SZÁMÍTÓGÉPES HÁLÓZATOK

SZÉCHENYI ISTVÁN FŐISKOLA SZÁMÍTÓGÉPES HÁLÓZATOK Dr. Farnady László Lektorálta: Dr. Jámbor Attila Győr, 95.

Áttekintés A hálózatszervezés alapelvei Az információ korában élünk, amelyben az emberek gépek segítségével cserélgetik ismereteiket s gyarapítják tudásukat. Az egyre változatosabb s bonyolultabb számítógépek megjelenésével az információt átvivő hálózatok iránt is megnőtt az igény. Ezeknek a rendszereknek a tudományos és műszaki adatok továbbítása mellett különféle egyéb kapcsolatokat is meg kell teremteniük - a szórakoztatástól kezdve egészen a bonyolult számítógépes modellezésig. Adatátviteli sebességük másodpercenként négy karaktertől több milliárd karakterig terjedhet; ez a tartomány a billentyűzetről történő szövegbevitelt, a nagy felbontású röntgendiffrakciós képalkotást és az időjárás minden részletre kiterjedő szuper-számítógépes modellezését egyaránt felöleli. Mindezeken túl a többfunkciós programoknak esetenként párbeszédbe kell elegyedniük más, hasonló programokkal. Előfordulhat például, hogy a szövegszerkesztőt, számolótáblát és számítógépes grafikát futtató felhasználó munkakapcsolatba szeretne lépni egy kollégájával, aki valahol távol hasonló programokat futtat. Hogyan valósítható meg a több megabit nagyságrendű, roppant adatáramlás? Mely struktúrák vannak már meg hozzá, s melyeket kell még eztán létrehozni? Hogyan kell a már létező infrastruktúrát - tehát a hálózatszervezés alapjául szolgáló termékeket, szolgáltatásokat és funkciókat módosítani? Miképpen választhatja ki a felhasználó a számára megfelelő minőségű (sebességű, pontosságú, biztonságú) szolgáltatást? És hogyan fogja ezt a döntését a rendszer végrehajtani? A számítógépes hálózatszervezés területén jelenleg az ilyen kérdések ösztönzik a kutatást és a fejlesztést, amelyet a többszörös alkalmazások kommunikációs támogatása iránti igény még nagyobb próbatétel el állított. Képzeljük csak el, hogy tetszőleges számú gépen futó, meghatározatlan számú programnak kell kommunikálnia egymással, s ráadásul teljességgel önkényes időpontokban! Ahhoz, hogy a hálózatszervezési technológia megfelelhessen ezeknek az igényeknek, valamiképpen meg kell oldani az egyidejű információcserét a számítógépek között. Bizton állíthatjuk, hogy a hálózatszervezés módszertanának fejlődését alapvetően befolyásolta az igények áttevődése a távoli számítógéppel kialakított párbeszédes kapcsolatról a sokkal nehezebben megvalósítható közvetlen gép-gép kapcsolatokra. A nagy kiterjedésű hálózat az adatokat nagy átviteli sebességű vonalakon továbbítja a számítógépek között. Az ugyanazon a gépen futó különböző programok információcsomagjai a számítógépet a hálózathoz csatoló adatátviteli vonalon

multiplex módszerrel egybefoghatók. Ezenkívül az ilyen hálózatok ugyanazt az üzenetet egyszerre több címre is eljuttathatják. A számítógépes kommunikációs protokoll Bármiféle sikeres kommunikáció nélkülözhetetlen előfeltétele a közös nyelv. A számítógépes hálózatok esetében ez azt jelenti, hogy az adatot cserélő programok azonos szabályok alapján kódolják digitális formában az információt, valamint hogy a kommunikációs utakat összehangolják. Ugyan azok a kommunikációs alapszabályok érvényesülnek tehát, mint az emberi érintkezésben. Mi is megállapodhatunk például abban, hogy leveleink továbbítására a postaszolgálatot vesszük igénybe, közös nyelvnek meg az angolt választjuk. A számítógépes kommunikációs protokoll az olyan megállapodások együttesét jelenti, amelyek megszabják, hogy miként cserélődjenek a digitális információk a különböző programok között. Ezek a megállapodások meglehetősen bonyolultak is lehetnek, ezért gyakran hierarchikus rendbe szervezik őket: a legalapvetőbb megállapodások foglalják el a legalacsonyabb szinteket, a bonyolultabb és különleges célú konvenciók pedig feljebb helyezkednek el. A nyelv kiválasztása és a konvenciók rögzítése után a következő feladat minimalizálni azoknak a csatolóknak (interfészeknek) a számát, amelyeken keresztül a számítógépek a hálózatra csatlakoznak. A leghatásosabb a multiplex módszer: mindegyik számítógép a hálózat egyetlen, a többi géppel is összeköttetésben álló, nagy kapacitású adatvonalába küldi be az információt. Az egyes számítógépek adatai címkét kapnak, s így a hálózat minden információt a megfelelő helyre irányíthat. Ideális esetben minden géphez, egy adott gépcsoporthoz vagy egyetlen géphez is eljuttathatja őket. Az ilyen, sokirányú számítógépes kapcsolatrendszert osztott működési módnak is nevezik. E kifejezés ugyanakkor az alkalmazások és protokollok sokaságát takarja. Az osztott működés egyik népszerű válfaja az úgynevezett client-server modell, amelyben az egyik számítógép szolgáltatásait a másik megrendelőként veheti igénybe. Egy vagy több gép tárolhatja például az adatállományokat az összes többi számára, s a hálózat gépei szükség esetén ezektől a szolgáltatóktól (szerverektől) kérhetik le az állományok másolatát. Egy másik gépcsoporttól, mondjuk, lézernyomtató-szolgáltatás igényelhető. Általánosságban pedig egy kijelölt gépcsoporttal lekérdezhető az on-line adatbázisokban őrzött rengeteg információ. A programok közti önálló kommunikáció lehetőségeinek még általánosabb formáját az úgynevezett tudásrobot-programokkal kutatják. Ezek a programok gépről gépre haladnak, s esetleg klónozzák önmagukat. A tudásrobotok a különböző helyeken zajló párhuzamos műveleteket támogatják. Kapcsolatba lépnek egymással, a hálózat különféle szolgáltató egységeivel és a felhasználókkal. A jövőben a számítógépes kommunikáció jórészt abból áll majd, hogy utasításainkat végrehajtandó - az információforrásokat is magában foglaló globális

számítástechnikai hálózatban szétszórt tudásrobotok lépnek kapcsolatba egymással. Vonalkapcsolás vagy csomagkapcsolás Bármely, multiplex módon működő hálózatban kétféle módon továbbítható az információ: vonal- vagy csomagkapcsolással. A vonalkapcsolás, a telefonos összeköttetés jól ismert módszere akkor lehet hasznos, ha két számítógépet azért kell hosszabb időre összekötni, mert sok információt akarunk közöttük átvinni. Ekkor az adatátviteli sebesség általában másodpercenként néhány száz bittől néhány millió bitig terjedhet. A külön e célra készült adatáramkörök másodpercenként közel 45 millió bites sebességgel működhetnek, de egy ilyen rendszer kiépítésének költségeit csak a szinte folyamatos adatátvitel igazolhatja. A VONALKAPCSOLÁS úgy köt össze két számítógépet, hogy egy géptől gépig vezető útvonalat hoz létre az adatáramlás számára. Ez az eljárás, amely tulajdonképpen a telefonbeszélgetések lebonyolítására használatos módszer továbbfejlesztett változata, számottevően leegyszerűsíti az adatátvitelt, viszont nem eléggé hatékony, mert a kapcsolás megteremtése általában tovább tart, mint magának az üzenetnek az átvitele. A vonalkapcsolású rendszereknek van egy komoly hátrányuk is: gyakran nem felelnek meg az olyan alkalmazásokhoz, amikor egy adott gépen párhuzamosan futó programoknak más gépeken futó programokkal kell információt cserélniük. Ilyenkor előfordulhat, hogy újra kell szervezni a számítógépek közötti kapcsolási rendet, ami túl sok időt vesz igénybe. Egy számítás elvégzéséhez a számítógépnek csupán néhány mikroszekundumra vagy még ennél is kevesebb időre van szüksége, ezzel szemben az áramkörök felélesztése és lekapcsolása néhány száz milliszekundumot vagy többet is igénybe vehet, márpedig ennyi idő alatt a gép több ezer számítást végezhetett volna.

