. Počítačové site PB002: Základy informačních technologií Eva Hladká Fakulta informatiky Masarykovy univerzity Podzim 2010 Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 1/59 Osnova přednášky O Úvod • Počítačové sítě • Komunikační protokoly • Standardizace 0 Sitové modely • ISO/OSI Model • ISO/OSI vs. TCP/IP Model 0 TCP/IP Model • Ll - Fyzická vrstva • L2 - Vrstva datového spoje • L3 - Sitová vrstva Úvod Počítačové sítě Osnova přednášky O Úvod • Počítačové sítě • Komunikační protokoly • Standardizace Q Síťové modely • ISO/OSI Model • ISO/OSI vs. TCP/IP Model O TCP/IP Model • LI - Fyzická vrstva • L2 - Vrstva datového spoje • L3 - Síťová vrstva Úvod Počítačové sítě Počítačové site Úvod • skupina počítačů a zařízení propojená komunikačními kanály, které napomáhají vzájemné komunikaci mezi uživateli a umožňují jim sdílet dostupné zdroje • mohou být využity k mnoha účelům: • podpora komunikace (různé způsoby - přenos textu, řeči, videa, atd.) • sdílení hardwarových zdrojů • sdílení souborů, dat a informací • sdílení software • základní vlastnosti počítačové sítě: • Vlastní doručení dat (Delivery) - systém musí data doručit správnému příjemci • Správnost doručení (Accuracy) - systém musí data doručit nepoškozená • Včasnost doručení (Timeliness) - systém musí data doručit včas Úvod Počítačové sítě Počítačové site Ideální vs. skutečné sítě Ideální sítě • transparentní pro uživatele/aplikace • pouze tzv. end-to-end vlastnosti • neomezená propustnost • žádné ztráty « žádné zpoždění a rozptyl zpoždění o zachovává pořadí paketů • data nemohou být poškozena Skutečné sítě • mají vnitřní strukturu, která ovlivňuje doručení dat • omezená propustnost • (občas) dochází ke ztrátám dat • (občas) poskytuje variabilní zpoždění a rozptyl zpoždění • (občas) nezachovává pořadí paketů • data mohou být poškozena Úvod Počítačové sítě Počítačové site Požadované vlastnosti • efektivita - efektivní/maximální využití dostupné přenosové kapacity • spravedlivost - stejný přístup ke všem datovým tokům všech uživatelů (se stejnou prioritou) • decentralizovaná správa • rychlá konvergence při adaptaci na nový stav • multiplexing/demultiplexing 9 spolehlivost • řízení toku dat - ochrana proti zahlcení sítě a přijímajícího uzlu Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 6 / 59 Úvod Počítačové sítě Počítačové site Základní přístupy I. • spojované sítě (přepínání okruhů) • mezi komunikujícími uzly je před začátkem přenosu ustaveno spojení (nazýváno též okruh), které je udržováno během celé komunikace • informace o spojení jsou udržovány sítí - síť musí uchovávat stav 9 okruh může být buď pevný (předvytvořené) nebo vytvářen na žádost • jednoduchá (víceméně automatická) implementace kvality služby • např. analogové telefonní sítě • nespojované sítě (přepínání paketů) • pro přenos dat není využita definovaná cesta - data jsou rozdělena do malých částí (nazývány pakety), které jsou odeslány do sítě • pakety mohou být v síti směrovány libovolnými/různými cestami, slučovány či fragmentovány • na přijímající straně jsou z paketů extrahovány příslušné části dat, které jsou následně znovusloženy do původní podoby • není potřeba uchovávat stav v síti • velmi problematická implementace QoS (tzv. best-effort služba) • např. Internet Úvod Počítačové sítě Počítačové site Základní přístupy II. Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 8 / 59 Úvod Komunikační protokoly Komunikační protokoly - Motivace • motivovány potřebou komunikace a domluvy mezi (dvěma či více) • entita = cokoli, co je schopno přijímat a odesílat informace • forma komunikace/domluvy musí být známa všem zúčastněným stranám • musí se domluvit na komunikačním protokolu • analogie z lidského světa: entitami Set http://www.awl.com/kurose-ross time Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 9 / 59 Síťové 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 Síťový protokol definuje formát a pořadí zpráv vyměňovaných mezi dvěma či více komunikujícími entitami, stejně jako akce vykonané při odeslání/příjmu daných zpráv. Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 10 / 59 Úvod Standardizace Standardizace • stanovení norem/standardů popisujících nejrůznější akce, činnosti, formy či způsoby komunikace, atp. (nejen v IT) o hlavní cíle standardizace: • kvalita • bezpečnost • kompatibilita • interoperabilita 9 portabilita • typy standardů: • de facto- technická řešení, která se svým úspěchem na trhu prosadila do té míry, že jsou akceptována většinou výrobců jako příklad hodný následování • de jure- standardy vypracované a schválené oficiálním mezinárodním nebo národním normalizačním orgánem o nejznámější standardizační instituce působící v oblasti IT: • ISO, ITU-T, ANSI, IEEE, IETF (RFCs), IEC, etc. Osnova přednášky Q Uvod • Počítačové sítě • Komunikační protokoly • Standardizace Q Sitové modely • ISO/OSI Model • ISO/OSI vs. TCP/IP Model O TCP/IP Model • Ll - Fyzická vrstva • L2 - Vrstva datového spoje • L3 - Sitová vrstva Síťové modely ISO/OSI Model ISO/OSI Model I. • 7-vrstvý model navržen organizací OSI za účelem zajištění kompatibility a interoperability komunikačních systémů různých výrobců • důvody vrstevnaté architektury: • každá z vrstev je zodpovědná za určitou (definovanou) funkcionalitu • aby mohla požadovanou funkcionalitu zajistit, přidává si do přenášených dat své řídící informace • každá vrstva komunikuje pouze se svými přímo sousedícími vrstvami • každá vrstva využívá služeb poskytovaných vrstvou nižší a poskytuje své služby vrstvě vyšší • funkcionalita je izolována v rámci příslušné vrstvy (pokud dojde ke změně vrstvy, je zapotřebí upravit pouze vrstvy s ní přímo sousedící) • z logického pohledu se komunikace odehrává pouze mezi stejnými vrstvami (tzv. peerý) obou komunikujících stran; ve skutečnosti však zasílaná data prochází všemi nižšími vrstvami • vrstvy jsou pouze abstrakcí funkcionality - skutečné implementace se více či mene lisí 7 vrstev nebylo komunitou široce akceptováno ^> TCP/IP model Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 13 / 59 Síťové modely ISO/OSI Model 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) ■g) J ) Physical Layer transmission media, signals, bit representation Síťové modely ISO/OSI 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 C c TCP / IP Application Layer Transport Layer Internet Layer Network Access Layer Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 15 / 59 Síťové modely ISO/OSI vs. TCP/IP Model TCP/IP model přesýpacích hodin Osnova přednášky Q Uvod • Počítačové sítě • Komunikační protokoly • Standardizace Q Sitové modely • ISO/OSI Model • ISO/OSI vs. TCP/IP Model 0 TCP/IP Model • Ll - Fyzická vrstva • L2 - Vrstva datového spoje • L3 - Sitová vrstva 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 h datJ čeká • představení LI, poskytované služby • analogové/digitální signály • přenos binárních dat - modulace, kódování • přenosová média, multiplexing Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 18 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva z pohledu sítě - kde se pohybujeme? transmission media pouze point-to-point spoje bez možnosti adresace stanic va Hladká f Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 19 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - U vod I. • data mezi komunikujícími uzly přenášeny přenosovým médiem • přenosové médium = pasivní entita, žádná logika řízení • Fyzická vrstva: • poskytuje služby pro vrstvu datového spoje • vrstva datového spoje předává do (získává z) fyzické vrstvy data vyjádřená posloupností 0 a 1, seskupená do rámců • fyzická vrstva transformuje bitový obsah rámců do signálů šířených přenosovým médiem • poskytuje funkcionalitu pro spolupráci s přenosovým médiem • řídí děje v přenosovém médiu; rozhoduje např. o: • vysil á ní/příjmu přenášených dat (signálů) • kódování dat do signálů • počtu logických kanálů přenášejících data z různých zdrojů souběžně Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 20 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - U vod II. • hlavní cíl: zajistit přenos jednotlivých bitů (= obsahu předaných rámců) mezi odesílatelem a příjemcem o zprostředkovává tak logickou cestu, kterou cestují zasílané bity • nejrůznější standardy (RS-232-C, CCITT V.24, CCITT X.21, IEEE 802.x) definující elektrické, mechanické, funkční a procedurální vlastnosti rozhraní pro připojení různých přenosových prostředků a zařízení; například: • parametry přenášených signálů, jejich význam a časový průběh • vzájemné návaznosti řídících a stavových