Architektury komunikujících systémů

Definice pojmů

Vrstvená architektura

• Cílem dekompozice problému komunikace na menší, snadněji řešitelné celky.
• Možnost modulární výměny vrstev.

Dělení problému komunikace do vrstev

Komunikace vrstev

Entity vrstev

• Vrstva (pod)systému je tvořena množinou entit, ty (logicky) komunikují s entitami stejnolehlé vrstvy partnerského systému.
• Entity jsou nositelé funkcí vrstvy  a poskytovatelé služeb (a současně i uživatelé služeb nižší vrstvy).
• Funkcí entity je cílená činnost směřující k poskytování své předem specifikované služby.
• Pro vykonávání svých funkcí využívá entita služeb entit v nižší vrstvě.
• Entity jedné vrstvy přímo interagují jen s entitami v sousedních dvou vrstvách (svého systému).

Komunikace mezi vrstvami

Primitiva interakce mezi uživatelem a poskytovatelem služby

• žádost (request) - žádost o službu nižší vrstvy
• potvrzení (confirm) - potvrzení poskytovatele služby o dokončení akcí dříve požadovaných primitivou request.
• oznámení (indication) - oznámení poskytovatele služby o vzniklé situaci vedoucí k potřebě vyvolání určité akce na straně uživatele služby<> <>
• odpověď (response) - reakce uživatele služby potvrzující ukončení akcí iniciovaných předtím poskytovatelem služby primitivou indication
  

Primitiva jsou definována abstraktně, jsou nezávislé na implementaci.

Referenční model ISO OSI
(Open System Interconnection)

• Referenční model OSI-RM je obecný model archtektury propojení otevřených systémů (ISO definovalo jako normu IS 7498 (1984), ITU-T převzala jako X.200)
  
• Cílem bylo poskytnout společnou základnu pro koordinované vypracovávání norem pro propojení systémů (systém je zde zúžen na síťové vybavení).
• Sedmivrstvá architektura modelu, počet vrstev (7) je kompromis dohody.
• Model určuje všeobecně úkoly (funkce) jednotlivých vrstev, služby poskytované vyšší vrstvě a očekávané od vrstvy nižší (jen věcně, ne formálně).

• Při praktickém použití je někdy je implementace vrstvy prázdná, pokud není jejich služeb zapotřebí.
• Vrstva se v konkrétní implementaci často dělí do podvrstev (např. spojová vrstva LAN podle IEEE se dělí na podvrstvy MAC a LLC)
  

Terminologie vrstvové komunikace otevřených systémů:

• Výměna údajů mezi komunikujícími systémy v rámci protokolu se děje pomocí protokolových datových jednotek (PDU-Protocol Data Unit).
• Vrstvový protokol používá PDU, mezivrstvový protokol využívá služební datové jednotky (SDU-Service Data Unit).
• PDU obsahují protokolovou řídící informaci (PCI - Protocol Control Information) (=záhlaví) a uživatelská data.
• Každá vrstva chápe PDU vyšší vrstvy jako data a přidává k nim svou řídící informaci (hlavičku)

Vrstva N+1
------------------------------| IDU |---
                                 |
                     |-----------|      IDU - Interface Data Unit
                     |           |      ICI - Interface Control Information
                     |           |      SDU - Service Data Unit
     | PCI |      | SDU |     | ICI |   PDU - Protocol Data Unit
        \___   _____/                   PCI - Protocol Control Information
            | |
            | |
          | PDU | <---------| ICI |
             |
Vrstva N     |
----------| IDU |------------------------
Vrstva N-1

Implementace vrstvení - enkapsulace

Služby se spojením (connection-oriented)
a bez spojení (connectionless)

Režim komunikace se spojením

• fáze navázání spojení, přenosu dat, ukončení spojení
• možnost dohodnout se na parametrech a volbách spojení
• potřeba identifikace konkrétního spojení
• řízení toku dat při přenosu
• potvrzování přenosu (a příslušné korekční akce) => zvýšení pravděpodobnosti detekce chyb oproti službě poskytované nižší vrstvou

