Μάθημα 5: To Μοντέλο Αναφοράς O.S.I. 5.1 Γενικά Τα πρώτα δίκτυα χαρακτηρίζονταν από την «κλειστή» αρχιτεκτονική τους με την έννοια ότι αυτή ήταν γνωστή μόνο στην εταιρία που την είχε σχεδιάσει. Με τον τρόπο αυτό οι χρήστες αναγκάζονταν να προμηθεύονται προϊόντα και υπολογιστές της συγκεκριμένης εταιρίας, προκειμένου να μπορέσουν να τα συνδέσουν σε δίκτυο. Το 1977 ο Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης I.S.O. ανέπτυξε ένα Πρότυπο Διασύνδεσης Ανοικτών Συστημάτων O.S.I. (Open System Interconnection), με σκοπό να αποτελέσει το πλαίσιο μέσα στο οποίο θα ορίζονταν οι λεπτομερείς πλέον τυποποιήσεις, για την επίλυση των επιμέρους προβλημάτων που εμφανίζονται στις επικοινωνίες υπολογιστών. Το μοντέλο O.S.I. προσβλέπει στην ανοικτή και ελεύθερη (εξ ου και το «open») επικοινωνία μεταξύ συστημάτων βασιζόμενο στην φιλοσοφία των επιπέδων. Σχήμα 5.1: Σχηματική αναπαράσταση του μοντέλου αναφοράς O.S.I. Σελίδα 27
Σε συμφωνία με τις βασικές αρχές για τη στρωματοποιημένη αρχιτεκτονική, οι λειτουργίες κάθε επιπέδου είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους, έτσι ώστε οι αλλαγές σε ένα επίπεδο να μην επηρεάζουν τα υπόλοιπα. Το μοντέλο O.S.I. αποτελείται από επτά ιεραρχικά επίπεδα, τα οποία καλύπτουν διάφορες δικτυακές λειτουργίες, πρωτόκολλα και εξοπλισμό. Το χαμηλότερο επίπεδο είναι αυτό που βρίσκεται πιο κοντά στο υλικό και το υψηλότερο πιο κοντά στις εφαρμογές. Οι λειτουργίες των τεσσάρων υψηλότερων επιπέδων υλοποιούνται με λογισμικό, συνήθως μέρος του λειτουργικού συστήματος κάθε κόμβου, ενώ αυτές των τριών χαμηλότερων επιπέδων ενσωματώνονται στο υλικό που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση και τη μεταφορά των δεδομένων μέσω του δικτύου. 5.2 Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) Πρόκειται για το χαμηλότερο επίπεδο και είναι αυτό που βρίσκεται πλησιέστερα στο υλικό (hardware) και στο μέσο μετάδοσης. Στο Φυσικό Επίπεδο μετατρέπεται η σειρά των δυαδικών ψηφίων που πρέπει να μεταδοθούν σε ηλεκτρικούς ή φωτεινούς παλμούς, ή ακόμα και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Εδώ καθορίζονται οι ηλεκτρικές, μηχανικές και λειτουργικές προδιαγραφές για τη μετάδοση των δεδομένων πάνω από το φυσικό μέσο, όπως, π.χ. η οπτική ίνα, το ομοαξονικό καλώδιο, η ασύρματη ζεύξη κ.ά. Θέματα που καθορίζονται από το φυσικό επίπεδο είναι τα ακόλουθα: Ποια στάθμη τάσης (volt) αντιστοιχεί στα δυαδικά ψηφία 0 και 1; Ποια είναι η χρονική διάρκεια (msec) του παλμού ενός δυαδικού ψηφίου; Τι είδους διαμόρφωση χρησιμοποιείται σε μια ασύρματη ζεύξη; Τι είδους είναι η επικοινωνία; Π.