A csomagkapcsolás mentes ettől a hátránytól: ezt a módszert kifejezetten az osztott számítási környezetben előforduló, lökésszerű, többfolyamatos adatcserére tervezték. A "feladó" számítógép által létrehozott adatcsomagokat olyan fejléccel látják el, amelynek alapján a feladó és a címzett gép azonosítható. A hálózatot a csomagkapcsolóknak nevezett kis számítógépekből állítják össze. Mindegyik csomagkapcsoló megvizsgálja a fejléceket, majd eldönti, hogy milyen úton küldje tovább a csomagot végső rendeltetési helye felé. A vonalkapcsolású rendszerek, ha már nem győzik a forgalmat, nem hajlandók új adatutakat feléleszteni. A csomagkapcsolású rendszerek viszont különféle késleltetéssel tárolják és továbbítják a csomagokat, és így nem szakítják meg, hanem csak időlegesen lassítják a forgalmat. A csomagkapcsolású rendszereknek van még egy előnyük. A CSOMAGKAPCSOLÁS úgy csökkenti az adatátviteli költségeket, hogy a hálózatba bevitt minden egyes adatcsomaghoz kódokat (eltérő színek) ragaszt. A kódok alapján azonosítható mind a feladó, mind pedig a címzett s nincs szükség a két végállomást összekötő külön kapcsolásra. Ily módon a számos különböző számítógépből származó csomagok akadály nélkül végighaladhatnak a hálózatnak ugyanazon a vonalán. Az Ethernet hálózat A csomagkapcsolású rendszereket számtalan jelátviteli eszközben felhasználják, így például a helyi és nagyvárosi hálózatokban, az integrált szolgáltatású digitális hálózatokban (ISDN), valamint a gigabites sebességgel működő hálózatokban is. Az egyik legelső csomagkapcsolású helyi hálózatot a Xerox cég Palo Alto-i kutatóközpontjában fejlesztették ki az Ethernet rendszert. Az Ethernet hálózatokban a hálózat összes vételi pontján fogható jeleket koaxiális kábelekkel juttatják el 1-2 kilométeres távolságba. E hálózatok sebessége kezdetben 3 millió bit volt másodpercenként, de a korszerű Ethernetek manapság már másodpercenként 10 millió bites sebességgel működnek, s egy bit átvitele alig 100 nanoszekundumba

telik. A koaxiális kábelben az elektromos jelek durván a fénysebesség felével, azaz 150 ezer kilométer/másodperc sebességgel terjednek, következésképpen egyetlen bit 10 mikroszekundum alatt halad keresztül az 1,5 kilométer hosszú hálózaton. Az Ethernet jeladói belehallgatnak a hálózatba, mielőtt adást kezdeményeznének. Ha más adást észlelnek, akkor véletlenszerű ideig várnak, majd újra próbálkoznak. A csatorna megosztásának ezt a módját hordozóérzékeny többszörös hozzáférésnek (carrier-sense multiple access) nevezik. Az Ethernet elrendezés ravasz módon egy átvitel közbeni ütközést vizsgáló tesztet is tartalmaz, így az átvitel kezdetén bekövetkező ütközés leállítja és rövid, véletlenszerűen megválasztott ideig várakoztatja az ütköző adók mindegyikét. Az egyidejű adások káros hatása így a lehető legkisebbre szorítható. Amennyiben a hálózat kiterjedése nem haladja meg az 1,5 kilométert, akkor az ütközések, tehát az egymással versengő adatátvitelek gyorsan felfedezhetők, és nem terhelik fölöslegesen a hálózatot. Nagyobb hálózatokban azonban ennek ellenére jelentősen megszaporodhatnak az ütközések. A vezérjeles gyűrű Az Ethernettel párhuzamosan kifejlesztettek egy másik rendszert is, amely azon az elven alapul, hogy a számítógépeket gyűrűszerűen összekapcsolják, és egy rövid bitsorozatból álló vezérjelet (tokent) küldenek egyik géptől a másikig. A vezérjelet vevő gépnek módjában áll egy vagy több adatcsomagot a hálózatba küldenie, a többieknek viszont meg kell várniuk a vezérjel beérkezését. A vezérjeles token ring hálózatok - amelyek az üzeneteket ugyancsak eljuttathatják az összes számítógéphez vagy egy kiválasztott gépcsoporthoz - általában másodpercenként 4 millió és 16 millió bit közötti adatátviteli sebességgel működnek. Korszerű eljárások Újabban fejlesztették ki a száloptikai átvitelen alapuló adatcsomagos módszereket. Ezek gyorsabbak, és alkalmasabbak a nagyobb, városnyi méretű hálózatokhoz. Az egyik ilyen hálózat az FDDI (fiber distributed data interface), amely másodpercenként 100 millió bites sebességgel működik, és vezérjeles módszerrel osztja fel az optikai szál kapacitását. A rendszer kettős gyűrűbe van szervezve, így az egyik szakasz kiesése esetén hamar helyreállítható a működés. A vezérjeles

hálózatok nagyobb hatósugarúak az összes készüléknek adó Etherneteknél, ám ennek a gyűrűbe való késedelmes bejutás az ára. Arra is ügyelni kell, hogy egyszerre ne legyen egynél több vezérjel a gyűrűben, bár a rendszer némelyik változata ezt is megengedi. A száloptikai hálózattechnológia egyik újabb eredménye a DQDB (distributed queue dual bus) elnevezésű hálózatszervezési módszer. Ebben a rendszerben, amelyet több tíz kilométeres távolságok áthidalására szántak, a csomópontokat két, ellentétes irányú szál köti össze. Az egyes szálak elején egy különleges csomópont üres csomagokat küld a szálba. Az első olyan csomópont, amelynek elküldeni való adata van, megtölti, majd útjára bocsátja az immár teli csomagot. Amikor egy csomópont adatokat küld egy másik csomópontnak, akkor a két szálban áramló csomagok segítségével egy igényjelet küld. Ily módon az adatáramlás mentén feljebb elhelyezkedő csomópontok is megtudják, hogy egy alattuk levő csomópont csomagot akar küldeni, s amikor megjelenik egy üres csomag, akkor azt továbbengedik az igénylőhöz. Így mindegyik csomópont figyeli az átáramló csomagok sorozatát, és megvárja a lefelé irányuló üzenetet. A DQDB-eljárást a Nyugat-ausztráliai Egyetemen fejlesztették ki a nyolcvanas évek második felében, s jelenleg kísérleti vizsgálatokat folytatnak vele az Egyesült Államok helyi kapcsolási központjainál, valamint néhány más ország telefonvállalatainál. Mivel ez a szolgáltatás másodpercenként akár 600 millió bites sebességgel is működhet, ezért elsősorban a nagyvárosi hálózatokban válhat majd be. Egy másik korszerű hálózatszervezési módszer, az úgynevezett Frame Relay a virtuális vonalakkal működő rendszerhez hasonlít, azzal a különbséggel, hogy itt a virtuális vonalakat akkor jelölik ki, amikor az előfizetők bekapcsolódnak a rendszerbe. Miközben a csomagok kapcsolóról kapcsolóra haladnak, nincs hibavizsgálat; ez csak az átvitel elején és végén történik meg, s hiba esetén újra elküldik az üzenetet - ezáltal némileg csökken a késedelem. Ez a 64 ezer és 45 millió bit/másodperc közötti tartományra tervezett módszer a helyi, a nagyvárosi és a nagy területeket átfogó hálózatokban egyaránt jól használható. Az utóbbi tizenöt évben telefonvállalatok kifejlesztettek egy nagy kiterjedésű digitális hírközlési rendszert, amelyben egy nemzetközi gerinchálózaton digitális formájú hang és más adat egyaránt közvetíthető. A korábban már említett ISDN kétféle lehetőséget kínál a digitális közvetítő közeg igénybevételére. Az egyik az alapsebességű csatoló (basic rate interface, BRI), amikor az előfizető két, 64 ezer bit/másodperc adatátviteli sebességgel működő hordozócsatornát, valamint egy 16 ezer bit/másodperc sebességű jelzőcsatornát kap. Az utóbbi csatorna segítségével jelzik a hálózatnak, hogy hová kell kapcsolni az egyes hordozócsatornákat. A másik lehetőség a kiemelt sebességű csatolás (primary rate interface, PRI), amely az 1,5 és 2 millió bit/másodperc közé eső tartományban működik, s 23-30 hordozócsatornát bocsát rendelkezésre. Sajnos ezt a szolgáltatást nem terjesztették el szélesebb körben, és túl nagy kereslet sem mutatkozott iránta. A hűvös fogadtatás egyik oka valószínűleg a következő. A hangátviteli hálózatok úgynevezett modemek (modulátor-demodulátorok) segítségével már hosszabb

