TCP/IP Modél 3> TCP/IP Modél o L1 - Fyzička vrstva o L2 - Vrstva datového spoje • L3 - Sítova vrstva Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 2 / 59 Úvod Počítačové sítě Osnova přednášky i> Uvod o Počítačové sítě o Komunikační protokoly o Standardizace 2 Sítové modely • ISO/OSI Model • ISO/OSI vs. TCP/IP Model 3> TCP/IP Model • L1 - Fyzička vrstva e L2 - Vrstva datoveho spoje • L3 - Sítova vrstva Eva Hladka (FI MÚ) Podzim 2010 3 / 59 Úvod Počítačové sítě Pocitacove site Úvod o skupina poc ítačů a zařízen í propojena komunikacn ími kanály, které napomáhaj ívzajemné komunikaci mezi uZivateli a umoZnuj íjim sd ílet dostupné zdroje o mohou byt vyuzity k mnoha uCelum: o podpora komunikace (ruzne zpusoby - přenos textu, řeči, videa, atd.) o sd ílen í hardwarových zdroju o sd ílen í souboru, dat a informac í o sd ílen í software o zakladn í vlastnosti poc ítacove s íte: o Vlastni doručení dat (Delivery) - system musí data dorucit spravnemu př íjemci o Správnost doručení (Accuracy) -system musí data dorucit neposkozena o Včasnost doručení (Timeliness) - system mus í data dorucit vcas Eva Hladka (FI MÚ) Podzim 2010 4 / 59 Úvod Počítačové sítě Pocitacove site ideální vs. skutečné sítě Ideální sítě o transparentn í pro uživatele/aplikace o použe tžv. end-to-end vlastnosti o neomezena propustnost o žadne žtraty o žadne žpoždení a rozptyl žpoždení o žachovava pořad í paketU o data nemohou byt poSkožena Skutečně sítě o maj ívnitřn í strukturu, ktera ovlivřuje doruCen í dat omežena propustnost o (obCas) dochaž í ke žtratam dat o (obCas) poskytuje variabiln í žpoždení a rožptyl žpoždení o (obCas) nežachovava pořad í paketu data mohou byt pořskožena Eva Hladka (FI MÚ) Podzim 2010 5 / 59 Úvod Počítačové sítě Pocitacove site Požadované vlastnosti o efektivita - efektivn í/maximáln í využit í dostupné přenosové kapacity o spravedlivost - stejný přístup ke vSem datovým tokUm vSech uživatelU (se stejnou prioritou) • decentralizovaná správa 9 rychlá konvergence při adaptaci na nový stav o multiplexing/demultiplexing spolehlivost o řízení toku dat - ochrana proti zahlcen í s íte a přij ímaj íc ího užlu Eva Hladka (FI MÚ) Podzim 2010 6 / 59 Úvod Počítačové sítě Pocitacove site Základní přístupy I. o spojované sítě (přepínání okruhů) • mezi komunikujícími uzly je před začátkem přenosu ustaveno spojení (nazýváno tez okruh), ktere je udrZováno behem cele komunikace • informace o spojení jsou udrzovány sítí - síť musí uchovávat stav • okruh muze být bud' pevný (predvytvorene) nebo vytváren ná zádost o jednoduchá (vícemene áutomátická) implementáce kválity sluzby o nápr. ánálogove telefonní síte o nespojované sítě (přepínání páketu) o pro přenos dát není vyuzitá definování cestá - dátá jsou rozdelená do málych cástí (názyvány pakety), ktere jsou odeslány do síte o pákety mohou byt v síti smerovány libovolnymi/ruznymi cestámi, sluřcovány řci frágmentovány o ná prijímájící stráne jsou z páketu extráhovány příslusne cásti dát, ktere jsou následne znovuslozeny do puvodn í podoby o nen í potřebá uchovávát stáv v s íti o velmi problemátická implementáce QoS (tzv. best-effort služba) o nápr. Internet Eva Hladka (FI MÚ) Podzim 2010 7 / 59 Úvod Počítačové sítě Pocitacove site Základní přístupy II. spojované sítě nespojované sítě Eva Hladka (FI MÚ) Podzim 2010 8 / 59 Komunikační protokoly Komunikační protokoly - Motivace o motivovaný potřebou komunikace a domluvy mezi (dvema či více) • entita = čokoli, čo je sčhopno prijímat a odesílat informače o forma komunikače/domluvy musí být znama vsem zUčastneným stranam o musí se domluvit na komunikačním protokolu o analogie z lidskeho sveta: entitami Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 9 / 59 Úvod Komunikační protokoly Sítové komunikační protokoly II. • protokol určuje „Co" je předmětem komunikace, „Jak" daná komunikace probíhá a „Kdy" probíhá • definuje: • syntaxi = strukturu/formát zasílaných dat • sémantiku = význam každé sekce bitů (jak mají být daná data interpretována, jaká akce má s nimi být