A hálózatok célja, alkalmazása, alapfogalmak

A hálózatok célja, alkalmazása, alapfogalmak A számítógépek megjelenésekor mindegyik egymástól elkülönülve dolgozott. (Personal Computer) Igény jelentkezik az összekapcsolásra. Ezzel járó előnyök: Erőforrások megosztása Teljesítmény egyenletesebb elosztása Nagyobb megbízhatóság Költségmegtakarítás Adatbázisok elérése több felhasználónak Kommunkációs eszköz

Hálózati struktúrák Azokat a számítógépeket, amelyeket számítógépes rendszerben összekötünk, hosztoknak nevezzük. A gépeket kommunikációs alhálózatok kötik össze, melyek két részből állnak: Az átvitelt biztosító vonal a csatorna (más néven: vonal, áramkör, trönk) Kapcsolóelemek (más néven: IMP Interface Message Processor) Alhálózatok csoportosítása: Két pont közötti (point-to-point) Közös csatornát használó (üzenet szórásos)

Kommunikációs alhálózatok HOSZT HOSZT IMP Csatornák IMP HOSZT HOSZT IMP IMP HOSZT

Két pont közötti csatornával rendelkező alhálózat A két kommunikációs végpontot pl. kábellel kötik össze, és az üzenetek (csomagok) ezen keresztül haladnak. Ha nem a vevőnek szól a csomag, akkor továbbítja egy másik pont-pont összeköttetésen keresztül. A kommunikációban résztvevők csak egymást látják, nem kell címzés. Ha minden állomás minden állomással akar kommunikálni, akkor N*(N-1)2 összeköttetést kell kialakítani. Pl: 5 pont esetében 5*4/2=10 összeköttetés szükséges.

Pont-pont topológiák Csillag Gyűrű Fa Teljes

Üzenetszórásos csatornával rendelkező alhálózatok Egy kommunikációs csatorna van, ezen osztozik az összes számítógép. A küldött csomagokat minden állomás veszi, hogy kinek szól, azt a címzés határozza meg. Lehetséges a csoport címzés, amivel egyszerre több gép szólítható meg. Adatvédelem problémája. Ha egyszerre több gép akar adni, versenyhelyzet alakul ki. Ezt a problémát a közeg-hozzáférési eljárás oldja fel.

Üzenetszórásos topológiák Rádiós Sín (busz) Gyűrű

Hálózati architektúrák A számítógép hálózatok tervezését strukturális módszerrel végzik, a hálózat egyes részeit rétegekbe (layer) szervezik. Ezek mindegyike az előzőre épül. Hálózati kapcsolatnál az egyik gép k.-adik rétege a másik gép ugyanilyen szintű rétegével kommunikál. Minden réteg az alatta elhelyezkedőnek vezérlőinformációkat, és adatokat ad át egészen a legalsó rétegig, ami már a kapcsolatot megvalósító fizikai közeghez kapcsolódik. Egy adott kapcsolatnál a használt szabályok összességét protokolloknak nevezzük.

Általános rétegmodell A gép (hoszt) 4. réteg B gép (hoszt) 4. réteg 3-4 interfész 3. réteg 3 réteg protokoll 3. réteg 2-3 interfész 2. réteg 2 réteg protokoll 2. réteg 1-2 interfész 1. réteg 1 réteg protokoll 1. réteg Fizikai közeg

Rétegek A szomszédos rétegek között egy réteginterfész húzódik, amely az alsóbb rétegek által a felsőnek nyújtott elemi műveleteket, és szabályokat határozza meg. Az egyes rétegek jól definiált funkcióhalmazból állnak, elfedik az alattuk lévő rétegeket a felettük lévőtől. A rétegek és a rétegprotokollok halmazát hálózati arhitektúrának nevezzük.

Az arhitektúra kialakításának szempontjai Rétegenkénti kapcsolat felépítése, lebontása Adatátvitel szabálya (szimplex, fél duplex, duplex) Hibavédelem, hibajelzés Folyamat vezérlés (gyors adó-lassú vevő) Üzenetek darabolása, összerakása, sorrendhelyesség Csomagok keveredése Útvonal választás

Az OSI modell A Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (International Standard Organization ISO) modell ajánlása: az OSI-modell (Open System Interconnect nyílt rendszerek összekapcsolása) A modell 7 rétegből áll, a főbb elvek: Minden réteg feladata jól definiált legyen. A rétegek közti információcsere minimalizálásával kell a rétegek határait megállapítani. Elegendő számú réteg legyen, hogy a különböző feladatok ne kerüljenek feleslegesen egy rétegbe.