signálů • zapojení konektorů o a mnoho dalšího Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 21 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Signály • data jsou přenosovým médiem přenášeny ve formě (elektromagnetických) signálů • binární data (přenášené bity) musí být na signály transformována • signál = časová funkce reprezentující změny fyzikálních (elektromagnetických) vlastností přenosového média • data určená k přenosu - digitální (binární) • signály šířené přenosovým médiem - analogové nebo digitální • některá média vhodná pro analogový i digitální přenos - drátový vodič (koaxiál, kroucená dvoulinka), optické vlákno • některá média vhodná pouze pro analogový přenos - éter Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 22 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Signály Analogový signál • spojitý v čase (mění se hladce) • lze jej šířit jak vodiči, tak bezdrátovým prostředím • např. hlas, hudba, .. . Analog Signál Time Přenášené bity jsou modulovány na analogový signál (např. amplitudová/frekvenční/fázová modulace). Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 23 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Signály Digitální signál • diskrétní v čase (mění se skokově) • lze jej šířit pouze vodiči • data diskrétní v hodnotách, např. znaky, prvky abecedy, ... Intensity 0 0 time Přenášené bity musí být transformovány do specifického kódování přenášeného digitálním signálem (přímé kódování, NRZ, Manchester, 4B/5B, aj.). • nezbytné pro překonání problému synchronizace vysílače a přijímače Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 24 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Přenosová média • poskytují prostředí pro činnost fyzické vrstvy • základní členění: • voděná média • poskytují fyzický kanál od jednoho zařízení ke druhému • kroucená dvoulinka (LANs, až lOGbps), koaxiální kabel, optické vlákno (páteře, stovky Gbps), atp. • nevoděná média • přenáší elektromagnetické vlnění bez použití fyzického vodiče • signály se šíří éterem (vzduch, vakuum, voda) • rádiové vysílání, mikrovlnné vysílání, infračervené vysílání, atp. • detaily viz PV183: Technologie počítačových sítí Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 25 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Přenosová média Voděná média (a) Optický kabel. (b) Kroucená dvoulinka. (c) Koaxiální kabel. Obrázek: Vybraná voděná přenosová média. TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Multiplexing • multiplexing - technika sdílení dostupné přenosové kapacity přenosového média souběžnými komunikacemi • cílem je efektivnější využití média • uplatněn zejména u optických vláken a bezdrátů m u x 1 link, 4 channels d E m u x • pro analogové signály: • Frequency-Division Multiplexing (FDM) • Wave-Division Multiplexing (WDM) • pro digitálni signály: • Time-Division Multiplexing (TDM) Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 27 / 59 TCP/IP Model LI - Fyzická vrstva Fyzická vrstva - Rekapitulace • zajišťuje přenos jednotlivých bitů mezi odesílatelem a příjemcem • přenášené bity jsou transformovány do signálů šířených přenosovým médiem • pro přenos analogovým signálem je zapotřebí modulace • pro přenos digitálním signálem je zapotřebí transformace kódování • zejména kvůli problémům synchronizace a média mohou být voděná (např. kroucená dvoulinka, optické vlákno) a nevoděná (éter) • každé z nich vhodné pro jiné přenosové prostředí • sdílení média souběžnými přenosy provedeno technikou multiplexingu • další informace: • PB156: Počítačové sítě (doc. Hladká) • PV169: Základy přenosu dat (doc. Staudek) • PV183: Technologie počítačových sítí (dr. Pelikán) 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 Síťová vrstva Výběr cesty a IP (logické adresování) I í Vrstva datového spoje MAC a LLC (fyzické adresování) Fyzická vrstva Přenosová média, signály, přenos binárních dat J Proč nestačí LI? • 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 • představení L2, poskytované služby • detekce a korekce chyb • řízení přístupu k médiu • L2 sítě Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 29 / TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje z pohledu sítě - kde se pohybujeme? • lokální sítě - Local Area Networks (LAN) • přenosové