provedena, atd.) • časování = kdy je potřeba zaslat kterou zprávu • příklady síťových protokolů: • UDP, TCP, IP, IPv6, SSL, TLS, SNMP, HTTP, FTP, SSH, Aloha, CSMA/CD, ... Síťový protokol definuje formát a pořadí zpráv vyměňovaných mezi dvěma či více komunikujícími entitami, stejně jako akce vykonané při odeslání/příjmu daných zpráv. Síťový protoko Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě 'odzim 2010 10 / 59 Úvod Standardizace Standardizace o stanoven í norem/standardů popisuj ících nejrůznější akce, činnosti, formy či způsoby komunikace, atp. (nejen v IT) o hlavn í c íle standardizace: o kvalita o bezpecnost o kompatibilita o interoperabilita o portabilita o typy standardů: o de facto - technicka řesení, ktera se svym ůspechem na trhu prosadila do te míry, ze jsoů akceptovana vetsinoů výrobců jako příklad hodny nasledovaní o de jure - standardy vypracovane a schvalene oficialn ím mezinarodn ím nebo narodn ím normalizacn ím organem o nejznamejsí standardizacní institůce působ íc í v oblasti IT: o ISO, ITU-T, ANSI, IEEE, IETF (RFCs), IEC, etc. Eva Hladka (FIMÚ) 1. PoCítaCové sfte Podzim 2010 11/59 Sítové modely Osnova přednášky jl Uvod • Počítačové sítě • Komunikační protokoly • Standardizace 0 Sítové modely o ISO/OSI Model o ISO/OSI vs. TCP/IP Model .3) TCP/IP Model • L1 - Fyzička vrstva e L2 - Vrstva datoveho spoje • L3 - Sítova vrstva Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 12 / 59 Síťové modely ISO/OSI Model ISO/OSI Model I. o 7-vrstvý model navržen organizac í OSI za účelem zajištěn í kompatibility a interoperability komúnikačn ích šyštěmú různých výrobců o důvody vrstevnate architektúry: o každá z vrstev je zodpovedná za určitou (definovanou) funkcionalitu o aby mohla požadovanou funkcionalitu zajistit, přidává si do přenáSených dat sve říd íc í informace o každa vrstva komunikuje pouze se svými pnmo sousedícími vrstvami o každa vrstva využ íva služeb poskytovaných vrstvou nižs í a poskytuje sve služby vrstve vyss í o funkcionalita je izolována v ramci príslusne vrstvy (pokud dojde ke žmene vrstvy, je žapotřeb í upravit použe vrstvy s n í prímo soused íc í) o ž logickeho pohledu se komunikace odehrava použe meži stejnymi vrstvami (tžv. peery) obou komunikuj íc ích stran; ve skutecnosti vsak žas ílana data prochaž í vsemi nižs ími vrstvami o vrstvy jsou použe abstrakc í funkcionality - skutecne implementace se více ci mene lis í o 7 vrstev nebylo komunitou široce akceptovano == TCP/IP model Eva Hladká (FIMU) 1. Počítačové síťe Podzim 2010 13/59 Síťové moděly ISO/OSI Modél ISO/OSI Model II. iso / osi Application Layer network applications Presentation Layer data representation Session Layer sessions, session restoration Transport Layer process-process communication, reliability Network Layer network addressing (logical), routing Data Link Layer MAC and LLC (physical addressing) Physical Layer transmission media, signals, bit representation Eva Hladkía (FI M ) 1. Počítačoví sítě 14 / 59 Podzim 2010 Sítové modély ISO/OSI vs. TCP/IP Modél ISO/OSI Model vs. TCP/IP Model iso / osi Application Layer network applications Presentation Layer data representation Session Layer sessions, session restoration Transport Layer process-process communication, reliability Network Layer network addressing (logical), routing Data Link Layer MAC and LLC (physical addressing) Physical Layer transmission media, signals, bit representation TCP / IP Application Layer Transport Layer Internet Layer Network Access Layer Eva Hladkía (FI M ) 1. Počítačoví sítě IS / 59 Podzim 2010 TCP/IP Model Osnova přednášky jl Uvod • Počítačové sítě • Komunikační protokoly • Standardizace Q Sítové modely • ISO/OSI Model • ISO/OSI vs. TCP/IP Model 3> TCP/IP Model o L1 - Fyzička vrstva o L2 - Vrstva datoveho spoje • L3 - Sítova vrstva Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 17 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Přehled ISO /osi Aplikační vrstva Síťové aplikace Prezentační vrstva Reprezentace dat Relační vrstva Relace, meziuzlová