Rétegek: Cserélt adategységek: Alkalmazási Alkalmazási protokoll Alkalmazási APDU Megjelenítési Megjelenítési protokoll Megjelenítési PPDU Együttműködési Együttműködési (viszony) protokoll Együttműködési SPDU Szállítási Szállítási protokoll Szállítási TPDU Hálózati Hálózati Hálózati Hálózati csomag Adatkapcsolati Adatk.-i Adatk.-i Adatkapcsolati keret Fizikai Fizikai Fizikai Fizikai bit A gép (hoszt) IMP IMP B gép (hoszt) Hoszt IMP protokoll Belső alhálózat protokoll

A fizikai réteg Itt zajlik a tényleges kommunikáció. Biteket juttat a kommunikációs csatornára. Megoldandó feladat hogy a küldött 1-est 1-nek, a 0-t 0-nak értelmezze a fogadó is. Fizikai közegek, és az információ megjelenési formája igen változó lehet. (pl: elektromos vezeték esetén a rajta lévő feszültség értéke, vagy a feszültség változásának iránya.) Fénykábel, rádióhullám, lézersugár. Meghatározandó, hogy mennyi egy bitidő, valamint egy- vagy kétirányú a kapcsolat, hogyan épüljön fel, illetve szűnjön meg a kapcsolat.

Adatkapcsolati réteg Adatok megbízható továbbításáért felelős. Az adatot adatkeretekké tördeli (data frame), ellátja cím, ellenőrző, és egyéb információkkal. Ezeket sorrendhelyesen továbbítja, majd a vevő által visszaküldött nyugtakereteket feldolgozza. Megoldandó feladatok: Hogyan jelezzük a keretek elejét és végét? Mi történik, ha elveszik egy keret? Mi történik akkor, ha nyugtakeret veszik el? Mi történjen akkor, ha az adó gyorsabb, mint a vevő?

Hálózati réteg A kommunikációs alhálózatok működését vezérli. Nagyobb hálózatok esetén több útvonal is lehetséges. Ezek közül az optimális kiválasztása itt történik meg. Ez az útvonalválasztás (routing). Lehetséges módszerek: Hálózat kialakításakor alakítjuk ki az útvonalakat A kommunikáció kezdetekor választjuk ki az útvonalat Csomagonként döntünk az éppen legoptimálisabb útvonalról.

Szállítási réteg Feladata a hosztok közötti átvitel megvalósítása. A két kommunikáló hoszt elől eltakarja, hogy a kommunikáció esetleg több csomóponton keresztül történik. Így azok úgy látják, mintha pont-pont kapcsolat lenne köztük. Címzések kezelése. Ha nagyobb hálózati sebesség szükséges, akkor több hálózati kapcsolatot is képes igénybe venni, anélkül, hogy a felsőbb rétegek ezt érzékelnék. Kis forgalom esetén pedig egy hálózati összeköttetésen több viszonyréteg kapcsolat lebonyolítható.

Együttműködési réteg Más néven viszony réteg. A gépek viszonyt létesítenek egymással, például bejelentkezés egy távoli operációs rendszerbe, vagy állomány továbbítás két gép között. Az adatfolyamba ellenőrzési pontok kerülnek. Átviteli hiba esetén elegendő az utolsó ellenőrzési ponttól folytatni az átvitelt.

Megjelenítési réteg Feladata az adatok egységes kezelése. Például dátumok, számok (egész, valós, duplaszó ) azonos ábrázolása. ASCII, EBCDIC kódok. További feladatok: Adattömörítés Titkosítás

Alkalmazási réteg Felhasználói kapcsolatok megoldása. Különböző terminálok miatt egy virtuális terminál kialakítása. Fájlok átvitelekor az eltérő névkonvenciók kezelése.