ideje felhasználhatók - legfeljebb 200 bit/másodperc sebességű - adatátvitelre is. A modemek ennél a megoldásnál a bináris jeleket modulált hangjelekké alakítják, amelyek azután a hangátviteli hálózatban akárhová eljuttathatók. A 200 és a 64 ezer bit/másodperc között azonban alig háromszoros a sebességkülönbség, ami az ISDN-rendszer különleges csatoló berendezéseinek árát figyelembe véve aligha éri meg a befektetést. Újabb, izgalmas fejlemény a gigabites sebességű hálózatok megjelenése. A néhány milliárd bit/másodperc sebességgel működő helyi hálózatokat ma úgy tervezik, hogy párhuzamos kapcsolatokat létesítenek a számítógépek között. Egy 64 vezetőszálat tartalmazó szalagkábellel például úgy tartható fenn a másodpercenkénti egymilliárd bites adatáramlás, ha minden egyes szál 16 millió bitet visz át másodpercenként. (A 10-20 millió bit/másodperc kapacitású vezetékek ma már szokványosak.) Az utóbbi néhány évben a száloptikai módszerek a laboratóriumokból átkerültek a nagy kiterjedésű kísérleti hálózatokba. Ezeket az adatátviteli és kapcsolási eljárásokat egymilliárd bit/másodperc feletti sebességre tervezték. Ami az adatátvitelt illeti, a Sonet nevű szinkron optikai hálózatban multiplex módon használható az 51 millió és 2,4 milliárd bit/másodperc közötti adatátviteli sebességek hierarchiája. A Sonet-rendszer lehetővé teszi az eltérő sebességgel átvitt adatáramok egyesítését, illetve szétválasztását, mégpedig anélkül, hogy az egyes áramokat előbb elemeikre kellene bontani. Ezt az új átviteli módszert egészíti ki az aszinkron átviteli módú (asynchronous transfer mode, ATM) kapcsolás. Eme gyors csomageljárással "sejtek", azaz rövid csomagok kezelhetők rendkívül nagy sebességgel. Egy sejt legfeljebb negyvennyolc oktettnyi adatot tartalmazhat (egy oktett nyolc bitből áll), amit még öt oktettnyi címzés és ellenőrző információ egészít ki. A sejtek digitalizált hangot, tetszőleges adatot, sőt még digitalizált képi információt is hordozhatnak. Egy széles sávú ISDN (B-ISDN) rendszer részeként vélhetőleg ATM-kapcsolók és Sonet optikai szálas átviteli technológiák lesznek majd a XX. századi telefonhálózat XXI. századbeli utódai. A B-ISDN az összes információs és hírközlési szolgáltatás egyetlen, közös hálózatának ígéretét rejti magában, s mellette már nem lenne szükség külön hang-, kép- és adatátviteli hálózatra. A vezeték nélküli hálózatok A nagy sebességű hálózatok fejlesztésén kívül a kutatók a vezeték nélküli digitális hálózatokon is dolgoznak, amelyek lehetővé fogják tenni, hogy a mozgó munkaállomások is bekapcsolódhassanak a világhálózatba. Már léteznek is olyan vezeték nélküli helyi hálózatok, amelyek egy szobában vagy egy épületen belül másodpercenként 10 megabitet képesek átvinni, s a kísérleti rendszerek még jóval nagyobb sávszélességet ígérnek. A világhálózat vezeték nélküli elemei némileg a cellás telefonhálózatra hasonlítanak majd. A vonaton, hajón vagy kézitáskában szállított számítógépek bárhol képesek lesznek adatokat küldeni és fogadni, de a jelenlegi cellás technológia egyelőre nem alkalmas a vezeték nélküli adatátvitelre.

Először is azért nem, mert a cellás telefonok analóg jeleket sugároznak, s így eleve alkalmatlanok a digitális adatátvitelre. A digitális információt előbb analóg formájúvá kellene alakítani - pontosan úgy, ahogyan a számítógépek jelenleg a modemeken keresztül a hagyományos telefonvonalakra csatlakoznak. Másodszor, a meglevő cellás hálózatok már ma sem képesek kielégíteni a felhasználók összes igényét, az adatforgalmat pedig különösen nem. Az egyes telefoncellák általában néhány kilométer átmérőjűek, s egyszerre mindössze 59 kapcsolást tudnak létesíteni. Néhány tucat cellás modem így könnyen kirekeszthetné az összes többi hívót. Harmadszor, a cellás telefonhálózat számára kijelölt frekvenciákon még a legjobb esetben sem érhető el másodpercenként 100 ezer bitnél nagyobb adatátviteli sebesség, és ez számos lehetséges mobil alkalmazás esetében elégtelen. A mai és a jövőbeli globális hálózatok vezeték nélküli kiegészítőihez új technológiák és komoly tőkebefektetés kell majd, valamint olyan rendeletek, amelyek elegendő helyet biztosítanak az adatátvitelnek az elektromágneses színképtartományban. A VEZETÉK NÉLKÜLI HÁLÓZATOK lehetővé fogják tenni, hogy a mozgó munkaállomások is kapcsolatba léphessenek a világhálózattal. Egy teherautó-vezető egy olyan műholdas rendszert használhat, amely rendszer még menet közben is azonnali kétirányú összeköttetést létesít a vezető és a diszpécserközpont között, és így a vezető terven kívüli rakományok felvételével csökkentheti az "üresjáratokat". A protokollhierarchia elvi struktúrája Talán nem nyilvánvaló, de az eddig ismertetett technológiák hierarchikus rendbe szervezhetők. Egy ilyen elvi alapvetés segít az új számítógépes kommunikációs módszerek megtervezésében. Mivel minden számítógépes kommunikációs rendszer a protokolljain alapul, ezért nem meglepő, hogy ez az elvi struktúra egy protokollhierarchiát jelent. Lentről felfelé haladva az egyes szinteket fizikai, adatkapcsolati, hálózati, átviteli, viszony, megjelenítési és alkalmazási szintnek nevezhetjük. A kommunikáció szintjei Alkalmazási(APPLICATION) Részletes információ a kicserélendő adatokról Megjelenítési(PRESENTATION) Szabályok az adatok megjelenítésére Viszony(SESSION) A programok közötti kapcsolatok kezelése Szállítási(TRANSPORT) A csomagsorozatok leszállítása Hálózati(NETWORK) Az egyes adatcsomagok formátuma Adatkapcsolati(DATALINK) A közvetítő eszközhöz való csatlakozás és annak ellenőrzése