médium sdíleno více stanicemi (nutnost adresace stanic) • tzv. node-to-node delivery Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 30 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Uvod • Vrstva datového spoje: 9 přijímá pakety od síťové vrstvy, které transformuje do rámců • ve spolupráci s fyzickou vrstvou zajišťuje přenos rámců mezi dvěma komunikujícími uzly propojenými (sdíleným) přenosovým médiem • tj. pouze doručení na stejném segmentu (stejné LAN) • zaručuje spolehlivost přenosu mezi těmito uzly • zajišťuje, aby cílový uzel nebyl zahlcován proudícím tokem dat • řídí přístup uzlů ke sdílenému přenosovému médiu Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 31 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Služby • Tvorba rámců (Framing) • pakety přicházející ze síťové vrstvy jsou „baleny" do rámců (frames) • Adresování (Addressing) • adresy entit vrstvy fyzického spoje - fyzické/MAC adresy • rámce obsahují zdrojovou a cílovou fyzickou adresu komunikujících entit • Chybové řízení (Error Control) • chyby ve fyzické vrstvě nelze zcela eliminovat • L2 vrstva zajišťuje požadovanou úroveň spolehlivosti datového spoje (detekce a korekce chyb) • Řízení přístupu k médiu (Medium Access Control - MAC) • nezbytné v prostředí, ve kterém přenosové médium sdílí více entit • eliminuje kolize způsobené násobným vysíláním Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 32 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Služby Tvorba rámců, adresace • příklad Ethernetového rámce: preambule cílová adresa zdrojová adresa Q. -i—1 data CRC • preambule: • identifikace počátku rámce (synchronizační prvek) • adresace: • každá stanice (síťová karta) „jednoznačně" identifikována MAC adresou • např. 01:23:45:67:89:ab Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 33 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Služby Chybové řízení • fyzická vrstva je vždy (s určitou pravděpodobností) předmětem chyb 9 chyba = změna hodnoty bitu • např. optická vlákna cca 10-12, wireless cca 10-5 • vrstva datového spoje provádí detekci/korekci chyb • vysílač přidá bity jejichž hodnota je funkcí přenášených dat • přijímač spočte stejnou funkci a v případě rozdílu hodnoty detekuje (pokusí se opravit) chybu • v případě detekce (nemožnosti opravy) je vyžádáno opakování přenosu • Error Detection, Automatic Request for Retransmission (ARQ) • detekce chyby a zajištění opakování přenosu • vhodné pro málo chybující přenosová média • např. sudá/lichá parita • Forward Error Correction (FEC) • detekce chyb a snaha o jejich korekci (s využitím redundance dat) • vhodné pro často chybující přenosová média či média s velkou latencí • např. Hammingův kód • detaily viz PV169: Základy přenosu dat TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Služby Řízení přístupu k médiu (MAC) o funkcionalita odpovědná za koordinaci přístupu více stanic ke sdílenému přenosovému médiu 9 Cíl: eliminace kolizí (konfliktů) při vysílání • tj. souběžného vysílání do jediného přenosového prostředí o protokoly řízení přístupu: 9 protokoly neřízeného přístupu - Aloha, CSMA/CD, CSMA/CA • protokoly řízeného přístupu - založeny na rezervacích, vyptávání se, tokenech, atp. • protokoly multiplexově-orientovaného přístupu - FDMA, TDMA, atd. Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 35 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě • lokální počítačové sítě (LANs) • systematická topologie pro jednoduché sítě • topologie = fyzické uspořádání stanic na médiu • sběrnice, kruh, hvězda, strom, mesh atp. • rozlehlejší sítě tvořeny vzájemným propojováním jednoduchých topologií • kolizní doména • určena stanicemi sdílejícími přenosové médium • kdykoliv začne v kolizní doméně více stanic vysílat, dojde ke kolizi (znehodnocení signálu nutnost opakování přenosu) Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 36 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě Sběrnicová topologie (bus topology) Cable end r r Drop line Drop line Drop line Tap Tap Cable end Tap • relativně jednoduše instalovatelná • kolizní doména tvořena všemi připojenými stanicemi • CSMA/CD jako protokol řízení přístupu k médiu • náchylná k defektům (výpadek kabelu = výpadek celé sítě) Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 