Szolgálatok a rétegek között A rétegek között a kommunikáció szolgálatok segítségével valósul meg. Típusai: Összeköttetéses. A folyamat: kapcsolat felépítése, használata, kapcsolat bontása. (Mint a telefonálás). Az információ átvitel sorrendjét szigorúan az adó határozza meg. Összeköttetés mentes. Az információ a vevő címét is tartalmazó csomagok segítségével kerül átvitelre. (Mint a levélváltás). A megbízhatóságot a vevő az információvétel tényét közlő nyugtával növelheti.

Rétegszolgálatok Összeköttetéses alapú Az üzenetek sorrendje nem változik Pl: telefonálás Összeköttetés mentes Egy később küldött üzenet előbb érkezhet pl: levelezés megbízható Adatot nem veszít nem megbízható Nincs nyugtázás pl:digitális beszéd átvitele megbízható Nyugtázott datagram pl: tértivevény nem megbízható datagram üzenetsorozat Üzenethatárok megmaradnak bájtfolyam Üzenethatárok elvesznek kérdés-felelet szolgálat Pl: adatbázis lekérdezés

A primitívek Egy szolgálatot bizonyos alapműveletek (primitívek) segítségével írhatunk le. Az OSI modellben négy osztálya lehetséges: Kérés: valamilyen tevékenység végrehajtásának kérése Bejelentés: információ adás eseményről Válasz: egy eseményre való válaszadás Megerősítés: a kérést kérő informálása Kérés A hoszt Megerősítés Válasz B hoszt Bejelentés

Példa a primitívek működésére 1. Connect.kérés -hívó összeköttetés létesítését kéri 2. Connect.bejelentés -hívó jelez a hívott félnek 3. Connect.válasz -a hívott fél válasza a hívásra 4. Connect.megerősítés -közli a hívóval, hogy kérését elfogadta-e 5. Data.kérés -hívott az adat küldését kéri 6. Data.bejelentés -hívott az adat érkezését jelzi a hívónak 7. Disconnect.kérés -hívó az összeköttetés bontását kéri 8. Disconnect.bejelentés -hívott jelez a hívónak, hogy elfogadta

Fizikai átviteli jellemzők és módszerek, alapfogalmak A csatornán történő átvitel során az adó megváltoztatja a csatorna fizikai közegének valamilyen tulajdonságát, ami a közegen továbbterjed, és a vevő ezt érzékeli. Az adatátvitel modellje: Forrás Adó Csatorna Vevő Cél Zaj

Sávszélesség Egy adott analóg jel maximális és minimális frekvenciájának különbsége. (Például az emberi beszéd felső frekvenciája 3300 Hz, alsó frekvenciája 300 Hz, így a sávszélessége: 3300-300= 3 KHz.) Digitális hálózatokban az időegység alatt átvitt bitek számát értjük alatta. (bit/sec)

Vonalak megosztása A fizikailag létező vonalakat meg kell különböztetnünk a csatornáktól, amin az információcsere folyik. Általában nem célszerű egy vonalat egy csatorna számára kisajátítani. Ezért több csatornát alakítunk ki egy vonalon. Lehetséges megoldások: Multiplexelés ( frekvenciaosztásos, vagy időosztásos ) Üzenet és csomagkapcsolás Vonalkapcsolás

Multiplexelés frekvenciaosztással Elsősorban távbeszélő állomások széles sávú vonalait használják Időben egyszerre haladnak a vivőfrekvenciára ültetett jelek A vevő oldalon a jeleket szűrőkkel választják szét. 60 64 64 68 60 khz 72 khz 0 4kHz 68 72

Multiplexelés szinkron időosztással A berendezések a nagyobb sávszélességű adatvonalat időben osztják fel több, elemi csatornára. Minden elemi adatcsatorna egy-egy időszeletet kap. A fővonal két végén elhelyezkedő multiplexerek előre meghatározott időben egymással szinkronban működve összekapcsolják az összetartozó be-, ill. kifutó vonalakat, -általában egy bájt vagy bit idejére.

