Sieci komputerowe. Dr inż. Robert Banasiak. Sieci Komputerowe 2011/2012 Studia niestacjonarne

Transkrypt

1 Sieci komputerowe Dr inż. Robert Banasiak Sieci Komputerowe 2011/2012 Studia niestacjonarne 1

2 Sieci komputerowe Informacje: Godziny przyjęć: po poprzednim umówieniu się w ramach zjazdów parzystych! rbanasi@gmail.com Zaliczenie przedmiotu Egzamin (test z wiedzy teoretycznej) Laboratorium (test z wiedzy praktycznej) 2

3 Literatura Sieci komputerowe. Księga eksperta, Mark Sportack, Wydawnictwo Helion: 04/1999 Sieci komputerowe. Kompendium, Karol Krysiak, Wydawnictwo Helion: 02/2003 Sieci komputerowe w domu i w biurze. Biblia, Sue Plumley, Wydawnictwo Helion: 08/2001 3

4 Rys historyczny Sieć komputerowa - zbiór mechanizmów umożliwiających komunikowanie się komputerów znajdujących się w różnych miejscach. Integralnym elementem owej komunikacji jest wzajemne udostępnianie sobie zasobów [Mark A. Sportack]. 4

5 Rys historyczny Rozwój sieci komputerowych: względy merytoryczne - potrzeba informacji, wymiany danych, względy ekonomiczne - współdzielenie sprzętowych zasobów komputerowych. 5

6 Rys historyczny Początkowo w dużych firmach komputeryzacja następowała bardzo powoli. Dopiero pojawienie się aplikacji przeznaczonych dla biznesu spowodowało gwałtowny rozwój komputeryzacji. Początkowo były pojedyncze stacje robocze. Każdy użytkownik miał dostęp tylko do zasobów znajdujących się na jego komputerze 6

7 Rys historyczny Na rynku pojawiło się bardzo wiele różnych standardów sieciowych. Standardy te były wprowadzane przez różne firmy. Były one między sobą niekompatybilne. Pojawiły się problemy z zapewnieniem wymiany informacji pomiędzy sieciami używającymi różnych standardów. 7

8 Rys historyczny 8

9 Rys historyczny 9

10 Pierwsze sieci komputerowe Pierwsze sieci komputerowe to: sieci korporacyjne, zindywidualizowane formy połączeń stanowiące integralną część równie zindywidualizowanych rozwiązań obliczeniowych, brak ujednoliconych standardów, standardowa konfiguracja oparta na terminalach połączonych z kontrolerami urządzeń (mainframe) 10

11 Modele warstwowe sieci komputerowych Ogólnie o modelach komunikacji Model OSI 11

12 Warstwy w analizie przepływu Co przepływa? pojazdy Jakie formy może to przybierać? rower, motor ciężarówka Według jakich zasad? zasady ruchu drogowego Gdzie się ten przepływ odbywa. drogi, autostrady 12

13 Komunikacja pomiędzy ludźmi Myśl Przedstawienie myśli (np. język polski) Przekazanie myśli (mowa) Medium (powietrze) 13

14 Nadawca, odbiorca, pakiet Nadawca Odbiorca 14

15 Nadawca, odbiorca, pakiet Nadawca, źródło jednostka wysyłająca dane. Odbiorca, cel jednostka, do której dane przychodzą. Pakiet danych jednostka informacji, która porusza się pomiędzy systemami nadawcy i odbiorcy. Zawiera dane nadawcy, oraz inne informacje potrzebne do prawidłowego przesłania (np. adres nadawcy i adres odbiorcy). 15

16 Protokoły Aby wymiana danych przebiegła prawidłowo: Nadawca i odbiorca muszą posługiwać się tymi samymi językami (protokołami). Techniczna definicja protokołu: Zbiór zasad określających format i sposób transmisji danych. 16

17 Ewolucja standardów sieci Początkowo panował chaos: mnóstwo rozwiązań, brak jednolitości, kompatybilności. OSI RM (Open Systems Interconnection Reference Model): opracowany w 1984, otwarty zbiór standardów zapewniających kompatybilność, współdziałanie pomiędzy różnymi typami technologii sieciowych. 17