Fizikai(PHYSICAL) Közvetítő eszköz (elektronikus, optikai vagy egyéb) A fizikai szint az adott elektronikai, rádiófrekvenciás vagy optikai átviteli közeggel kapcsolatos, és azzal a móddal, ahogyan az egyes biteket beviszik a közvetítő közegbe. A adatkapcsolati szint határozza meg, hogy a bitsorozatokat milyen módon rendezik csoportokba. A hálózati szint foglalkozik a csomagforgalommal, és általában ez az a legalacsonyabb szint, amelyen a programok kommunikálhatnak. Először az átviteli szinten szabályozható a két végállomás közti adatáramlás és a kommunikáló programok közötti torlódások felügyelete. Némelyik alkalmazás nagy megbízhatóságú, szigorúan sorrendi adatátvitelt igényel. Máskor csak az adatok gyors továbbítására van szükség bizonyos információk akár el is veszhetnek. A hang- és képcsomagok például akkor használhatók, ha minimálisak a késedelmek, és a csomagok beérkezése között csak rövid idő telik el. Az esetleg elkallódó képés hangcsomagok rövid megszakítást okoznak csupán, és ha ezek nem túl gyakoriak, akkor a nézőnek vagy a hallgatónak fel sem tűnik a hiba. Egy számítógép-programot tartalmazó állománynak viszont sértetlenül kell megérkeznie; a pontos és sorrendi átvitel elengedhetetlen. Az átviteli szint feletti rétegek közelebb állnak az alkalmazásokhoz, és gyakran azok igényeit tükrözik. Az egymással kommunikáló programok az viszonyszinten kerülnek kapcsolatba. A kicserélendő információ megjelenítési szabályait a megjelenítési szinten határozzák meg. Az összes eddigi szintet átfogja az alkalmazási szint, mert az alkalmazás a hálózatszervezés minden mozzanatát áthatja a legalacsonyabbtól a legmagasabb szintig. A hálózatok összekapcsolását elsőként a DARPA tanulmányozta a hetvenes évek elején. Azt próbálták kideríteni, miként kell különböző fajta csomagkapcsolású hálózatokat összekötni ahhoz, hogy az azokat használó számítógépek anélkül is kommunikálhassanak egymással, hogy figyelembe vennék, hány és milyen hálózat létesített kapcsolatot. A hálózatok összekötésére és a hálózatok közötti adatforgalom lebonyolítására útválasztóknak (gateway) nevezett különleges processzorokat fejlesztettek ki. A útválasztók feladata a hálózatok sebességében, maximális csomaghosszában és gyakoriságában fennálló különbségek áthidalása is. A hálózatrendszer minden egyes felhasználónak külön címet ad, és meghatároz egy szabványos csomagformátumot. Ha egy számítógép üzenetet akar küldeni, akkor a csomagokat a feladó és a címzett adataival ellátva a hálózat által megkívánt formába alakítja, majd a megfelelő útválasztóhoz irányítja további feldolgozásra, és ez a műveletsor ismétlődik addig, míg a csomagok el nem jutnak végső rendeltetési helyükre. A hálózatrendszerekben számos olyan probléma lép fel, mint a közönséges hálózatokban. A útválasztóknak irányító algoritmusokra van szükségük ahhoz, hogy meghatározhassák a hálózatrendszer lényeges részeinek topológiáját, és eldönthessék, merre kell küldeniük a hálózati csomagokat. Hálózati hiba vagy a

útválasztók működési zavara esetén alkalmazkodni kell a topológia megváltozásához. Az adatáramlás és a torlódások kezelése itt is pontosan olyan kihívást jelent, mint az alacsonyabb szintű hálózatokban. A forrongó korszerű telekommunikációs technika kulcskérdése, hogy miként kellene megváltoztatni az elmúlt tizenöt évben kifejlesztett hálózatrendszerek felépítését ahhoz, hogy alkalmazni tudják a mostanában megjelenő, gigabites sebességű ATM, B-ISDN és Sonet technológiákat is. Szabadalmaztatott hálózatrendszeri eljárást fejlesztett ki már a Xerox cég (Xerox Network System), a Digital Equipment Corporation (DECnet Network Architecture vagy DNA) és az IBM (System Network Architecture és System Network Interconnection). A DARPA kezdeményezésére jött létre az egyik legnagyobb nyílt hálózatrendszer, az Internet, amely sok országban működik, s több mint ötezer hálózatot egyesít magában, felhasználók millióit szolgálva ki a több ezer szervezetnél működő mintegy 300 ezer számítógépen. AZ INTERNET egy hálózatokból felépülő hálózat. Minden alhálózat ragaszkodik egy minimális számú közös megállapodáshoz (protokollhoz), amelyek még akkor is lehetővé teszik az Internethez csatolt számítógépek között az adatátvitelt, ha az egyes hálózatok eltérő adatformátumokat, átviteli sebességeket és különböző alacsony szintű irányító algoritmusokat használnak (az ábrán ezt sematikusan, az adatcsomagok különböző alakjával szemléltettük). Üzemeltetési és biztonsági kérdések Egy kiterjedt és bonyolult számítógép hálózat vagy hálózatrendszer működtetése cseppet sem könnyű vállalkozás. A hálózathoz tartozó készülékek számának növekedésével a rendszer bonyolultsága exponenciálisan nő. A szoftver és hardver hibák, valamint a hírközlési zavarok felderítése és kijavítása rendkívül nehéz. Ezért a hálózatok üzemeltetése várhatóan a kutatás és fejlesztés egyik fő célpontja lesz.