Üzenet és csomagkapcsolás Nincs kiépített út az adó és a vevő között. Az adó az adatblokkot elküldi az első IMP-nek, az a következőnek, egészen a vevőig. (Tárol és továbbít hálózat) Üzenetkapcsolás esetén nincs méret korlátozás, ezért hosszú időre foglalják az IMP-ket, másrészt nagy tároló kapacitást kell biztosítani. Csomagkapcsolt hálózatokban gondoskodni kell a csomagok sorrendhelyes összerakásáról.

Vonalkapcsolás Az ADÓ és a VEVŐ közt fizikai kapcsolat létesül az összeköttetés idejére. Hátránya, hogy jelentős időtartam a kapcsolat felépítése, valamint a vonal kisajátítása Előnye a gyors adatátvitel (kb. 6 msec /1000 km) S A B C K L D E D K B A S Hívás felépítése A hívás teljes ideje Üzenet átvitele bontás

Vezetékes átviteli közegek Csavart érpár Unshielded Twisted Pair (100 Mbitsec, 1Gbit/sec) Shielded Twisted Pair Koax kábel Alapsávú (100 Mbit/sec) Szélessávú (150 Mbit/sec) Üvegszálas kábel többmódusú egymódusú

Vezeték nélküli átviteli közegek Infravörös, lézer Rádióhullám Műholdas átvitel Analóg átvitel Digitális átvitel Átviteli módok

A digitális átvitel A majdnem napjainkig uralkodó analóg átvitel után fokozatosan térnek át a digitális átvitelre. Előnyei: Kicsi a hibaarány, mivel csak két állapotot kell megkülönböztetni: 1, 0 Digitalizálva tetszőleges jel (kép, hang, adat stb ) átvihető Fejlesztésekkel az átviteli sebesség még növelhető Az átvitel során mindig biteket viszünk át, legtöbbször sorban: biztosítani kell az adó és a vevő szinkronizálását.

Digitális jelek kódolása NRZ- Non Return to Zero Nullára vissza nem térő, azaz mindig az a feszültség van a vonalon, amit az ábrázolt bit határoz meg. Ha a bit 1-es, akkor a feszültség H, ha 0, akkor L szintű. +V 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0

RZ Return to Zero Nullára visszatérő. 0 ábrázolásakor L szintű míg 1 ábrázolásakor a bitidő első felében H, második felében L szintre tér vissza a jel. Az 1-esek esetén mindig van jelváltás (szinkronizáció), sok nulla esetén bitbeszúrással kell gondoskodni a szinkronizációról (pl minden 5. 0 után egy 1-es, amit a vevő automatikusan eltávolít) +V 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0

NRZI Non Return to Zero Invertive Nullára nem visszatérő, megszakadásos. A 0 bitnek a nulla szint felel meg. Az 1 bithez nulla, vagy +V tartozik váltakozva attól függően, hogy az előző 1-eshez nulla tartozott, vagy +V. 0 után következő 1 mindig +V +V 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0

Manchester kódolás (PE) Itt a jelátmenet jelképezi a biteket: 0-1 átmenet az 1-et, 1-0 átmenet a 0-át jelöli. Minden bitidőben van átmenet, ezért a szinkronizálás nem okoz problémát. +V 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0

CDP Különbségi Manchester kódolás Itt is van minden bitidőben átmenet, de itt a 0-át az előző bit jelváltás azonos iránya, az 1-est pedig előző bit jelváltás ellentétes iránya jelez. +V 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0

Az átvitel szinkronizálása Az átvitel során, mivel az legtöbbször sorban, bitenként történik, biztosítani kell az adó és a vevő szinkronizmusát. -Szinkron átviteli módszer: Az egyes bitek jellemző időpontjai (pl: kezdete, vége) egy meghatározott alapidőtartam egész számú többszöröse. -Aszinkron átviteli módszer: Start-Stop szinkronjel küldéssel. -Bit szinkronizálás -Karakter szinkronizálás

Aszinkron soros átvitel A számítógép és modem közötti illesztés megvalósítása. Teljes duplex, pont-pont típusú összeköttetés. A szabvány neve: RS-232 C (nemzetközi szabványban CCITT V.24). Itt a számítógép neve: DTE (Data Terminal Equipment adatvégberendezés) a modemé: DCE (Data Circuit- Terminating Equipment adatáramköri végberendezés). DTE DCE DCE DTE RS 232 Telefon hálózat