18 Warstwowy model sieci Nadawca Odbiorca Warstwa n Warstwa k Warstwa n Warstwa k Fizyczne medium Protokół warstwy k: Zbiór reguł dzięki którym możliwa jest komunikacja pomiędzy warstwą k nadawcy i k odbiorcy. 18

19 Warstwowy model sieci Protokół: Zestaw reguł rządzących wymianą danych między dwiema jednostkami, obejmujący: Składnia: Format danych, kodowanie, itp. Semantyka: Informacje sterującą, postępowanie w przypadku błędów, itp. Uzależnienia czasowe: Szybkość, kolejność, itp. Warstwa: Zbiór jednostek i dostarczanych przez nie usług. Interfejs: Połączenie między dwiema warstwami. PDU (Protocol Data Units): Dane są przenoszone pomiędzy jednostkami implementującymi warstwę poprzez protokół w postaci tzw. Protocol Data Units. Enkapsulacja: Proces dodawania nagłówków (headers) i/lub bloków końcowych (trailers) w miarę przechodzenia do warstw niższych oraz usuwania ich w miarę przechodzenia do warstw wyższych, nazywamy enkapsulacją (encapsulation). Służy on ukryciu informacji warstwy wyższej przed warstwami niższymi. 19

20 Dlaczego warstwowy model sieci? Dzieli komunikację za pomocą sieci na mniejsze, prostsze elementy Uniezależnia zmiany dokonywane w jednej warstwie od pozostałych, dzięki czemu można szybciej je wykonywać. (Zadanie przypisane każdej warstwie ma charakter autonomiczny i może być implementowane niezależnie) Standaryzuje komponenty sieciowe umożliwiając wielu producentom ich tworzenie. Umożliwia różnym typom sprzętu i oprogramowania prawidłową, wzajemną komunikację. 20

21 Siedmiowarstwowy model OSI application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna 21

22 Warstwa aplikacji warstwa 7 application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna Odpowiedzialna za zarządzanie komunikacją między dwiema aplikacjami. Jest warstwą programów użytkowych, wykorzystujących technologie sieci. Udostępnia usługi sieciowe wykorzystywane w aplikacjach. 22

23 Warstwa prezentacji warstwa 6 application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna Wykonuje ogólne operacje na strukturze danych podlegających wymianie: Szyfrowanie; Kompresję; Konwersja formatów danych i kodów znakowych między różnymi systemami operacyjnymi obsługującymi sesję. Uwzględnia fakt, że systemy operacyjne różnych hostów różnią się pod takimi względami jak: Kody znakowe (np. ASCII, ISO7, ISO5); Struktura plików tekstowych; Struktura folderów, katalogów i plików; Oprogramowanie warstwy prezentacji gwarantuje automatyczną transformację zasobów do standardów obowiązujących w danym systemie. 23

24 Warstwa sesji warstwa 5 application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna Tworzy struktury służące do zarządzania komunikacją tzn.: ustanowieniem, zarządzaniem, zakończeniem sesji (połączenia). 24

25 Warstwa transportowa warstwa 4 application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna Zapewnia niezawodny i przezroczysty transfer danych między punktami końcowymi (hostami). Zapewnia kontrolę transmisji oraz wykrycie błędów transmisji. Jednostką informacji na poziomie warstwy transportowej jest segment. Niezawodność połączenia w warstwie transportowej realizuje się wyłącznie środkami programowymi. 25

26 Warstwa sieciowa warstwa 3 application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna Odpowiada za transmisję bloków informacji poprzez sieć. Określa, jaką drogą przesyłane będą poszczególne jednostki danych (routing). Podstawową jednostką informacji w warstwie sieciowej jest pakiet. Umożliwia uniezależnienie warstw wyższych od transmisji danych, rodzaju technologii komutacji itp. 26