Kritikus kérdés például a rendszer titkossága, mégpedig a rendszer minden szintjén. A távoli források felhasználóit megbízhatóan azonosítani kell, ami többnyire egy jelszóval történik. Sajnos ez a módszer elég gyenge, részben azért, mert a jelszavakat nem jól választják meg (leggyakoribb a családnév, a házastárs neve, a rendszám vagy a születési dátum), részben pedig azért, mert a jelszavak külön védelem nélkül jutnak át a hálózaton, és így megfelelő technikai felszereléssel felderíthető. A titkosság, s különösen a hitelesség iránti igény a protokollhierarchia minden szintjén felmerül. A legmagasabb szinten a felhasználók esetleg biztosítékokat szeretnének kapni arra, hogy az elektronikus posta tényleg a feladóként megjelölt személytől érkezett; a processzoroknak a számlázáshoz tudniuk kell, hogy milyen rendszerek használják a forrásokat, vagy - a hozzáférést ellenőrizendő -, hogy milyen rendszerek próbálnak hozzájutni az információkhoz. Pénzügyletekben elengedhetetlen az üzenetek hamisítás elleni védelme. Mondjuk, valaki biztos szeretne lenni abban, hogy valamely betétet nem irányítottake át titokban egy másik számlára. Az üzleti ügyekben például, ahol besorolják a megrendeléseket, hasznos lenne, ha megnehezítenék a visszaigazolt megrendelések visszautasítását. Alacsonyabb szinteken az átjáróknak és az útválasztóknak tudniuk kell, hogy a vezérlő parancsok illetékes hálózatirányító helyről származnak-e. A hálózatban átvitt információt, például orvosi adatokat vagy elektronikus leveleket olykor bizalmasan kell kezelni. Máskor, például a pénzügyletek, üzleti megrendelések, a hálózatot irányító információk és az elszámolási adatok esetében fontos, hogy az átvitt információ ne változhasson meg. A digitális titkosírás jórészt kielégítheti ezt a sokféle igényt. A hetvenes évek közepén kifejlesztettek egy adatrejtjelzési szabvány (DES - Data Encryption Standard) az olyan üzleti és állami felhasználók számára, akik megelégedtek a nem katonai szintű titkosítással. Ugyanebben az időszakban fejlesztették ki a nyilvános kulcsú titkosírás elvét is. A hagyományos rejtjelzési rendszerekben egyetlen kulcs kódolja és fejti meg a felek üzeneteit. A DES algoritmusa ilyen, hagyományos rendszerű: a kulccsal rendelkező bármely személy titkolózhat és megfejtheti az üzeneteket. Az ilyen rendszereket olykor szimmetrikus kulcsú rendszereknek is nevezik, mivel mindegyik résztvevő ugyanazt a kulcsot használja, és ugyanazzal az algoritmussal kódolják és fejtik meg az üzeneteket. A nyilvános kulcsú rendszereknél ezzel szemben két kulcsot használnak. Az egyik kulccsal rejtjelzett üzenet csak a másik kulccsal dekódolható. Mindegy, melyik kulccsal végeztük a kódolást, a lényeg az, hogy a másikkal kell megfejteni. A rejtjelzésnek ezt a módját aszimmetrikus kulcsnak is nevezik. A nyilvános kulcsú rendszer általában úgy működik, hogy a felhasználó az egyik kulcsot titokban tartja, a másikat pedig nyilvánosságra hozza (innen származik a rendszer elnevezése). Egy titkos üzenet elküldéséhez a címzett nyilvános kulcsával kódolják az információt, amit csak a címzett tud megfejteni, mert ehhez csak a nála levő titkos kulcs használható. A nyilvános kulcsú rejtjelzés egyik érdekes változata a digitális aláírás. Az "aláíráshoz" a feladó saját, titkos kulcsával kódolja az üzenetet, majd elküldi a címzettnek, megjelölve, hogy ki volt a feladó. A címzett megkeresi a

feladó nyilvános kulcsát, és megfejti vele az üzenetet. Ha ez sikerül, akkor a címzett tudja, hogy az üzenet tényleg a megjelölt feladótól jött, hiszen csak annak van birtokában a nyilvános kulccsal összeillő titkos kulcs. A digitális aláírások minden olyan esetben alkalmazhatók (beleértve a hálózat irányítási információcserét is), amikor fontos az üzenet forrásának hitelesítése. Még fontosabb, hogy a módszer lehetővé teszi olyan kereskedelmi ügyletek zavartalan lebonyolítását, amelyek egyébként súlyos visszaélésekre adnának alkalmat. Ez pontosan jellemzi a sok országot átfogó, számtalan programot párhuzamosan futtató, bonyolult hálózatokba kapcsolt számítógéprendszerek helyzetét. A kutatók már kezdik kidolgozni a megoldást e veszély csökkentésére. Ha veszélyben vagyunk, ezt tudjuk is, és egyre hatékonyabb módszereink vannak a rendszervédelemre. A hálózat célja Sok szervezet rendelkezik nagyszámú, egymástól távol eső helyen működő számítógéppel. Ilyen lehet például egy több üzemből álló vállalat, amely minden egyes helyszínen egy leltárt követő, termelékenységet figyelő, valamint fizetési listákat készítő számítógépet üzemeltet. Kezdetben minden számítógép egymástól elkülönülve önállóan dolgozhat, de egyszer csak a vállalat vezetése úgy dönthet, hogy a számítógépeket összeköti annak érdekében, hogy az egyes üzemekben érvényes információk bármikor elérhetők és összehasonlíthatók legyenek. Kissé általánosabb formába öntve a kérdést, itt tulajdonképpen az erőforrásmegosztás elvéről van szó, és a cél az, hogy a hálózatban levő programok, adatok és eszközök - az erőforrások és a felhasználók fizikai helyétől függetlenül - bárki számára elérhetők legyenek. Másképp fogalmazva: ha egy felhasználó történetesen 100 km-re van az általa elérni kívánt adatok fizikai helyétől, akkor pusztán csak ez a tény ne akadályozhassa meg abban, hogy az adatokat ugyanúgy elérhesse mintha helyben lenne. A terhelésmegosztás az erőforrás-megosztás egy másik aspektusa. Egy második cél a nagy megbízhatóság elérése lehet alternatív erőforrások alkalmazásával. Például minden állomány két vagy több gépen is jelen lehet, így ha (például hardverhiba következtében) valamelyik állomány elérhetetlenné válik az egyik gépen, akkor annak másolata egy másik gépen még hozzáférhető marad. Egyszerre több CPU (központi egység) alkalmazása is növelheti a megbízhatóságot. Az egyik CPU leállása esetén ugyanis a többi még átveheti - bár csökkenő teljesítmény mellett - a kiesőre jutó feladatokat így a teljes rendszer még üzemképes maradhat. A működés folyamatos fenntartása - akár hardverhiba ellenére is - kulcsfontosságú a katonai, a banki a légi irányítási, de más egyéb alkalmazások esetén is. Egy újabb cél a pénzmegtakarítás. A kis számítógépek sokkal jobb ár/teljesítmény mutatóval rendelkeznek, mint nagyobb testvéreik. A nagygépek (mainframe) kb. tízszer gyorsabbak, mint az egyetlen csipből álló mikroprocesszorok ugyanakkor kb. ezerszeres az áruk. Ez az aránytalanság arra késztetett sok rendszertervezőt, hogy a rendszereket személyi számítógépekből -

személyenként egy-egy munkaállomásból és egy vagy több állományszolgáltató (file server) gépből építse fel. Ez a cél olyan hálózatok kialakulásához vezetett, amelyek sok, egyetlen épületben elhelyezkedő számítógépet kötnek össze. Az ilyen hálózatokat LAN-oknak (Local Area Network - helyi számítógép-hálózat) nevezzük, ellentétben a WAN-okkal (Wide Area Network - nagy távolságú számítógép-hálózat). Az előzőhöz szorosan kapcsolódó kérdés a rendszerek teljesítményének fokozatos növelése. Lehetséges-e ez újabb processzorok hozzáadásával vagy sem. A nagy központi számítógépek teljesítőképessége felső határának elérésekor csak egyetlen megoldás lehetséges: nagyobbra kell cserélni. Ez nemcsak rendkívül költséges, hanem a felhasználók számára is jelentős kiesést valamint rendszerváltással járó munkát jelent. Egy további, egyáltalán nem technológiai jellegű cél az lehet, hogy egymástól nagy távolságra levő emberek a számítógép-hálózatok révén hatékony kommunikációs eszköz birtokába jussanak, például könnyedén írhatnak egy közös cikket. Amikor az egyik szerző változtat valamit a szövegen, a többiek azt azonnal láthatják, ellentétben a hagyományos levélváltásos munkamódszerrel, ahol egy ilyen mozzanat - a levélváltás gyorsaságától függően akár több napot is igénybe vehet. Egy ilyen felgyorsulás még több csoport közötti együttműködést is lehetővé tesz, ami régebben szinte elképzelhetetlen lett volna. Hosszú távon a számítógép-hálózatok ember-ember közötti kapcsolatteremtő szerepe lényegesebbnek bizonyulhat, mint az előbbiekben felsorolt célok. A számítógép-hálózatok osztályozása a földrajzi kiterjedtség alapján Lokális vagy helyi hálózat (LAN = Local Area Network) Ez a hálózat egy szoros felhasználói kör számítógépeit kapcsolja össze. Voltaképpen működési egység, nem kötelező csak egy épületre, pláne csak néhány szomszédos szobára kiterjednie. Helyi hálózatnak számít egy egyetemi számítógéphálózat (amely több száz, esetleg ezer gépre is kiterjedhet) és egy 3 gépből álló rendszer egyaránt. Technikai megoldásai általában jelentősen különböznek a nagytávolságú hálózatoktól, az adatátviteli szabvány is más. Nagyvárosi hálózat (MAN = metropolitan area network) Ez a hálózat egy nagyváros integrált rendszere. A MAN nagyszámítógépek (host) és LAN-ok összekapcsolásával jön létre. Ez az összekapcsolás valamilyen nagysebességű technológia felhasználásával történik, és a kisebb LAN-ok, sőt a PCk is bérelt vonalakon tartják a kapcsolatot az alaphálózattal. Nagytávolságú hálózat (WAN = wide area network)