Režim komunikace bez spojení

• pro každou datovou jednotku musí být nižší vrstvě udána adresa příjemce, příp. požadovaná kvalita služby a jiné volby; tyto parametry platí pouze pro přenos dané datové jednotky
• datová jednotka se zasílá (i směruje) bez závislosti na ostatních
• výhoda: datová jednotka může být předána více příjemcům současně
  (skupinové vysílání=multicast, všesměrové vysílání=broadcast)
• nemusí dodržovat pořadí datových jednotek a řešit řízení toku dat

Popis vrstev referenčního modelu OSI

1. Fyzická vrstva (Physical layer)

• podporuje fyzickou komunikaci mezi systémy
• popisuje fyzické, elektrické a logické parametry rozhraní k přenosovému kanálu<>
• aktivace, udržování a deaktivace fyzických spojení pro přenos bitů neboznaček
• dvoubodové nebo vícebodové spojení, full nebo half duplex

• otevření a uzavření fyzického spojení
• řazení bitů nebo značek do sériového proudu
  
• fyzický přenos bitů v určeném pořadí
• oznamování chybových stavů spojové vrstvě

2. Spojová vrstva (Link layer)

• poskytuje jedno nebo více spojení mezi dvěma entitami síťové vrstvy v sousedících systémech
• vytváření, udržování a rušení spojení
• formátování/rozpoznávání rámců
  
• identifikace koncových bodů spojení (entit síťové vrstvy)
• detekce a korekce chyb, oznamování neopravitelných chyb
• řízení toku dat (flow control)

3. Síťová vrstva (Network layer)

• cílem síťové vrstvy je překlenout rozdílné vlastností různých síťových  technologií (spojově i nespojově orientovaných) a dosáhnout univerzální rozhraní služby
  
• zabezpečuje přenos dat obecně mezi nesousedními uzly sítě prostřednictvím mezilehlých zařízení
• obsahuje funkce a protokoly pro přenos po úsecích, směrování, zprostředkování přenosu přes mezilehlé systémy
• jednoznačná adresace systémů v rámci celé sítě
• směrování: při přenosu jednotlivých paketů nebo při vytváření spojení (virtuálního okruhu)
• skrývá topologii sítě (vč. problému směrování) před 4. (transportní) vrstvou
  

4. Transportní vrstva (transport layer)

• poskytuje transparentní, spolehlivý a ekonomický přenos s požadovanou kvalitou mezi dvojicí transportních adres
  
• řeší adresaci transportních entit v rámci zařízení s jednou síťovou adresou (transportní adresy)
  
• služby poskytované vyšším vrstvám nezávisí na implementaci sítě (nestará se o směrování paketů a přepojování okruhů)
• postavena mezi síťovou infrastrukturu a její uživatele = nejnižší vrstva, jejíž entity se nacházejí pouze v koncových systémech (síťové prvky se protokolem transportní vrstvy nezabývají)
•  mezi dvěmi systémy může být několik transportních spojení současně
•  transportní vrstva musí poskytovat službu se spojením

• vytváření, udržování a ukončování transportních spojení (spojově orientovaná služba) nebo přenos bloků-datagramů (služba bez spojení)
• mapovaní transportních adres na síťové
• každé relační entitě přiřazuje transportní vrstva transportní adresu.
• multiplexování a demultiplexování transportních spojení (za použití PDU síťové vrstvy a transportní adresy)
  
• koncová korekce chyb
• koncové řízení toku
• fragmentace a defragmentace zpráv, shlukování krátkých zpráv do delších celků
• dohled nad spojením (např. keepalives)
• přednostní přenos urgentních dat

5. Relační vrstva (session layer)

• zabezpečuje výměnu dat mezi aplikacemi
• organizace a synchronizace dialogu mezi partnerskými entitami presentační vrstvy