27 Warstwa łącza danych warstwa 2 application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna Podstawową jednostką informacji w warstwie łącza danych jest ramka. Ustala początek i koniec bloków danych (dokonując, jeśli to konieczne, synchronizacji). Wykrywa błędy i w miarę możliwości dokonuje ich korekty, czyli zapewnia kontrolę transmisji poprzez łącze fizyczne. Dzieli się na dwie podwarstwy: LLC - Logical Link Control: Odpowiada za komunikację z warstwami wyższymi. MAC - Media Access Control: Odpowiada za prawidłowe kolekcjonowanie bitów informacji i tworzenie z nich jednostek zwanych ramkami. 27

28 Warstwa fizyczna warstwa 1 application layer warstwa aplikacji presentation layer warstwa prezentacji session layer warstwa sesji transport layer warstwa transportowa network layer warstwa sieciowa data link layer warstwa łącza danych physical layer warstwa fizyczna Zapewnia transmisję ciągu bitów (nie tworzących żadnych struktur) poprzez medium fizyczne (elektryczne, optyczne, mechaniczne, itp.). Na poziomie warstwy fizycznej jednostką informacji jest bit. Określa także: Ustala zasady przyłączania urządzenia do medium fizycznego. Rodzaj złącza mechanicznego. Parametry elektryczne sygnałów. 28

29 Nazwy struktur danych w warstwach modelu OSI dane warstwa aplikacji dane warstwa prezentacji dane warstwa sesji segmenty warstwa transportowa pakiety warstwa sieciowa ramki warstwa łącza danych bity warstwa fizyczna 29

30 Sieci LAN (Local Area Network) Podstawowe urządzenia sieci LAN. Ewolucja urządzeń sieciowych. Podstawy przepływu danych przez sieci LAN. Tworzenie sieci LAN. 30

31 Topologia sieci Topologia określa strukturę sieci. Topologia fizyczna aktualna struktura przewodów i urządzeń sieciowych oraz połączeń pomiędzy nimi. Topologia logiczna sposób dostępu do mediów przez jednostki wysyłające informacje. 31

32 Topologia fizyczna Szyna (Bus) Pierścień (Ring) Gwiazda (Star) Rozszerzona gwiazda (Extended star) Hierarchiczna (Hierarchical) Siatka (Mesh) Komórki (Cells) 32

33 Topologia fizyczna: Szyna (Bus) Pojedyncze, szkieletowe łącze (o długości medium), do którego bezpośrednio wpięte są wszystkie jednostki. Workstation Workstation Workstation Workstation Workstation 33

34 Topologia fizyczna: Pierścień (Ring) Każda jednostka jest połączona z następną a ostatnia z pierwszą. Powstaje w ten sposób fizyczny pierścień. Workstation Token-ring Workstation Workstation 34

35 Topologia fizyczna: Gwiazda (Star) Jednostki są połączone z punktem centralnym sieci. Zwykle jest to koncentrator lub przełącznik. Uszkodzenie węzła centralnego powoduje rozłączenie wszystkich jednostek w sieci. Workstation Workstation Switch Workstation Workstation Workstation 35

36 Topologia fizyczna: Rozszerzona gwiazda (Extended star) Węzły połączone z punktem centralnym są dalej punktami centralnymi kolejnej gwiazdy. Workstation Hub Workstation Workstation Workstation Hub Workstation Switch Workstation Workstation Hub Workstation Workstation 36

37 Topologia fizyczna: Hierarchiczna (Hierarchical): Zbliżona do rozszerzonej gwiazdy, lecz brak jest centralnego punktu zbiorczego - rolę zarządcy pełni jednostka na szczycie, pień, z którego odchodzą gałęzie do kolejnych węzłów. Workstation Workstation Workstation

38 Topologia fizyczna: Siatka (Mesh) Każda jednostka połączona jest bezpośrednio z każdą inną. Stosuje się tylko w rozwiązaniach wymagających absolutnej niezawodności połączenia. Workstation Workstation Workstation Workstation 38

39 Topologia fizyczna: Komórki (Cells) Topologia komórkowa składa się z kulistych lub szesciennych obszarów, z których każdy ma jeden węzeł będący centrum. 39