Területi egységre, országra, az egész világra kiterjedő nagysebességű hálózat. Manapság már egyre inkább mindig a világméretű hálózatot jelenti, hisz az elkülönült WAN-okat folyamatosan kapcsolják hozzá a meglévő világhálózathoz, legalább is a kutatói szférában. Elkülönült banki, helyfoglalási, üzleti, kormányzati WAN-ok természetesen léteznek. A LAN-ok általában három jellemző vonással rendelkeznek: Kiterjedtségük néhány kilométernél nem nagyobb. A teljes adatátviteli sebesség legalább néhány Mbit/s. Egyetlen szervezet tulajdonában vannak. Ezzel ellentétben a WAN-ok rendszerint országhatárokon ívelnek át, sebességük 1 Mbit/s alatt marad és több szervezet birtokában vannak (a kommunikációs alhálózatokat a közszolgáltatók működtetik, de a hosztokat a felhasználók birtokolják). A LAN-ok és a WAN-ok között helyezkednek el a MAN-ok (Metropolitan Area Network - nagyvárosi hálózatok). Bár a MAN-ok egész városokat átölelő földrajzi kiterjedéssel rendelkeznek, technológiájuk mégis a LAN-okéhoz kötődik. A kábeltelevíziós (CATV) hálózatok az analóg MAN-ok egyik példája. Ezeket televíziós műsorszórásra használják. A minket érdeklő MAN-ok digitálisak és céljuk nem televíziókészülékek, hanem számítógépek összekötése. Néhány MAN azonban átviteli közegként szélessávú koaxiális kábelt használ. A fejezetben tárgyalandó LAN-protokollok túlnyomó többsége MAN-okhoz is használható, így a továbbiakban a MAN-okra nem hivatkozunk. A LAN-ok több szempontból is különböznek nagytávolságú testvéreiktől. A döntő különbség az, hogy a WAN-tervezők valamilyen jogi, gazdasági vagy politikai okból mindig arra kényszerülnek, hogy már létező nyilvános telefonhálózatokra alapozva gondolkozzanak, függetlenül annak technikai alkalmasságától. Ezzel ellentétben a LAN-ok tervezőit senki sem akadályozza meg abban, hogy saját, nagy sávszélességű kábeleiket fektessék le, és az esetek többségében ezt ki is használják.

A számítógép-hálózatok osztályozása a logikai szerep alapján Terminál hálózatok A hálózat központi számítógépből, távoli számítógépekből, terminálvezérlőkből és végberendezésekből áll. A vezérlés központi és a csomópontok lehetőségei korlátozottak. Például az egy domain-t tartalmazó SNA hálózat. Szerver-hálózatok A csomópontoknak két osztálya van: munkaállomások és szerver(ek) amelyek üzenet-átviteli rendszerrel vannak összekapcsolva. A csomópontok függetlenül

vezérelhetőek, a központi szolgáltatás a szerver(ek) feladata. Például egy NetWare PC-hálózat. Nyílt rendszerek Az ide tartozó számítógépek, hardver és szoftver egyezményeken (szabványokon) alapuló, olyan rendszerekhez kötődnek, amelyek kommunikációs vonalakkal vannak összekötve. Ezek a szolgáltatások széles skáláját vehetik igénybe és ugyancsak szolgáltatók lehetnek. Maguk a számítógépek elsődlegesen a feni két osztályba tartozhatnak. Elosztott rendszerek Az elosztott rendszer számítógépekből(node-okból) és a pontokat összekötő kapcsolati rendszerből áll, amely az üzenetcserét hajtja végre. A fontosabb jellemzői: az alkotóelemek sokfélesége több processzor a teljes rendszerre kiterjedő operációs rendszer transzparencia

elosztott vezérlés a kooperatív autonómia elvén Ez egy most formálódó alkalmazási terület.

Architektúra Hálózati struktúrák Minden hálózatban van a számítógépeknek (hoszt) egy olyan halmaza, amelyeknek a felhasználói (azaz alkalmazói) programok futtatása a feladata. A hosztokat kommunikációs alhálózatok (communication subnet), röviden alhálózatok kötik össze. Az alhálózatok feladata a hosztok közötti üzenettovábbítás, csakúgy mint a telefonrendszereknek az emberek közötti beszéd továbbítása. A hálózat felhasználói és tisztán kommunikációs vonatkozásainak szétválasztása nagyban leegyszerűsíti a teljes hálózat tervezését. A legtöbb nagytávolságú hálózatban egy alhálózat két jól elkülöníthető komponensből áll: az átviteli vonalakból és a kapcsolóelemekből. Az átviteli vonalak - amelyeket áramköröknek (circuit), csatornáknak (channels) vagy törzsnek (trunk) is neveznek viszik át a biteket a gépek között. A kapcsolóelemek specializált számítógépek, amelyek két vagy több átviteli vonal kapcsolását végzik el. Amikor adat érkezik egy bemeneti vonalon a kapcsolóelemnek választania kell egy kimeneti vonalat az adatok továbbításához. A kapcsolóelemeket IMP-nek (Interface Message Processors) nevezzük. Az ábrán látható modellben minden hoszt egy vagy több IMP-hez van kötve. Minden hoszttól jövő vagy ahhoz érkező adat a hozzá tartozó IMP-n folyik keresztül. Két nagy csoportra oszthatjuk fel az alhálózatokat: 1. Két pont közötti csatornával rendelkező. 2. Üzenetszórásos csatornával rendelkező.

Az első tipikus alhálózat nagyszámú kábelt vagy bérelt telefonvonalat tartalmaz, amelyek IMP-ket kötnek össze. Azok az IMP-k, amelyek nem közvetlen módon kábellel vagy telefonvonallal vannak összekötve, csak más IMP-k bevonásával kommunikálhatnak egymással. Amikor egy üzenet alhálózati környezetben gyakran csak csomagnak (packet) nevezik - az egyik IMP-től egy másikig közbenső IMP-ken keresztül jut el, akkor az üzeneteket az érintett IMP-k teljes egészében megkapják, és ezt követően mindaddig tárolják, amíg kívánt kimeneti vonal fel nem szabadul, s csak ezután továbbítják az üzenetet. Az ilyen elven működő alhálózatokat két pont közötti(point-to-point), tároló és továbbító (store-and-forward), vagy csomagkapcsolt (packed switched) alhálózatnak nevezzük. Majdnem az összes nagytávolságú hálózat rendelkezik tároló és továbbító alhálózatokkal. Két pont közötti alhálózat alkalmazásakor az IMP-k összekötési topológiája fontos tervezési szempont. Néhány lehetséges két pont közötti alhálózati topológia) csillag; b) gyűrű; c) fa; d) teljes; e) metsző gyűrűk; f) szabálytalan A helyi hálózatok tervezettségüknek köszönhetően, rendszerint szimmetrikus topológiájúak. Ezzel szemben a nagytávolságú hálózatok tipikusan szabálytalan topológiával rendelkeznek. A második típusú kommunikációs architektúra az üzenetszórásos csatornával rendelkező. A helyi hálózatokban az IMP-k egyetlen, a hosztban levő csipbe vannak integrálva, így itt minden hoszthoz mindig csak egy IMP tartozik, ellentétben a nagytávolságú hálózatokkal, ahol rendszerint egy IMP-re több hoszt jut. Az üzenetszórásos alhálózatokban egyetlen kommunikációs csatorna van csak, amelyben az összes hálózatban levő gép közösen osztozik. Az elküldött csomagokat