37 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě Kruhová topologie (ring to po logy) 9 všechny zprávy putují v jednom směru • kolizní doména tvořena všemi připojenými stanicemi 9 právo vysílat určuje metoda „peška" • velmi náchylná k defektům (výpadek kabelu/zařízení = výpadek cel sítě) TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě Hvězdicová topologie (star topology) 9 centrální propojovací bod (hub, bridge, switch) « hůře instalovatelná * kolizní doména v závislosti na propojovacím bodu o hub - operuje na LI - kolizní doména tvořena všemi připojenými stanicemi • bridge, switch - operují na L2 - kolizní doména vždy tvořena pouze dvěma sousedícími stanicemi • nepříliš náchylná k defektům (výpadek kabelu = výpadek pouze Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 39 / 59 TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - L2 sítě Ilustrace budování L2 sítí TCP/IP Model L2 - Vrstva datového spoje Vrstva datového spoje - Rekapitulace • zajišťuje přenos rámců mezi dvěma komunikujícími uzly (určeny MAC adresami) propojenými sdíleným přenosovým médiem • se zajištěním spolehlivosti přenosu • s ochranou přijímajícího uzlu proti zahlcení • s řízením přístupu k médiu (MAC protokoly) • L2 sítě (LANs): • sběrnicová, kruhová, hvězdicová topologie • základní stavební prvky pro rozsáhlé sítě: můstky, switche • další informace: • PB156: Počítačové sítě (doc. Hladká) • PV169: Základy přenosu dat (doc. Staudek) • PV183: Technologie počítačových sítí (dr. Pelikán) • grafové algoritmy - PB165: Grafy a sítě (prof. Matýska, doc. Hladká, dr. Rudová) TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Síťová vrstva - Přehled C c ISO / osi Aplikační vrstva Síťové aplikace Prezentační vrstva Reprezentace dat C c c í 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 ) roc nestačí nemožnost vybudování geograficky libovolně rozlehlé sítě neuniformní prostředí Co nás nyní čeká.. • 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) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 42 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Síťová vrstva z pohledu sítě - kde se pohybujeme? J3r • propojování lokálních sítí do větších, komplexních sítí (např. Internet) • možnost ustavení komunikačního kanálu mezi „libovolnými" stanicemi v Internetu • skrze více samostatných fyzických sítí (LANs) • tzv. host-to-host delivery 43 / 59 Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Sítová vrstva - Uvod 9 Síťová vrstva: • poskytuje služby pro transportní vrstvu: 9 přijímá segmenty od transportní vrstvy, které transformuje do paketů • ve spolupráci s vrstvou datového spoje zajišťuje přenos paketů mezi komunikujícími uzly (i mezi různými fyzickými LAN sítěmi) • logicky spojuje samostatné heterogenní LAN sítě • vyšším vrstvám poskytuje iluzi uniformního prostředí jediné velké sítě (WAN - Wide Area Network) • poskytuje možnost jednoznačné identifikace (adresace) každého PC/zařízení na Internetu • zajišťuje směrování procházejících paketů • ve spolupráci s vrstvou datového spoje mapuje adresy síťové vrstvy na fyzické adresy (MAC adresy) • další služby: multicast Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 44 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Síťová vrstva - Služby • Propojování fyzických sítí (Internetworking) • iluze uniformního prostředí jediné velké sítě • Tvorba paketů (Packetizing) • přijaté segmenty transformovány na pakety (IP protokol) • Fragmentace paketů (Fragmenting) • rozdělování segmentů na pakety s délkou závislou na vlastnostech/schopnostech sítě • Adresace (Addressing) • adresy entit síťové vrstvy - tzv. IP adresy, jedinečné skrze celou síť • pakety obsahují zdrojovou a cílovou IP adresu komunikujících entit • Mapování IP adres na/z fyzické adresy (Address Resolution) • ARP, RARP protokoly • Směrování (Routing) • nalezení nejvhodnější cesty mezi komunikujícími entitami, reakce na chyby • Metody základního monitoringu stavu sítě (Control Messaging) • základní informace o nedoručitelnosti paketů, stavu sítě, uzlů, atp. -ICMP protokol Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 45 / TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Síťová vrstva - Služby Propojování sítí (Internetworking) • vzájemné propojování celých sítí i jednotlivých kabelových segmentů (hierarchie) • propojením vzniká tzv. internetwork, zkráceně internet • internet = jakékoliv propojení dvou či více sítí • Internet = jméno jedné konkrétní sítě (celosvětového Internetu) • důvody pro internetworking: • překonání technických omezení/překážek - např. omezený dosah kabelových segmentů • optimalizace fungování sítě - snaha regulovat tok dat, zamezení zbytečného šíření provozu • zpřístupnění vzdálených zdrojů - přístup ke vzdáleným serverům • zvětšení dosahu poskytovaných služeb - elektronická pošta, internetové telefonování, . .. Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 46 / 59 Síťová vrstva - Internetworking Modely zajištění síťových služeb Switching Circuit switching Packet switching Virtual circuit approach Datagram approach přepínání okruhů (Circuit Switching): • ustavení přímého fyzického spojení mezi odesílatelem a příjemcem • bez potřeby paketizace • vrstva LI, využito ve spojovaných sítích • spojovaná (connection-oriented) služba přepínání paketů (Packet Switching): • zasílání nezávislých datových jednotek (paketů) • virtuální kanály (Virtual Circuits Approach): • na začátku přenosu ustavena cesta (implementováno na L2/L3) • všechny pakety jedné relace putují po stejné trase • spojovaná (connection-oriented) služba • datagramový přístup (Datagram Approach): • každý paket obsluhován zcela nezávisle na ostatních • nespojovaná (connectionless) služba • pakety jsou zde nazývány datagramy • Internet Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 47 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Síťová vrstva - Internetworking Datagramový přístup Obrázek: Ilustrace datagramového přístupu k přepínání paketů. Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 48 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva Internet Protocol (IP protokol) a nej rozšírenejší protokol síťové vrstvy • doprava dat (datagramů) na místo jejich určení, a to i přes mezilehlé uzly (směrovače) - host-to-host delivery • uzly/rozhraní v rámci IP protokolu jednoznačně identifikovány IP adresami • využívá data gramový přístup k přepínání paketů, komunikace je nespojovaná 9 =>> směrování (příští přednáška) • poskytuje nespolehlivou (tzv. best-efforť) službu • doplněn dalšími podpůrnými protokoly (ICMP, ARP, RARP, IGMP) • ošetření nestandardních situací, šíření informací potřebných ke korektnímu směrování, identifikace rozhraní na LAN atd. o navržen a standardizován ve dvou verzích: • Internet Protocol verze 4 (IPv4) - 1981, RFC 791 • Internet Protocol verze 6 (IPv6) - 1998, RFC 2460 Eva Hladká (Fl MU) IGMP ICMP IP Network ARP RARP layer Podzim 2010 49 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv4 - Adresace 9 požadavek jednoznačné identifikace každého zařízení připojeného k Internetu • nutnost systematického přidělování adres 9 za účelem snadnějšího směrování • každému zařízení/rozhraní přiřazena Internetová adresa (IP adresa) 9 IPv4 adresa (32 bitů) vs. IPv6 adresa (128 bitů) 10000000 00001011 00000011 00011111 128.11.3.31 Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 50 / 59 IPv4 - Adresace Typy adres TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva • Individuální (unicast) adresy - identifikace jednoho síťového rozhraní • identifikace jediného odesílatele/příjemce • Broadcast adresy - slouží pro zasílání dat všem možným příjemcům na dané LAN („all-hosts broadcast") • zdrojová adresa datagramu (identifikace odesílatele) je unicastová • Skupinové (multicast) adresy - slouží pro adresování skupiny příjemců (síťových rozhraní), kteří o data projevili zájem • data směrovací rozesílána všem členům skupiny • zdrojová adresa datagramu (identifikace odesílatele) je unicastová Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 51 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv4 - Fragmentace datagramů • situace: • zdrojový uzel chce odeslat datagram, který je větší než MTU výstupní linky • směrovač přijme datagram, který je větší než MTU výstupní linky • řešení: provedení tzv. fragmentace IP datagramů • původní datagram je rozdělen na několik menších datagramů (tzv. fragmenty) • každý fragment získá svou vlastní IP hlavičku (= stane se z něj nový, plnohodnotný datagram) • fragmenty na cílovém