komunikace Transportní vrstva End-to-end spoje, zajištění spolehlivosti Síťová vrstva Výběr cesty a IP (logické adresování Vrstva datového spoje MAC a LLC (fyzické adresování) Fyzická vrstva Přenosová média, signály, přenos binárních dat ní)_I I Co nás nyní čeká. • představení LI, poskytované služby • analogové/digitální signály • přenos binárních dat - modulace, kódování • přenosová média, multiplexing Eva Hladká' (Fl MU) Počítačové sítě Podzim 2010 18 / 59 TCP/IP Model L1 - Fyzická vrstva Fyzická vrstva z pohledu síte - kde se pohybujeme? o pouze point-to-point spoje o bez moZnosti adresace stanic 1. Počítačové síti Podzim 2010 19 / 59 TCP/IP Model L1 - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Úvod I. o data mezi komunikujícími uzlý prenasený prenosovým médiem o přenosové medium = pasivní entita, zadna logika řízení • Fyzická vrstva: o poskytuje sluzbý pro vrstvu datového spoje • vrstva datového spoje předává do (získává z) fýzicke vrstvý data vyjádřená posloupností 0 a 1, seskupena do rámců • fyzická vrstva transformuje bitový obsah rámcU do signálů sířených přenosovým mediem • poskýtuje funkcionalitu pro spolupráci s přenosovým mediem o rídí deje v prenosovem mediu; rozhoduje napr. o: • výsílání/príjmu prenásených dat (signálU) • kódování dat do signálu • poctu logických kanálu prenásejících data z mzných zdroju soubezne Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 20 / 59 TCP/IP Model L1 - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Úvod II. • hlavní cíl: zajistit přenos jednotlivých bitU (= obsahu předaných ramcU) mezi odesílatelem a příjemcem o zprostredkovava tak logickou cestu, kterou cestuj í zas ílane bity o nejruznejsí standardy (RS-232-C, CCITT V.24, CCITT X.21, IEEE 802.x) definuj íc í elektricke, mechanicke, funkcn í a proceduraln í vlastnosti rozhran í pro připojen í ruznych přenosovych prostředku a zařízen í; napríklad: o parametry přenasenych signalu, jejich vyznam a casovy prubeh o vzajemne navaznosti ríd ících a stavovych signal u o zapojen í konektoru o a mnoho dalsího Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 21 / 59 TCP/IP Modél Li - Fyzička vrstva Fyzická vrstva - Signály o data jsou přenosovým mediem prenaseny ve forme (elektromagnetických) signálů o binarn í data (prenasene bity) musí byt na signaly transformovana o signál = časova funkce reprezentuj íc í zmeny fyzikaln ích (elektromagnetickyčh) vlastnost í přenosoveho media o data určena k přenosu - digitální (binarn í) • signaly sírene přenosovym mediem - analógové nebo digitální o nektera media vhodna pro analogovy i digitaln í přenos - dratovy vodič (koaxial, kroucena dvoulinka), opticke vlakno o nektera media vhodna pouze pro analogovy přenos - eter Eva Hladkaí (FI M ) Podzim 20i0 22 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Signály Analogový signál o spojitý v Case (mění se hladce) o lze jej Sírit jak vodiCi, tak bezdrátovým prostředím o napr. hlas, hudba, ... Přenášené bity jsou modulovány na analogový signal 1. Počítačové sítě modulace). Podzim 2010 23 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Signály Digitální signal o diskrétn í v case (men í se skokově) o lze jej s írit pouze vodici o data diskretn í v hodnotách, napr. znaky, prvky abecedy, . .. Intensity 10 10 1 time Přenasene bity mus í byt transformovány do specifickeho kodovan í přenaseneho digitaln ím signalem (příme kodovan í, NRZ, Manchester, 4B/5B, aj.). o nežbytne pro překonan í problemu synchronizace vysílače a přijímače Eva Hladká (FI MU) 1. PočítaCove site Podzim 2010 24 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Prenosová media o poskytuj í prostřed í pro cinnost fyzické vrstvy o zákládn í clenen í: o voděná média o poskytuj í fyzicky kanál od jednoho zař ízen í ke druhému o kroucená dvoulinka (LANs, aZ 10Gbps), koaxiáln í kábel, optické vlákno (páteře, stovky Gbps), atp. o nevodena media o přenás í elektromagneticke vlnen í bez pouZit í fyzickeho vodiCe □ signály se s írí eterem (vzduch, vakuum, voda) o rádiove vys ílán í, mikrovlnne vys ílán í, infracervene vys ílán í, atp. • detáily viz PV183: Technologie počítačových sítí Eva Hladkía (FI M ) Podzim 2010 25 / 59 TCP/IP Modél L1 - Fyzička vrstva Fyzická vrstva - Prenosová media Vodená media (a) Opticky kabel. (b) Kroucená dvoulinka. (c) Koaxiáln í kabel. Obrázek: Vybráná vodená prenosová mediá. 