RS 232C szabvány A szabvány szerint a vezetékrendszer 25 pólusú csatlakozóval történik. Ebből 9 vonalat mindig megvalósítanak. A vonalon a 3V -nál kisebb feszültség bináris 1- et (MARK) jelöl, míg a +3 -nál nagyobb bináris 0- át (SPACE) jelent. A vezeték legfeljebb 15 méter lehet, a maximális átviteli sebesség 20 kbit/s. +25V SPACE Számítógépen a feszültség +-12V +3V 0-3V -25V MARK

A vonalak funkciója A számítógép bekapcsolásakor az aktiválja az Adatterminál kész (Data Terminal Ready) jelet (20) A modem bekapcsolásakor az aktiválja az Adat kész jelet (Data Set Ready) (6) Ha a modem vivőjelet érzékel a telefonvonalon akkor a Vivőérzékelés jelet aktiválja (Carrier Detect) (8) Az Adáskérés (Request to Send) (4) jelzi, hogy a számítógép adatot akar küldeni.

Az Adásra kész (Clear to Send) (5) jelzi, hogy a modem felkészült az adatok fogadására. A adatok adása az Adás (Transmit) (2) vonalon, az adok vétele a Vétel (Recive) (3) történik. Védőföld (1) Adás (TxD) (2) Vétel (RxD) (3) DTE Adáskérés (RTS) (4) Adásra kész (CTS) (5) DCE Adat kész (DSR) (6) Jelföld (7) Vivőérzékelés (8) Adatterminál kész (DTR) (20) Számítógép, vagy terminál MODEM

A szinkronizálást a START és STOP bitek beszúrásával (keretező bitek) oldották meg. Fontos az időegység alatt átvitt információ mennyisége, amit bit/s-ban mérünk. A hibák felderítéséhez paritás bit beszúrása. Stop bitek száma. Egy bájt átvitele: (A = 41H = 01000001) +12V -12V START 1 0 0 0 0 0 1 0 Paritás STOP

Null-modem Két számítógépet összeköthetünk a soros portjukon keresztül is. Mivel nem DTE-DCE típusú az összeköttetés, ezért egy null-modem-nek nevezett eszközzel valósítjuk meg, ami nem más, mint egy keresztbe kötés: az egyik gép adási vonalát a másik gép vételi vonalával kötjük össze. TxD (2) RxD (3) RxD (3) TxD (2) GND (7)

Közeghozzáférési módszerek Véletlenen alapuló CSMA/CD Réselt gyűrű Regiszter beszúrásos gyűrű Osztott Vezérjeles gyűrű (Token ring) Vezérjeles sín CSMA/CA Központosított Lekérdezéses (Polling) Vonalkapcsolásos TDMA

Adatkapcsolati protokollok Feladata: egy összeállított keret átvitele két csomópont között. Mivel a folyamatos bitfolyamban az átküldés hibátlanságát nem tudjuk ellenőrizni, ezért keretekké kell tördelni. Keretek képzése: Karakter számlálással Kezdő és végkarakterek beszúrásával Kezdő és végbitek beszúrásával Kódolás megsértésével

Hibakezelés Hibajavítás, hiba jelzés Hamming távolság CRC

Egyirányú protokollok: Korlátozás nélküli Megáll és vár Összetett protokoll Kétirányú protokollok: Ráültetéses Csúszóablakos Egybites csúszóablakos Visszalépés n-el Szelektív ismétlő Protokollok

Szabvány protokollok CCITT V.41-es ajánlás IBM BISYNC HDLC

Hálózati réteg Feladata: Csomagok eljuttatása a forrástól a célig. Ismernie kell a hálózat topológiáját, és ki kell választania a legoptimálisabb útvonalat. Ha a forrás és a cél eltérő típusú hálózatokban vannak akkor a réteg feladata a különbségből adódó problémák megoldása. Figyelembe kell vennie az összeköttetéses és az összeköttetés mentes kapcsolatok közti különbséget. Az összeköttetéses alapú hálózatoknál az összeköttetést virtuális áramkörnek nevezzük. Az összeköttetés mentes hálózatoknál az áramló csomagokat datagramoknak nevezzük.