χ. μονόδρομη (simplex), αμφίδρομη εναλλασσόμενη (half duplex) ή πλήρως αμφίδρομη (full duplex). Ποια είναι η διαδικασία εγκαθίδρυσης της σύνδεσης με το δίκτυο πριν από τη μετάδοση των δεδομένων και ποια η διαδικασία τερματισμού αυτής; Πώς καθορίζεται ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων; Σε τι σήμα αντιστοιχεί ο κάθε ακροδέκτης (pin) του συνδετήρα του δικτύου (network connector); Ποιες είναι οι διαστάσεις και τα υπόλοιπα μηχανικά χαρακτηριστικά της σύνδεσης του κόμβου με το μέσο μετάδοσης. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να τονίσουμε ότι στο Φυσικό Επίπεδο τα δεδομένα γίνονται αντιληπτά ως μια ακολουθία δυαδικών ψηφίων χωρίς να παίζει ρόλο το τι ακριβώς πληροφορία μεταφέρουν. 5. 3 Το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων (Data Link Layer) Το Επίπεδο Σύνδεσης (ή Ζεύξης) Δεδομένων φροντίζει για την αξιόπιστη μεταφορά των δεδομένων πάνω από τα φυσικό μέσο μετάδοσης χρησιμοποιώντας μηχανισμούς εντοπισμού και διόρθωσης λαθών, έτσι ώστε το Σελίδα 28
επόμενο επίπεδο (Επίπεδο Δικτύου) να αντιλαμβάνεται το φυσικό μέσο μετάδοσης σαν μια γραμμή μεταφοράς απαλλαγμένη από σφάλματα. Το επίπεδο αυτό χωρίζεται σε δύο υπο-επίπεδα: Το υπο-επίπεδο Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο (Media Access Control MAC) που καθορίζει τον τρόπο και το χρόνο κατά τον οποίο ο υπολογιστής αποκτά πρόσβαση στο μέσο προκειμένου να μεταδώσει δεδομένα. Το υπο-επίπεδο Ελέγχου Λογικής Γραμμής (Logical Link Control - LLC) που είναι υπεύθυνο για θέματα συγχρονισμού της μετάδοσης, ανίχνευσης και διόρθωσης λαθών και ελέγχου ροής. Γενικά οι λειτουργίες που επιτελεί το επίπεδο αυτό είναι οι ακόλουθες: Τεμαχισμός των προς μετάδοση δεδομένων και συσκευασία τους σε ενότητες που ονομάζονται πλαίσια δεδομένων (frames). Σε αυτά περιλαμβάνονται επιπλέον δυαδικά ψηφία στην αρχή που αποτελούν την επικεφαλίδα (header) και στο τέλος που αποτελούν την ουρά (tail) κάθε πλαισίου. Μετάδοση των πλαισίων και επεξεργασία των πλαισίων της απόκρισης που ο δέκτης στέλνει στον πομπό. Ανίχνευση και διόρθωση των σφαλμάτων μετάδοσης (πχ λόγω ύπαρξης θορύβου στην γραμμή επικοινωνίας) των πλαισίων. Ο έλεγχος αυτός γίνεται με τη χρήση πλεοναζόντων δυαδικών ψηφίων που τοποθετούνται στην επικεφαλίδα ή την ουρά του κάθε πλαισίου. Ρύθμιση του ρυθμού μετάδοσης (έλεγχος ροής) έτσι ώστε ένας αργός δέκτης να μην κατακλύζεται με δεδομένα από έναν γρήγορο πομπό. Εδώ αξίζει να σημειωθεί ότι, με βάση τους διαφορετικούς τρόπους χειρισμού των σφαλμάτων μεταφοράς και της ροής δεδομένων, το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων μπορεί να προσφέρει περισσότερες από μία υπηρεσίες στο Επίπεδο Δικτύου, η καθεμία με διαφορετική ποιότητα και τιμή. 5.4 Το Επίπεδο Δικτύου (Network Layer) Το επίπεδο δικτύου δέχεται δεδομένα από το επίπεδο μεταφοράς, τα χωρίζει σε ενότητες σταθερού ή μεταβλητού μεγέθους που ονομάζονται πακέτα (packets ή datagrams) και τα προωθεί στο επίπεδο σύνδεσης