• vytvoření a uzavření relačního spojení
• normální a urgentní přenos zprávy
• pozdržený přenos zpráv - zpráva již přenesená spojením se skutečně doručí adresátovi až na pokyn odesílatele
• řízení dialogu (interakce stran) - komunikace jednosměrná, obousměrná střídavá a obousměrná současná
• synchronizace relačního spojení (transakce) - definování synchronizačních bodů, obnovení relačního spojení do stavu definovaného některým synchronizačním bodem
• oznamování neopravitelných stavů vyšší vrstvě

• mapování relačního spojení na transportní spojení
  
• namapování jedné relace na více transportních spojení
• namapování více relací do jednoho transportního spojení
• vytváření a rušení transportního spojení dynamicky během jedné relace
• více následných relací přes jedno transportní spojení
• řízení toku dat v rámci relace
  

6. Prezentační vrstva (Presentation layer)

• cílem sjednotit prezentaci informace, kterou si vyměňují entity v aplikační vrstvě
• sjednocuje (binární) reprezentaci dat (jednotlivých datových typů) a použité datové struktury
• poskytuje mechanismy pro dohodu o syntaxi a mechanismy její pozdější změny

• žádost o vytvoření a zrušení relace
• dohoda o syntaxi (na začátku a možnost pozdějších změn)
  
• přenos zpráv se současnou transformací syntaxe a dat

7. Aplikační vrstva (Application layer)

• přenos zpráv
• identifikace komunikujících partnerů - jmény, adresami, podpisem (+ ověření přípustnosti těchto parametrů)
• zjištění stupně okamžité připravenosti partnera ke komunikaci
• dohoda o mechanismech zabezpečení zpráv
• určení přijatelné kvality služby
• synchronizace aplikací
• výběr režimu dialogu, způsobu jeho zahájení a ukončení
• dohoda o odpovědnosti za korekce chyb a zachování konzistence dat
• dohoda o syntaxi zpráv

Funkce společné více vrstvám

Obvyklé služby duplikované ve více vrstvách

• detekce a korekce chyb
• řízení toku dat
• fragmentace/defragmentace (=segmentace/reassembling)
  

Fragmentace

• Problém neslučitelnosti maximálních délek datových jednotek v jednotlivých vrstvách.
• Datová jednotka vyšší vrstvy proto musí být fragmentována (segmentována) do více protokolových jednotek nižší vrstvy, do jejichž hlavičky musí být uveden údaj pro opětovné seskládání fragmentů (reassembling).
• Výhody: snazší error-control, menší buffery na přijímači
• Nevýhody: větší režie (poměr servisní a uživatelské informace), více času spotřebovaného na větší počet jednotek

Mapování spojení vrstev vyšších do spojení vrstev nižších

1) 1:1

2) multiplexování

• několik spojení vyšší vrstvy do jednoho spojení v nižší vrstvě
• efektivnější využití kanálu
• možnost více paralelních spojení, je-li k dispozici jen jeden kanál

• identifikace datových jednotek jednotlivých toků
• nezávislé řízení toku dat na jednotlivých tocích
• přidávání/rušení spojení vyšší vrstvy do/z multiplexu

3) rozvětvení

• data jednoho spojení vyšší vrstvy rozdělena do několika spojení nižší vrstvy
• možnost zajištění spolehlivosti zvýšením počtu spojení
• možnost využití více spojení s nižší propustností (v součtu dají celkovou požadovanou), je-li to ekonomičtější
• nutnost naplánování způsobu rozvětvení a zpětného obnovení pořadí datových jednotek z více spojení na straně přijímače
• fáze zřizování/rušení dalšího spojení a fáze transportu dat
  

• dynamické alokování/dealokování spojení, volba odpovídajících spojení podle požadavků na kvalitu služby od vyšší vrstvy
• určení optimální délky transportních jednotek

Obvyklé názvy PDU na jednotlivých vrstvách

• aplikační-relační: zprávy (resp. fragmenty zpráv)
• transportní: segmenty, datagramy
• síťová: pakety
• spojová: rámce