1. Počítačové síti Podzim 2010 26 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Multiplexing o multiplexing -technika sd ílen í dostupné přenosové kapacity přenosového média souběžnými komunikacemi o c ílem je efektivnejs í využit í media o uplatnen žejmena u optických viaken a beždratu o pro analogove signaly: o Frequency-Division Multiplexing (FDM) o Wave-Division Multiplexing (WDM) o pro digitain f signaly: Time-Division Multiplexing (TDM) Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 27 / 59 TCP/IP Model L1 - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Rekapitulace • zajistuje prenos jednotlivych bitu mezi odesílatelem a príjemcem o přenasene bity jsou transformovany do signalu sírenych přenosovym mediem o pro přenos analogovym signalem je zapotrebí modulace □ pro přenos digitalním signalem je zapotrebí transformace kódovaní □ zejména kvůli problémům synchronizace o media mohou byt vodena (napr. kroucena dvoulinka, opticke vlakno) a nevodřena (eter) o kazde z nich vhodne pro jine prenosove prostredí o sdílení media soubeznymi přenosy provedeno technikou multiplexingu o další informace: o PB156: Pocítacove síte (doc. Hladka) o PV169: Zaklady prenosu dat (doc. Staudek) o PV183: Technologie pocítacovych sítí (dr. Pelikan) Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 28 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Přehled ISO/OSI Aplikační vrstva Síťové aplikace Prezentační vrstva Reprezentace dat Relační vrstva Relace, meziuzlová komunikace Transportní vrstva End-to-end spoje, zajištění spolehlivosti G ní) Síťová vrstva Výběr cesty a IP (logické adresování) Vrstva datového spoj MAC a LLC (fyzické adresová f Fyzická vrstva Přenosová média, signály, přenos binárních dat • nezajišťuje opakování chybně přenesené informace • nepodporuje určení entity mající právo vysílat do média • nepodporuje ovládání toku dat ze zdroje do média • nepodporuje komunikaci mezi definovanými partnery Co nás nyní čeká. . . • představení L2, poskytované služby • detekce a korekce chyb • řízení přístupu k médiu • L2 sítě Eva Hladká' (Fl MU] Počítačové sítě Podzim 2010 29 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje z pohledu sítě - kde se pohybujeme? o lokain f s fte - Local Area Networks (LAN) o prenosove medium sd fleno vfce stanicemi (nutnost adresace stanic) o tzv. node-to-node delivery Eva Hladka (FI MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 30 / 59 TCP/IP Model L2 — Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Úvod Vrstva datového spoje: • přijíma pakety od sítove vrstvy, ktere transformuje do ramcU • ve spoluprači s fyzičkou vrstvou zajistuje přenos rámču mezi dvema komunikujíčími uzly propojenymi (sdíleným) přenosovým mediem o tj. pouze doručení na stejném segmentu (stejné LAN) o zaručuje spolehlivost prenosu mezi temito uzly • zajistuje, aby čílovy uzel nebyl zahloován proudíčím tokem dat o rídí prístup uzlu ke sdílenemu prenosovemu mediu Eva Hladka (FI MU) 1. Počítačové síté 31 / 59 Podzim 2010 5350 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Služby 9 Tvorba rámců (Framing) • pakety přicházející ze síťové vrstvy jsou „baleny" do rámců (frames) o Adresování (Addressing) o adresy entit vrstvy fyzickeho spoje - fyzicke/MAC adresy o rámce obsahují zdrojovou a cílovou fyzickou adresu komunikujících entit o Chybové řízení (Error Control) o chyby ve fyzicke vrstve nelze zcela eliminovat • L2 vrstva zajistuje pozadovanou uroveň spolehlivosti datoveho spoje (detekce a korekce chyb) o Řízení přístupů k mediů (Mediům Access Control - MAC) o nezbytne v prostředí, ve kterem přenosove medium sdílí více entit □ eliminuje kolize zpusobene nasobnym