δεδομένων. Είναι το επίπεδο που είναι υπεύθυνο για τη διευθυνσιοδότηση και τη δρομολόγηση των δεδομένων στον προορισμό τους. Οι βασικές λειτουργίες του επιπέδου είναι οι εξής: Η διευθυνσιοδότηση, δηλ. όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως η αντιστοίχιση μιας μοναδικής διεύθυνσης σε κάθε κόμβο του δικτύου. Η δρομολόγηση, δηλ. η εύρεση της διαδρομής που θα πρέπει να ακολουθήσουν τα πακέτα από τον αποστολέα στον παραλήπτη. Σελίδα 29
Η αποφυγή κυκλοφοριακής συμφόρησης (congestion) σε κάποιο τμήμα του δικτύου που συνήθως προκαλείται όταν υπερβολικά μεγάλος αριθμός πακέτων προσπαθούν να διέλθουν από την ίδια διαδρομή. 5.5 Το Επίπεδο Μεταφοράς (Transport Layer) Στο Επίπεδο Μεταφοράς υλοποιείται το κανάλι επικοινωνίας μεταξύ των τερματικών κόμβων, μέσω του οποίου θα μεταβιβάζονται αξιόπιστα τα μηνύματά τους. Η βασική λειτουργία του επιπέδου αυτού είναι η παραλαβή των δεδομένων από το επίπεδο συνόδου (μηνύματα), ο τεμαχισμός τους, αν χρειάζεται, σε μικρότερα κομμάτια που ονομάζονται τμήματα (segments) και η προώθησή τους στο επίπεδο δικτύου. Αναλυτικότερα: Εγκαθιστά και διαχειρίζεται συνδέσεις δικτύου για κάθε ξεχωριστή μεταφορά δεδομένων από έναν υπολογιστή σε έναν άλλο. Σε περίπτωση που ο όγκος των δεδομένων που πρόκειται να μεταφερθούν είναι πολύ μεγάλος, μπορούν να δημιουργηθούν και περισσότερες από μία συνδέσεις για κάθε μεταφορά. Φροντίζει για την μετάδοση των τμημάτων μέσω του δικτύου και την τοποθέτησή τους στη σωστή σειρά στην πλευρά του παραλήπτη. Επιλέγει το είδος των συνδέσεων που θα δημιουργηθούν. Συνήθως δημιουργεί αξιόπιστες συνδέσεις, με την έννοια ότι φροντίζει για την εξάλειψη των σφαλμάτων που ενδέχεται να δημιουργηθούν κατά τη μεταφορά. Αν όμως η ταχύτητα της σύνδεσης είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας και η πιθανή ύπαρξη κάποιων λαθών είναι αποδεκτή (όπως π.χ. στην περίπτωση μετάδοσης ήχου, ή βίντεο σε πραγματικό χρόνο) μπορεί να δημιουργήσει και συνδέσεις που δεν εξασφαλίζουν την αξιόπιστη μετάδοση των δεδομένων, αλλά είναι πιο γρήγορες. Υλοποιεί έλεγχο ροής δεδομένων. Παρέχει τη ζητούμενη ποιότητα υπηρεσίας στο επίπεδο συνόδου (π.χ. προτεραιότητα, μέγιστη αποδεκτή καθυστέρηση, επίπεδο ασφάλειας, μέγιστο αποδεκτό ρυθμό λαθών). Είναι το τελευταίο επίπεδο (ξεκινώντας από την κορυφή της ιεραρχίας) που υποστηρίζει την από άκρο σε άκρο συνομιλία με το αντίστοιχο επίπεδο του παραλήπτη. Όλα τα κάτω από αυτό στρώματα επικοινωνούν και με τους ενδιάμεσους κόμβους που προωθούν τα δεδομένα στον προορισμό τους. Επειδή σε αυτό το επίπεδο ελέγχεται η από άκρο σε άκρο επικοινωνία, το Επίπεδο Μεταφοράς (και όλα τα ανώτερα από αυτό επίπεδα) υλοποιείται μόνο στους τερματικούς και όχι στους ενδιάμεσους κόμβους. 5.6 Το Επίπεδο Συνόδου (Session Layer) Το Επίπεδο Συνόδου επιτρέπει σε δύο εφαρμογές, που εκτελούνται σε διαφορετικούς υπολογιστές να συνομιλούν μεταξύ τους με τη δημιουργία, τη χρήση και τον τερματισμό μιας ειδικής σύνδεσης που ονομάζεται σύνοδος (session). Σελίδα 30