uzlu složeny do původního datagramů (před předáním transportnímu protokolu) 9 složení fragmentů do původního datagramů vyžaduje: • identifikaci datagramů, kterému fragmenty náleží • znalost počtu fragmentů • znalost pozice každého fragmentu v původním datagramů TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv4 - Internet Control Message Protocol (ICMP) 9 IP protokol poskytuje nespolehlivou (best-effort) službu • bez mechanismů pro informování odesílatele o vzniklých chybách • bez podpůrných mechanismů pro zjišťování stavu sítě • Internet Control Message Protocol (ICMP) • RFC 792 • doprovodný protokol IP protokolu • poskytuje informace o chybách při přenosu IP datagramů • poskytuje základní informace o stavu sítě • např. • oznamy o chybách: • Destination unreachable - „Destination" může být protokol, port, uzel nebo celá síť • Time exceeded - informace o vypršení TTL či informace o vypršení času pro znovusložení fragmentů IP datagramů • dotazy na stav sítě/uzlu: • Echo request/reply - požadavek na odpověď TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IP protokol verze 6 (IPv6) - Proč nový protokol? 9 hlavní impulz pro návrh nového IP protokolu: relativně rychlé vyčerpávání adresního prostoru IPv4 protokolu • další důvody: problémy IPv4, které vyvstaly s rozvojem Internetu, zejména • slabá podpora přenosů aplikací reálného času • žádná podpora zabezpečené komunikace na úrovni IP • žádná podpora autokonfigurace zařízení • žádná podpora mobility 9 atp. • (mnoho vlastností do IPv4 zpětně doimplementováno) Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 54 / 59 TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IP protokol verze 6 (IPv6) - Vlastnosti • rozšírený adresní prostor - 128-bitová IPv6 adresa, 2128 jedinečných adres • jednodušší formát hlavičky - základní 40B hlavička obsahující pouze nejnutnější informace • možnosti dalšího rozšíření- skrze tzv. rozšiřující hlavičky • podpora přenosů reálného času - značkování toků, prioritizace provozu • podpora zabezpečení přenosu - podpora autentizace, šifrování a verifikace integrity přenášených dat • podpora mobility - skrze tzv. domácí agenty 9 podpora autokonfigurace zařízení- stavová a bezstavová konfigurace TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv6 - Adresace 9 adresy využívané protokolem IPv6 (viz dále) • (prozatím) finální řešení nedostatku IP adres • IPv6 adresa má 128 bitů (= 16 bajtů): • 2128 možných adres (^ 3 x 1038 adres ^^ 5 x 1028 adres na každého obyvatele Země) • hexadecimální zápis místo dekadického (po dvojicích bajtů oddělených znakem „:") 128 bits = 16 bytes = 32 hex digits i 1111110111101100 * # * 1111111111111111 7 FDEC ■ ■ BA98 ■ ■ 7654 ■ ■ 3210 ■ ■ ADBF ■ ■ BBFF ■ ■ 2922 ■ ■ FFFF TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv6 - Adresace Zkracování zápisu Úvodní nuly lze ze zápisu každé skupiny vynechat: o 0074 lze psát jako 74, 000F jako F, ... • 3210 nelze zkracovat! Unabbreviated FDEC J BA98 ; 0074 \ 3210 ; 000F ; BBFF ; 0000 \ FFFF 4 FDEC ; BA98 \ 74 ; 3210 \ F ; BBFF ; 0 \ FFFF Abbreviated Sekvenci po sobě jdoucích nulových skupin lze vynechat: • vždy však pouze jednu sekvenci takovýchto nulových skupin Abbreviated fdec; o; o; o; o; bbff : o: ffff fdec;; bbff : o: ffff More Abbreviated IPv6 - Adresace Typy adres • Individuální (unicast) adresy - totéž co v IPv4, identifikace jednoho síťového rozhraní • Skupinové (multicast) adresy - totéž co v IPv4, slouží pro adresování skupin počítačů či jiných síťových zařízení • data jsou vždy doručena všem členům skupiny • prefix f f 00: :/8 • Výběrové (anycast) adresy - novinka v IPv6 • také označují skupinu příjemců 9 data se však doručí jen jedinému jejímu členovi (tomu, který je nejblíže) • broadcast adresy IPv4 protokolu se v IPv6 nevyužívají • nahrazeny speciálními multicastovými skupinami (např. všechny uzly na dané lince) TCP/IP Model L3 - Síťová vrstva IPv6 - ICMP protokol verze 6 • ICMP protokol verze 6 (ICMPv6) • založen na stejných principech/mechanismech jako ICMPv4 • navíc zahrnuje funkcionalitu protokolů ARP a IGMP • s využitím Neighbour Discovery protokolu operujícím nad ICMPv6 IGMP ICMP IPv4 ARP RARP Network layer in version 4 Network layer in version 6 Eva Hladká (Fl MU) 1. Počítačové sítě Podzim 2010 59 / 59