vysílaním Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 32 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje o příklad Ethernetového ramce: o preambule: o identifikace poCatku ramce (synchronizaCn í prvek) adresace: • kaZda stanice (s ítova karta) „jednoznacne" identifikovana MAC adresou • napr. 01:23:45:67:89:ab Eva Hladka (FI MU) 1. Počítačové síté Podzim 2010 33 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Služby Chybové řízen í o fyzicka vrstva je vzdy (s určitou pravdepodobností) predmetem chyb o chyba = zmena hodnoty bitu • napr. opticka vlakna cca 10-12, wireless cca 10-5 o vrstva datoveho spoje provad í detekci/korekci chyb o vysílac prida bity, jejichz hodnota je funkcí prenasenych dat □ pňijímac spocte stejnou funkci a v prípade rozdílu hodnoty detekuje (pokusí se opravit) chybu o v př ípadé detekce (nemoZnosti opravy) je vyZadano opakován í přenosu o Error Detection, Aůtomatic Řeqůest for Řetransmission (AŘQ) o detekce chyby a zajiSten í opakovan í přenosu o vhodne pro malo chybuj íc í přenosova media o např. suda/licha parita o Forward Error Correction (FEC) o detekce chyb a snaha o jejich kořekci (s vyuZit ím redundance dat) o vhodne přo casto chybuj íc í přenosova media ci media s velkou latenc í o např. Hammingův kod o detaily viz PV169: Základy přenosu dat Eva Hladka (FIMU) 1. Počítačové síte Podzim 2010 34 / 59 TCP/IP Model L2 — Vrstva datoveho spoje Vrstva datového spoje - Služby Řízení přístupu k mediu (MAC) o funkčionalita odpovedna za koordinači přístupu víče stanič ke sd ílenemu prenosovemu mediu o Cíl: eliminače koliz í (konfliktu) pri vysílan í o tj. soubezneho vysílan í do jedineho prenosoveho prostred í o protokoly ř ízen í přístupu: □ protokoly neřízeného přístupu - Aloha, CSMA/CD, CSMA/CA o protokoly řízeneho přístupu - zalozeny na rezervačíčh, vyptavaní se, tokenečh, atp. o protokoly multiplexove-orientovaneho přístupu - FDMA, TDMA, atd. Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 35 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě o lokaln í poc ítaoove s íte (LANs) o sýstematicka topologie pro jednoduche s íte o topologie = fyzické uspořádání stanic na médiu o sbérnice, kruh, hvézda, strom, mesh atp. o rozlehlejsí s íte tvorený vzajemným propojovan ím jednoduchých topologi í o kolizní doména o urcena stanicemi sd ílej ícími prenosove medium o kdýkoliv zacne v kolizn í domene více stanic výsílat, dojde ke kolizi nutnost Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 36 / 59 TCP/IP Modél L2 - Vrstva datového spojé Vrstva datoveho spoje - L2 síte Sbernicová topologie (bus topology) relátivnře jednoduřse instálovátelná o kolizn í domená tvorená vsemi připojenymi stánicemi o CSMA/CD jáko protokol řízen í přístupu k mediu • náchylná k defektum (vypádek kábelu = vypádek cele síte) Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 37 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě Kruhová topologie (ring topology) o vsechný zprá/ý putují v jednom smeru o kolizní domena tvorena vsemi připojenými stanicemi • pravo výsílat urcuje metoda „peška" • velmi nachýlna k defektum (výpadek kabelu/zarízení = výpadek cele síte) Eva Hladká (FI MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 38 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě Hvězdicová topologie (star topology) o centraln í propojovac í bod (hub, bridge, switch) o hUre instalovatelna o kolizn í domena v zavislosti na propojovac ím bodu o hub - operuje na L1 - kolizn í domena tvořena vsemi připojenými stanicemi o bridge, switch - operuj í na L2 - kolizn í domena vZdý tvořena pouze dvema soused ícími stanicemi • nepřílis nachýlna k defektum (výpadek kabelu = výpadek pouze Eva Hladka (FlMu) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 39 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Rekapitulace • zajistuje prenos ramču mezi dvema komunikuj íč ími uzly (určeny MAC adresami) propojenymi sd ílenym prenosovym mediem o se zajisten ím spolehlivosti prenosu o s očhranou prij ímaj íč ího uzlu proti