- függetlenül a feladótól - mindenki veszi. A valódi címzettet a csomagon belül egy címmező jelöli ki. Egy csomag vételekor a gépek ellenőrzik ezt a címmezőt. Ha a csomag másnak szól, az állomás egyszerűen nem veszi figyelembe. Az ábrán néhány lehetséges üzenetszórásos típusú alhálózat látható. A sín topológiájú hálózatokban minden időpillanatban csak egyetlen mesterállomás van, amely adhat a hálózaton. Amíg a mesterállomás ad, addig a többieknek vissza kell fogniuk adási szándékukat. Kell lennie egy olyan absztrakciós mechanizmusnak, amely feloldja azt a versenyhelyzetet, amely két egyidőben adni szándékozó állomás között alakul ki. Ez a mechanizmus lehet központosított vagy elosztott is. Üzenetszórásos kommunikációs alhálózatok a) sín; b) műholdas vagy rádiós; c) gyűrű Az üzenetszórásos rendszerek általában lehetővé teszik, hogy a csomag címmezőjének speciális kódú beállításával minden gép megcímezhető legyen. Az így kitöltött és elküldött csomagot a hálózat összes gépe veszi, ill. feldolgozza. Néhány rendszerben arra is lehetőség nyílik, hogy a gépek csak egy kisebb csoportját címezzük meg. Ez csoportcímzés (multicasting) néven ismert. Egy szokásos módszer az, hogy a legelső bitjükön 1-et tartalmazó címeket csoportcímzésre tartják fenn. A címmező maradék n-1 bitje egy bittérképet alkot, amelyben minden bit az n-1 lehetséges csoport közül az egyikre mutat. A gépek bármelyik, illetve bármennyi csoportot kijelölhetnek. Ha egy csomagban mondjuk az x., y. és z. bit van 1-be állítva, akkor e csomagot minden olyan állomás venni fogja, amelyik az x., y. és z. bitek által kijelölt csoporthoz, vagy csoportokhoz tartoznak. Egy második lehetőség egy műholdas vagy egy földi rádiós rendszer. Minden IMPnek van egy antennája, amelyen keresztül adhat és vehet. Minden IMP hallhatja a műhold felől érkező kimenetet, és néha hallhatják IMP társaik műhold felé irányuló adásait is. A harmadik típusú üzenetszórásos alhálózat a gyűrű. A gyűrűben minden bit a maga útján halad szépen körbe, nem várva a csomagjában még hozzá tartozó maradék részre. Jellemzően a bitek néhány bitkibocsátási idő alatt. körbeérnek, gyakran még mielőtt a teljes csomag kiküldése megtörtént volna. Mint az összes többi üzenetszórásos rendszerben, itt is szükség van valamilyen arbitrációs szabályra az egyidőben jelentkező gyűrű-hozzáférési szándékok feloldására.

Az üzenetszórásos alhálózatokat a csatorna-kiosztási módjuk szerint tovább osztályozhatjuk statikusra és dinamikusra. Egy tipikus statikus kiosztási mód a következő lehet: az időt diszkrét időintervallumokra osztjuk fel, és a szokásos ciklikus multiplexálásos (round robin) ütemezést alkalmazzuk. Így minden gép csak akkor férhet a csatornához és adhat, amikor a saját időintervalluma következik. A statikus kiosztás kihasználatlanul hagyja a csatornakapacitást akkor, amikor egy gépnek nincs adnivalója a számára kiosztott időintervallumban. Néhány rendszer ezért dinamikus (azaz szabad kezdeményezésen alapuló) csatornakiosztást alkalmaz. A dinamikus kiosztás lehet centralizált és decentralizált. A centralizált csatornakiosztási módszerben van egy egység, mondjuk egy sínarbitrációs egység, amelyik eldönti, hogy ki lesz a következő. Ez mehet pl. úgy, hogy kéréseket fogad el, majd azokat néhány belső algoritmussal kiértékeli és dönt. A decentralizált csatornakiosztási módszerekben nincs arbitrációs egység; minden állomásnak magának kell eldöntenie, vajon akar-e és tud-e adni vagy sem. úgy gondolhatnánk, hogy ez káoszhoz vezethet, pedig nem így van. Protokoll-hierarchiák Tervezésük összetettségének csökkentése érdekében a számítógép-hálózatokat rétegekbe (layer) vagy szintekbe (level) szervezik, amelyek mindegyike az azt megelőzőre épül. A rétegek száma, a rétegek neve, az egyes rétegek tartalma és a rétegek funkciója hálózatról-hálózatra változik. Az egyes rétegek célja minden hálózatban az, hogy jól definiált szolgáltatásokat biztosítva a felsőbb rétegek elől eltakarják a nyújtott szolgáltatások megvalósításának részleteit. Az egyik gépen levő n. réteg egy másik gép n. rétegével kommunikál. A kommunikáció során használt szabályok és konvenciók összességét protokollnak (protocol) nevezzük. Az ábrán egy hét rétegből álló hálózatot láthatunk. Azokat a funkcionális egységeket, amelyek a különböző gépeken az egymásnak megfelelő rétegeket magukba foglalják társfolyamatoknak (peer process) nevezzük. Igazából tehát nem a rétegek, hanem a társfolyamatok azok, amelyek a protokollok felhasználásával egymással kommunikálnak.

Rétegek, protokollok és interfészek A valóságban nem az egyik gépen levő n. réteg küldi az adatot a másik gépen levő n. rétegnek. Ehelyett minden egyes réteg adat- és vezérlőinfomációkat ad át az alatta elhelyezkedő rétegnek, egészen a legalsóig. Az 1. réteg alatt a fizikai közeg (physical medium) van. Ezen zajlik a tényleges kommunikáció. Az 1.5 ábrán a virtuális kommunikációt szaggatott, míg a fizikai kommunikációt folyamatos vonal jelöli. A szomszédos rétegpárok között egy interfész (interface) húzódik. Az interfész az alsóbb réteg által a felsőnek nyújtott elemi műveleteket és szolgáltatásokat definiálja. Amikor a hálózattervezők eldöntik, hogy egy hálózat hány rétegből álljon és hogy azok milyen funkciókat foglaljanak magukba, akkor legfontosabb szempontként éppen azt veszik figyelembe, hogy a rétegek között tiszta interfészeket definiálhassanak. Ehhez viszont az kell, hogy az egyes rétegek egyértelműen definiált funkcióhalmazból álljanak. Célszerű továbbá, csökkenteni a rétegek között átadandó információk mennyiségét is. A világos helyen elvágott interfészek egyébként egyszerűbbé teszik egy adott réteg különböző implementációinak cseréjét is (például telefonvonalak cseréje műhold csatornákra), hisz végső soron az új implementációnak csak azt a feltételt kell kielégítenie, hogy pontosan ugyanazt a szolgáltatáshalmazt kell felső szomszédjának biztosítania, mint a régi implementációnak. A rétegek és protokollok halmazát hálózati architektúrának (network architecture) nevezzük. Az architektúra specifikációjának elegendő információt kell tartalmaznia egy azt tökéletesen követő implementáció elkészítéséhez. Az architektúrának sem az implementáció részletei, sem az interfészek specifikációja nem részei, mivel ezek a gépek belsejébe rejtve nem láthatók kívülről. Sőt még az sem szükséges, hogy