40 Topologie logiczne Rozgłaszanie (Broadcast) np. Ethernet Każda jednostka wysyła dane do wszystkich jednostek w sieci. Brak mechanizmów ustalania kolejności wysyłania danych przez jednostki. Kto pierwszy ten nadaje. Przechodzący token (Token-passing) np. Token Ring, FDDI Nadaje tylko ta jednostka, która posiada elektroniczny token. Po określonym czasie token musi być przekazany następnej jednostce. 40

41 Urządzenia w sieciach LAN (hosts) Komputery: Serwery; Klienci. Drukarki. Skanery. Inne urządzenia otrzymujące, współdzielące, przesyłające informacje przez sieć. 41

42 Media transmisyjne Kable miedziane: skrętka: nieekranowana (UTP) zasięg 100m ekranowana (STP) zasięg 100m kabel koncentryczny: gruby Ethernet (thick) zasięg 500m cienki Ethernet (thin) zasięg 185m Światłowody: jednomodowe wielomodowe Atmosfera. 42

43 Media transmisyjne Przy wyborze właściwego dla danej sieci medium transmisyjnego należy brać pod uwagę: Długość kabla; Koszty; Łatwość instalacji; Właściwości fizyczne. 43

44 Regenerator (Repeater, Wzmacniak) Aby rozszerzyć zasiąg sieci ponad limit długości kabla, należy zastosować regenerator sygnału. Regenerator pracuje w warstwie pierwszej modelu OSI, gdzie jednostką informacji jest pojedynczy bit. Standardowo regenerator ma jeden port wejściowy i jeden port wyjściowy. Symbol: 44

45 Koncentrator (Hub) Koncentrator to wieloportowy regenerator. Koncentrator pracuje w warstwie pierwszej modelu OSI. Stanowi centralny punkt łączący jednostki w sieci (topologia gwiazdy). Regeneruje otrzymany sygnał i wysyła go na wszystkie porty. Symbol: 45

46 Koncentrator (Hub) Aktywny: Regeneruje otrzymany sygnał i wysyła na wszystkie porty. Pasywny: Nie regeneruje sygnału jedynie przekazuje go na wszystkie porty. Inteligentny: Można za jego pomocą zarządzać ruchem w sieci (programować sposób przekazywania informacji na określone porty). Głupi: Przekazuje otrzymany sygnał na wszystkie porty. 46

47 Karta Sieciowa NIC (Network Interface Card) Komputery stacjonarne (PCI). Komputery przenośne (PCMCIA). NIC pracuje w drugiej warstwie modelu OSI. Kontroluje dostęp jednostki do medium. Posiada unikalny identyfikator MAC. Generalnie rodzaj wtyczki określa rodzaj stosowanego medium. Nie ma standardowego symbolu. 47

48 Most (Bridge) Most pracuje w drugiej warstwie modelu OSI. Łączy dwa segmenty sieci LAN. Główne zadanie: Filtrowanie ruchu tzn. dane przeznaczone dla jednostki znajdującej się w tym samym segmencie co nadawca, nie są przesyłane do drugiego segmentu. Proces ten wykonywany jest poprzez analizę identyfikatora MAC. Standardowo most ma jeden port wejściowy i jeden port wyjściowy. Symbol: 48

49 Przełącznik (Switch) Przełącznik pracuje w drugiej warstwie modelu OSI. Jest to wieloportowy most. Przełącznik analizuje identyfikatory MAC i przesyła odebrane dane tylko na port do którego podłączony jest odbiorca. Powoduje to znacznie mniejsze obciążenie sieci lokalnej patrz koncentrator. Symbol graficzny przełącznika: 49

50 Router Router pracuje w trzeciej warstwie modelu OSI. Podejmuje decyzje o porcie na który zostanie przesłany pakietu na podstawie adresu grupy jednostek (adres sieci część adresu IP) tak aby ścieżka jaką będzie poruszał się pakiet była optymalna. Najważniejsze z urządzeń regulujących ruch w dużych sieciach. Uwaga: Identyfikator MAC warstwy drugiej jest indywidualny dla każdej jednostki. Może łączyć sieci pracujące w różnych technologiach warstwy drugiej np.: Ethernet i Token Ring. Graficzny symbol routera: 50