Virtuális áramkörök Nem kell minden egyes csomagra forgalomszabályozási döntést hozni, mivel az útvonal az összeköttetés létesítésekor eldől. Minden csomópontnak, aki része az virtuális áramkörnek, fenn kell tartania egy táblázatot, melyben bejegyzi a rajta keresztül haladó virtuális áramkörök jellemzőit (honnan-hova megy). Egy IMP meghibásodása esetén az összes rajta áthaladó virtuális áramkört újra fel kell építeni, és a félbeszakadt üzeneteket újra kell adni.

Összeköttetés mentes hálózat Minden csomag eltérő útvonalon közlekedhet. A csomag tartalmazza mind a forrás, mind a cél teljes címét. A cél címe alapján a megfelelő irányba való továbbküldésért az IMP a felelős. Az IMP meghibásodása esetén csak az éppen rajta továbbított csomagokat kell újra adni.

Összehasonlítás Datagram hálózat Áramkör létesítése Nincs Szükséges Címzés Minden csomagban forrás és célcím Virtuális áramkörös hálózat Rövid, virtuális áramkört azonosító cím Állapotinformáció Az alhálózat nem hordoz Táblázatokban tárolva Forgalomirányítás Csomóponti hibák hatása A csomagok útvonala egymástól független Csak az IMP-ben lévő csomagra A VÁ létesítése meghatározza az útvonalat Az összes IMP-n átmenő VÁ meghal Torlódás vezérlés Nehéz megoldani Könnyű megoldani

Forgalomirányítás (routing) Feladata: a csomagok gyors eljuttatása az egyik csomópontból a másikba, illetve a csomagok útjának kijelölése. Vonalkapcsolt hálózatoknál a hívás felépítésekor eldől Csomagkapcsoltnál: Minden csomagra külön Több csomag ugyanazon az útvonalon A csomópontoknak routing táblákat kell tartalmazniuk, melyben a vele kapcsolatos adatok vannak bejegyezve.

Forgalomirányító algoritmusok Determinisztikus (előre meghatározott): rögzített eljárás, a változó körülmények nem befolyásolják Véletlen forgalomirányító Elárasztásos forgalomirányítás Adaptív (alkalmazkodó): Elszigetelt: minden csomópont hoz döntéseket, de csak helyi információk alapján Elosztott: a csomópontok információt cserélnek, a döntéseket a helyi és a kapott információk alapján hozzák meg Központosított: a csomópontok a helyi információkat egy központnak jelentik, amely válaszul forgalomirányítási utasításokat ad az egyes csomópontok részére

A legrövidebb út meghatározása Nem feltétlenül a fizikailag legrövidebb út a legoptimálisabb is egyben Befolyásoló tényezők: Csomópont átlépések száma Vonal sebesség, minőség Vonalhasználati költség Forgalom: sorbaállási idő, késleltetési idő Az objektív mérték meghatározásához az adott szakaszon teszteket lehet futtatni

Dijkstra módszere A probléma a gráfelmélet segítségével oldható meg: a csomópontok az egyes IMP-k, a csomópontokat összekötő éleket jellemezzük az objektív mértékkel. Minden csomópontot címkével látunk el, amely első tagban tartalmazza az adott csomópont legrövidebb távolságát a forráscsomóponttól. A második tag annak a csomópontnak a neve, amin keresztül valósul meg ez a legrövidebb út. Az algoritmus működése során utakat talál, amik alapján változnak a címkék. Egy címke ideiglenes, vagy állandó lehet, attól függően, hogy az algoritmus felfedezte-e, hogy az valóban a legrövidebb utat valósítja-e meg.

Példa a címkézésre B (2,A) 7 C (9,B) 2 2 3 3 A E (4,B) 2 F (6,E) D(10,H) 6 1 4 2 2 G (6,A) (5,E) H (9,G) (8,F)

Torlódásvezérlés Torlódás: az egyes hálózatrészek túltelítődnek, a várakozási sorok állandóan tele vannak. Szélsőséges esetek: befulladás, holtpont Stratégiák: Pufferek foglalása Csomageldobás Izometrikus torlódásvezérlés Lefojtó csomagok használata