egy hálózat összes gépén ugyan azok legyenek az interfészek, ettől még azok helyesen használhatják a protokollokat. Most pedig vizsgáljunk meg egy technikai jellegű példát: hogyan valósítható meg az 1.6. ábrán látható hétrétegű hálózat legfelső rétegének kommunikációja. Az m üzenetet a 7. rétegben futó folyamat állítja elő. Az üzenet a 6/7 interfész által meghatározott módon kerül át a 7. rétegből a 6.-ba. Ebben a példában a 6. réteg valamilyen módszer szerint (pl. szövegtömörítéssel) átalakítja az üzenetet, amely így új, formában: M, kerül át 5/6 interfészen keresztül az 5. rétegbe. Az 5. réteg - ebben a példában - nem módosítja az üzenetet, csak az üzenetáramlás irányát szabályozza, azaz megakadályozza, a beérkező üzenetnek a 6. réteg felé való továbbítását addig, amíg a 6. réteg az 5. réteg felé küldendő üzenetek kézbesítésével elfoglalva. Sok hálózatban nincs korlátozva a 4., de korlátozva van a 3. réteg által fogadható üzenetek mérete. Következésképpen a 4. rétegnek (amennyiben szükséges) kisebb darabokra széttördelnie az 5. rétegtől érkező üzeneteket, és az üzenetdarabok mindegyikét fejrésszel (header) kell ellátnia. Az üzenetdarabkák elejére kerülő fejrészek vezérlőinformációkat tartalmaznak, pl. sorszámok, amely lehetővé teszi, hogy a címzett gép 4. rétege sorrendhelyesen összerakhassa a vett üzenetdarabkákat előállítva ezzel a szétdarabolás előtti eredeti üzenetet. Erre sorrendhelyes átvitelt nem biztosító alsóbb rétegek esetén lehet szükség. Sok rétegben a fejrészek méreteket, időket és más egyéb vezérlőinformációkat is tartalmaznak. A 3. réteg a kimenő vonalak közül választ, az üzenethez hozzáragasztja a saját fejrészét, majd átadja az adatot a 2. rétegnek. A 2. réteg nemcsak az üzenetdarabkák elejéhez, hanem azok végéhez is illeszt vezérlőinformációkat - Ez utóbbiakat végrésznek (trailer) nevezzük. Az így keletkező egységeket ezután átadja az l. rétegnek. A vevőoldali gépen az üzenet rétegről-rétegre felfelé halad, miközben a fejrészektől fokozatosan megszabadul. Az n. réteg alatti fejrészek nem juthatnak fel az n. réteghez. Az 1.6. ábrával kapcsolatban a virtuális és a tényleges kommunikáció közötti, valamint a protokollok és az interfészek közötti különbséget fontos megérteni. A 4. rétegben levő társfolyamatok kommunikáció át "horizontálisnak" nevezhetjük, mivel mindkettő a 4. réteg protokolljait használja. A társfolyamat-absztrakció minden hálózat tervezésekor döntő jelentőségű. Ezen absztrakciós technika nélkül nagyon nehéz, majdhogynem lehetetlen a teljes hálózat tervezését részekre bontani. E felbontás azért szükséges, hogy az egyébként reménytelenül kezelhetetlen teljes rendszer tervezési problémáit kisebb, kezelhető tervezési problémákra - nevezetesen az egyes rétegek tervezésére lehessen szabdalni. A rétegek tervezési kérdései A számítógép-hálózatok tervezésének kulcsfontosságú kérdései több rétegben szétszórva helyezkednek el.

Minden rétegnek rendelkeznie kell egy kapcsolat-felépítési mechanizmussal. Mivel egy hálózat rendszerint több gépből áll, amelyek közül lehet néhány olyan is, amelyen egyszerre több folyamat is működhet, ezért szükség van egy olyan eszközre, amelynek segítségével a futó folyamat kijelölheti kapcsolatteremtési igényének célját. A több lehetséges címzett miatt elengedhetetlen a címzés valamilyen formájának bevezetése egy adott címzett kijelölésére. A hálózaton keresztüli kapcsolat-felépítéshez szorosan kötődik a kapcsolatlebontási mechanizmus. Ez akkor lép működésbe, amikor egy kapcsolat tartása szükségtelenné válik. Ennek a kézenfekvőnek tűnő kérdésnek a megoldása a valóságban egészen bonyolult is lehet. A tervezési döntések egy másik halmazát az adatátviteli szabályok alkotják. Az egyik rendszerben az adat csak az egyik irányban haladhat - szimplex kommunikáció; a másikban mindkét irányban, de nem egyidőben - fél-duplex kommunikáció; a harmadikban egyidőben mindkét irányban duplex kommunikáció. A protokollnak azt is meg kell határoznia, hogy egy kapcsolathoz hány logikai csatorna tartozzon, valamint azok prioritását is. Sok hálózat kapcsolatonként legalább két logikai csatornát tart fenn, egyet a közönséges adatok, egyet pedig a sürgős adatok számára. A hibavédelem szintén fontos kérdés, hiszen a fizikai kommunikációs áramkörök nem tökéletesek. Sok hibajelző és hibajavító kódolás ismert, de a kapcsolat két végén egymással kapcsolatban álló feleknek azonos eljárást kell használni. Ráadásul, a vevőnek valamilyen módon tudatnia kell az azt, hogy mely üzeneteket vette sikeresen és melyeket hibásan. Nem minden kommunikációs csatorna őrzi meg az azon keresztül elküldött üzenetek sorrendjét. A sorrendhelyesség kezelése megköveteli, hogy a protokoll támogatást nyújtson a vevőnek a vett üzenetek helyes sorrendbe rakásához. Egy nyilvánvaló megoldás erre az üzenetek sorszámozása, amely azonban még nyitva hagyja azt a kérdést, hogy mi legyen a sorrenden kívül érkező üzenetekkel. Egy minden rétegben felmerülő kérdés az, hogy miképpen lehet a lassú vevőt megóvni attól, hogy a gyors adók adatokkal elárasszák. Több különböző megoldást dolgoztak ki. Mindegyik valamilyen fajta vevő-adó visszacsatolást tartalmaz, amely lehet közvetett és közvetlen. Ezek célja az, hogy az adó tudomást szerezhessen a vevő aktuális állapotáról. Egy további, több rétegben jelentkező probléma az, hogy a folyamatok nem képesek tetszőlegesen hosszú üzeneteket venni. Ez a tulajdonság vezet az üzenetszétvágás, -elküldés, -összerakás mechanizmushoz. Ehhez szorosan kapcsolódó kérdés az is, hogy mit lehet tenni akkor, ha egy folyamat olyan kis darabkákká tördeli szét az adatokat, hogy azok egyenkénti küldése már nem lenne hatékony. A megoldás itt az, hogy a kisebb üzeneteket össze kell gyűjteni, és a közös címzettnek egyben továbbítani. A címzettnek kell ismét a vett üzenetet kisebb egységekre szétdarabolni. Ha kényelmetlen vagy túl drága minden kommunikáló folyamatpárhoz külön-külön összeköttetést fenntartani, akkor a folyamatok alatt elhelyezkedő réteg ugyanazt az összeköttetést több, egymástól független párbeszéd lebonyolítására használhatja. Amennyiben a nyalábolás (multiplexálás), ill. hasítás (demultiplexálás) átlátszóan