zahlčen í o s rízen ím prístupu k mediu (MAC protokoly) o L2 sítě (LANs): o sberničova, kruhova, hvezdičova topologie o zakladn í stavebn í prvky pro rozsahle síte: mustky, switčhe o další informace: o PB156: Poč ítačove s íte (doč. Hladka) o PV169: Zaklady prenosu dat (doč. Staudek) o PV183: Tečhnologie poč ítačovyčh sít í (dr. Pelikan) o grafove algoritmy - PB165: Grafy a síte (prof. Matyska, doč. Hladka, dr. Rudova) Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 41 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Síťová vrstva - Přehled ISO/OSI Aplikační vrstva Síťové aplikace Prezentační vrstva Reprezentace dat Relační vrstva Relace, meziuzlová komunikace Transportní vrstva End-to-end spoje, zajištění spolehlivosti End- G C Síťová vrstva Výběr cesty a IP (logické adresování) Vrstva datového spoje MAC a LLC (fyzické adresován Přen< Fyzická vrstva Přenosová média, signály, přenos binárních I □ rních dat Proč nestačí L2? • nemožnost vybudování geograficky libovolně rozlehlé sítě • neuniformní prostředí » představení L3, poskytované služby • Internetworking, modely zajištění síťových služeb • adresace na L3, přidělování adres • protokoly IPv4, ARP, ICMP • protokoly IPv6, ICMPv6 • směrování, směrovací techniky Eva Hladká' (Fl MU] Počítačové sítě Podzim 2010 42 / 59 TCP/IP Model L3 - Sítova vrstva Sítová vrstva z pohledu sítě - kde se pohybujeme? o propojovan í lokaln ích s ít í do vetsích, komplexn ích sít í (napr. Internet) • moznost ustaven í komunikacního kanalu mezi „libovolnymi" stanicemi v Internetu o skrze více samostatnych fyzickych sít í (LANs) o tzv. host-to-host delivery Eva Hladkía (FI MU) 1. Počítačová síté 43 / 59 Podzim 2010 TCP/IP Modél L3 - Sítové vrstva Sítova vrstva - Úvod • Síťová vrstva: o poskytuje sluzby pro transportní vrstvu: o prij íma segmenty od transportn í vrstvy, ktere transformuje do paketu • ve spolupráci s vrstvou datoveho spoje zajiStuje prenos paketu mezi komunikuj íc ími uzly (i mezi různými fyzickými LAN sítěmi) o logicky spojuje sámostátne heterogenn í LAN s íte o vyss ím vrstvám poskytuje iluzi uniformn ího prostred í jedine velke síte (WAN - Wide Area Network) o poskytuje moznost jednoznácne identifikáce (ádresáce) kázdeho PC/zárízen í ná Internetu • zájistuje směrování procházej íc ích páketu • ve spolupráci s vrstvou dátoveho spoje mápuje ádresy sítove vrstvy ná fyzicke ádresy (MAC ádresy) □ dálsí sluzby: multicást Eva Hladkía (FI MU) Podzim 2010 44 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Sítová vrstva - Služby o Propojování fyzických sítí (Internetworking) o iluze uniformního prostředí jediné velké sítě o Tvorba paketů (Packetizing) o přijate segmenty transformovány na pakety (IP protokol) o Fragmentace paketů (Fragmenting) o rozdelovaní segmentU na pakety s delkou zavislou na vlastnostech/schopnostech síte o Adresace (Addressing) • adresy entit sítove vrstvy - tzv. IP adresy, jedineCne skrze celou síť o pakety obsahují zdrojovou a cílovou IP adresu komunikujících entit • Mapování IP adres na/z fyzické adresy (Address Resolution) o ARP, RARP protokoly o Směrovaní (Routing) o nalezení nejvhodnejsí cesty mezi komunikujícími entitami, reakce na chyby o Metody zakladního monitoringu stavu site (Control Messaging) o zakladní informace o nedorucitelnosti paketu, stavu síte, uzlu, atp. -ICMP protokol Eva Hladká (FIMU) 1. Počítačové síte Podzim 2010 45 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Sítová vrstva - Služby Propojování sítí (Internetworking) o vzájemné propojován í celých s it í i jednotlivých kabelových segmentů (hierarchie) o propojen ím vzniká tzv. internetwork, zkrácene internet o internet = jakekoliv propojen i dvoů ci více s it í o Internet = jmeno jedne konkretn í síte (celosvetoveho Internetů) o důvodý pro internetworking: o překonán í technických omezen í/překázek - např. omezený dosah kabelových segmentů o optimalizace fungován í s íte - snaha regůlovat tok dat, zamezen í zbýtecneho sířen í provozů o zpř ístůpnen í vzdálených zdrojů - prístůp ke vzdáleným serverům o zvetsen í dosahů poskýtovaných slůzeb - elektronická posta, internetove telefonován í, ... Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 46 / 59 TCP/IP Model L3 - Sítova vrstva Sítová vrstva - Internetworking Modely zajisten í s ítovych sluzeb Circuit switching Switching Packet witching Virtual circuit Datagram approach approach o prep ínán í okruhu (Circuit Switching): o ustaven í prímeho fyzického spojen í _T mezi odes ílatelem a příjemcem [ o bez potřeby paketizace o vrstva L1, vyuzito ve spojovaných s ít ích o spojovaná (connection-oriented) sluzba o přep ínan í paketu (Packet Switching): o zas ílan í nezavislych datových jednotek (paketu) • virtuální kanály (Virtual Circuits Approach): o na zacatku přenosu ustavena cesta (implementovano na L2/L3) o vsechny pakety jedne relace putuj í po stejne trase o spojovana (connection-oriented) sluzba o datagramovy prístup (Datagram Approach): o kazdy paket obsluhovan zcela nezavisle na ostatn ích o nespojovana (connectionless) sluzba pakety jsou zde nazyvany datagramy o Internet Eva Hladkía (FI MU) 1. Pocítacove sítě Podzim 2010 47 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Sítová vrstva - Internetworking Datagramový přístup Obrázek: Ilustrace datagramového přístupu k přepínání paketů. Eva Hladká (FIMU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 48 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Internet Protocol (IP protokol) nejrozs írenejs í protokol s ítove vrstvý o doprava dat (datagramu) na m ísto jejich urcen í, a to i pres mezilehle uzlý (smerovace) - host-to-host delivery o uzly/rozhran í v ramci IP protokolu jednoznačně identifikovány IP adresami o vyuZ íva datagramovy přístup k prep ínan í paketu, komunikace je nespojovaná o == smerovan í (příst í prednaSka) o poskytuje nespolehlivou (tzv. best-effort) sluzbu o doplnen dalsími podpurnými protokoly (ICMP, ARP, RARP, IGMP) o oSetren í nestandardn ích situací, Síren í informací potrebných ke korektn ímu smerovan í, identifikace rozhran í na LAN atd. navrřen a standardizovan ve dvou verz ích: o Internet Protocol verze 4 (IPv4) - 1981, RFC 791 o Internet Protocol verze 6 (IPv6) - 1998, RFC 2460 Eva Hladká (FI MU) 1. Počítačové site 49 / 59 Podzim 2010 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv4 - Adresace o požadavek jednoznačné identifikace každého zařízení připojeného k Internetu • nutnost systematického přidělované adres o za učelem snadnejSího smerovan í o každemu zař ízen í/rozhran í přiřazena Internetová adresa (IP adresa) o IPv4 adresa (32 bitu) vs. IPv6 adresa (128 bitu) 10000000 00001011 00000011 00011111 128.11.3.31 Eva Hladká (FI MU) 1. Počítačové síte Podzim 2010 50 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva • Individuální (unicast) adresy - identifikace jednoho síťového rozhran í o identifikace jediného odes ílatele/príjemce o Broadcast adresy - slouZ í pro zas íian í dat vSem moZným příjemcům na dane LAN („all-hosts broadcast") o zdrojova adresa datagramu (identifikace odesílatele) je unicastova o Skupinové (multicast) adresy - slouZ í pro adresovan í skupiny příjemců (sítových rozhran í), kteří o data projevili zájem o data smerovaci rozesílana vsem clenum skupiny o zdrojova adresa datagramu (identifikace odesílatele) je unicastova Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 51 / 59 TCP/IP Model L3 - Sftova vrstva IPv4 - Fragmentace datagramU o situace: o zdrojovy uzel čhče odeslat datagram, ktery je vetsí nez MTU vystupn í linky o smerovač prijme datagram, ktery je vets í nez MTU vystupn í linky o řešení: proveden í tzv. fragmentace IP datagramu o puvodn í datagram je rozdelen na nekolik mensíčh datagramu (tzv. fragmenty) o kazdy fragment z íska svou vlastn í IP hlavičku (= stane se z nej novy, plnohodnotny datagram) o fragmenty na čílovem uzlu slozeny do puvodn ího datagramu (pred předan ím transportn ímu protokolu) o slozen í fragmentu do puvodn ího datagramu vyzaduje: o identifikači datagramu, kteremu fragmenty nalez í o znalost