51 Chmurka (Cloud) Symbol oznaczający sieć: lokalną lub rozległą (także Internet). Ukrywa szczegóły połączeń, zastosowanych urządzeń i technologii na drodze pomiędzy wybranymi jednostkami. Chmurka pracuje w wszystkich warstwach modelu OSI. LAN WAN Internet 51

52 Segment 1. Maksymalna odległość na jaką mogą być przesłane dane korzystając z określonego medium transmisyjnego bez korzystania z regeneratorów sygnału. 2. Samodzielne, wydajne sieci LAN, które stanowią część sieci rozległych. 3. Domeny kolizji. 4. Jednostka danych w warstwie czwartej. 52

53 Podsumowanie Urządzenia warstwy fizycznej (warstwa 1): Regenerator; Koncentrator. Urządzenia warstwy łącza danych (warstwa 2): NIC; Most; Przełącznik. Urządzenia warstwy sieciowej (warstwa 3): Router. Inne: Host (warstwy od 1 do 7); Chmurka (warstwy od 1 do 7). 53

54 Podstawy przepływu danych w sieci Enkapsulacja. Przepływ danych poprzez urządzenia warstwy fizycznej. Przepływ danych poprzez urządzenia warstwy łącza danych. Przepływ danych poprzez urządzenia warstwy sieciowej. Przepływ danych poprzez urządzenia warstw 1-7. Przykład: program ping. 54

55 Przykład program ping ping program wysyłający dane do urządzenie o podanym w linii poleceń adresie IP. Jeśli urządzenia otrzyma dane wysyła informacje zwrotną. Dzięki temu mamy pewność, że połączenie funkcjonuje prawidłowo a odbiorca istnieje i jest aktywny. 55

56 Enkapsulacja Warstwy aplikacji, prezentacji oraz sesji przygotowuj dane do transmisji. Warstwa transportowa dzieli dane na segmenty, dodając w nagłówku informacje umożliwiające odbiorcy poprawne złożenia danych. Warstwa sieciowa tworzy z segmentów pakiety dodając między innymi adresy sieciowe nadawcy i odbiorcy (zazwyczaj adresy IP) 56

57 Enkapsulacja Warstwa łącza danych tworzy ramki dodając nagłówek i ogon. Najważniejszym elementem są adresy MAC nadawcy i odbiorcy. Dokonuje zamiany ramek na ciąg bitów. Warstwa fizyczna przekazuje bity zamieniając je na sygnały optyczne, elektryczne itp. poprzez określone medium fizyczne. 57

58 Przepływ danych przez urządzenia warstwy fizycznej (1) Urządzenia pasywne: wtyczki, gniazda, patch panele, media. Prosty transport bitów poprzez wymienione urządzenia. Urządzenia aktywne: regeneratory, koncentratory, konwertery (transceivers). Otrzymane sygnały są regenerowane (na poziomie bitów) i następnie przesyłane dalej. 58

59 Przepływ danych przez urządzenia warstwy łącza danych (2) Urządzenia warstwy łącza danych: NIC, mosty, przełączniki. Tworzenie i analiza ramek warstwy łącza danych. Najważniejsze pola nagłówka ramki to adresy MAC nadawcy i odbiorcy. 59

60 Przepływ danych przez urządzenia warstwy sieciowej (3) Urządzenia warstwy sieciowej: routery. Analiza i modyfikacja pakietów. Najważniejsze pola nagłówka pakietu to adresy sieciowe nadawcy i odbiorcy (zazwyczaj adresy IP). 60

61 Przepływ danych przez urządzenia warstw 1-7 Urządzenia warstw 1 7: komputery, chmurki. Pełny proces enkapsulacji i dekapsulacji, wykonywany kolejno przez wszystkie warstwy modelu OSI. 61