počtu fragmentu o znalost poziče kazdeho fragmentu v puvodn ím datagramu Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 52 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv4 - Internet Control Message Protocol (ICMP) o IP protokol poskytuje nespolehlivou (best-effort) službu o bež mechanismu pro informování odesílatele o vzniklých chybách • bež podpurnych mechanismu pro žjistování stavu síte o Internet Control Message Protocol (ICMP) o RFC 792 doprovodníy protokol IP protokolu • poskytuje informace o chybách při přenosu IP datagramu o poskytuje žakladní informace o stavu síte o napr. o ožnamy o chybach: • Destination unreachable - ..Destination" může být protokol, port, uzel nebo cela sít o Time exceeded - informace o výprSení TTL Ci informace o výprSení Casu pro znovusložení fragmentů IP datagramu o dotažy na stav síte/užlu: • Echo request/reply - požadavek na odpoved' Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 53 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IP protokol verze 6 (IPv6) - Proc nový protokol? o hlavní impulz pro návrh nového IP protokolu: relativně rychle vyčerpávání adresního prostoru IPv4 protokolu o dalSí dUvody: problemy IPv4, ktere vyvstaly s rozvojem Internetu, zejmena o slaba podpora prenosU aplikací realneho času o Zadna podpora zabezpečené komunikace na urovni IP □ zadna podpora autokonfigurace zařízení o zadna podpora mobility o atp. o (mnoho vlastností do IPv4 zpetne doimplementovano) Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 54 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IP protokol verze 6 (IPv6) - Vlastnosti o rozšířený adresní prostor - 128-bitova IPv6 adresa, 2128 jedinečných adres • jednodušší formát hlavičky - zakladn í 40B hlavička obsahuj íc í pouze nejnutnejS í informace o možnosti dalšího rozšíření - skrze tzv. rozšiřující hlavičky o podpora prenosU reálného času - značkovan í tokU, prioritizace provozu o podpora zabezpečení přenosu - podpora autentizace, sifrovan í a verifikace integrity prenasených dat o podpora mobility - skrze tzv. domačí agentý o podpora autokonfigurače zarízení- stavova a bezstavova konfigurace Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 55 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv6 - Adresace o adresy vyuzívane protokolem IPv6 (viz dale) o (prozatím) finalníresení nedostatku IP adres • IPv6 adresa ma 128 bitu (= 16 bajtu): o 2128 moznych adres (« 3 x 1038 adres == ~ 5 x 1028 adres na kazdeho obyvatele Zeme) o hexadecimalní zapis místo dekadickeho (po dvojicích bajtu oddelených znakem „:") Eva Hladká (FI MU) 1. Počítačové síťe Podzim 2010 56 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Úvodn í nuly lze ze zápisu každé skupiny vynechat: o 0074 lze psát jako 74, 000F jako F, ... o 3210 nelze zkracovat! Sekvenci po sobe jdouc ích nulových skupin lze vynechat: o vzdy vsak pouze jednu sekvenci takovýchto nulových skupin! Abbreviated i fdec : o; o; o; o; bbff : o: ffff i fdec I ; bbff '. 0 '. ffff More Abbreviated 1. Počítačové sítě Podzim 2010 57 / 59 TCP/IP Model L3 - Sftova vrstva o Individuální (unicast) adresy - totez čo v IPv4, identifikače jednoho sítoveho rozhran í o Skupinové (multicast) adresy - totez čo v IPv4, slouz í pro adresovan í skupin poč ítaču či jinyčh sítovyčh zarízen í o data jsou vzdy doručena vsem členum skupiny o prefix ff00::/8 o Výběrové (anycast) adresy - novinka v IPv6 o take označuj í skupinu príjemču o data se vsak doruč í jen jedinemu jej ímu členovi (tomu, ktery je nejbl íze) o broadčast adresy IPv4 protokolu se v IPv6 nevyuzívaj í o nahrazeny spečialn ími multičastovymi skupinami (napr. vsečhny uzly na dane linče) Eva Hladka (FI MU) Podzim 2010 58 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv6 - ICMP protokol verze 6 o ICMP protokol verze 6 (ICMPv6) o založen na stejných principech/mechanismech jako ICMPv4 o navíc zahrnuje funkcionalitu protokol u ARP a IGMP o s využit ím Neighbour Discovery protokolu operuj íc ím nad ICMPv6 Eva Hladká (FI MU) Podzim 2010 59 / 59