Χειρίζεται θέματα όπως: Τη δημιουργία, εγκατάσταση και τερματισμό μιας συνόδου. Τον καθορισμό της σειράς με την οποία επικοινωνούν οι εφαρμογές στην περίπτωση που δεν είναι δυνατή η πλήρως αμφίδρομη επικοινωνία. Την αναγνώριση και σύνδεση χρηστών σε ένα απομακρυσμένο σύστημα. Τη δυνατότητα εισαγωγής σημείων ελέγχου (checkpoints) σε μία μετάδοση έτσι ώστε αν αυτή για κάποιο λόγο διακοπεί, να μην είναι απαραίτητη η επαναμετάδοση όλων των δεδομένων από την αρχή, αλλά μόνο από το τελευταίο σημείο ελέγχου. Την επαναφορά μιας σύνδεσης που διακόπηκε σε ομαλή κατάσταση για την αποκατάσταση της επικοινωνίας. 5.7 Το Επίπεδο Παρουσίασης (Presentation Layer) Όλα τα υπολογιστικά συστήματα δεν κωδικοποιούν τα δεδομένα με τον ίδιο τρόπο. Η κύρια εργασία του επιπέδου παρουσίασης είναι να μετατρέπει τα δεδομένα από τη μορφή που υποστηρίζει ένα σύστημα σε αυτή που καταλαβαίνει ένα άλλο, έτσι ώστε οι εφαρμογές να λαμβάνουν πάντα τα δεδομένα στην μορφή που αναγνωρίζουν. Άλλες εργασίες που μπορούν να γίνουν σε αυτό το επίπεδο είναι η συμπίεση και η αποσυμπίεση των δεδομένων με σκοπό τον περιορισμό του εύρους ζώνης που θα χρειαστεί για τη μετάδοσή τους, καθώς και η κρυπτογράφηση των δεδομένων που σαν σκοπό έχει την διασφάλιση του απόρρητου των μεταδιδόμενων πληροφοριών. 5.8 Το Επίπεδο Εφαρμογής (Application Layer) Το Επίπεδο Εφαρμογής είναι το ανώτερο επίπεδο στην ιεραρχία επιπέδων του O.S.I. και αυτό που βρίσκεται πιο κοντά στο χρήστη. Είναι το επίπεδο που παρέχει τις υπηρεσίες που θα χρησιμοποιήσουν οι εφαρμογές που χρειάζονται επικοινωνία στο δίκτυο. Το επίπεδο αυτό είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία των δεδομένων από την εφαρμογή ή την είσοδο των εισερχόμενων δεδομένων στην εφαρμογή. Εδώ γίνεται ο προσδιορισμός του πρωτοκόλλου στο οποίο αναφέρονται οι εφαρμογές και η δημιουργία των κατάλληλων μηνυμάτων, για να διαπιστωθεί αν είναι διαθέσιμη η αντίστοιχη εφαρμογή από την άλλη πλευρά του δικτύου. Στο επίπεδο εφαρμογής, μεταξύ άλλων, ανήκουν πρωτόκολλα για: το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο (e-mail), τη μεταφορά αρχείων (file transfer, ftp), την πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων (data base access), την σύνδεση σε απομακρυσμένους σταθμούς εργασίας (remote login). Σελίδα 31
5.9 Ασκήσεις 1. Συμπλήρωσε τα κενά με τις λέξεις που λείπουν: 1. Το Φυσικό Επίπεδο του O.S.I. βρίσκεται πλησιέστερα στο και στο μέσο.... 2. Το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων φροντίζει για την αξιόπιστη των δεδομένων πάνω από το φυσικό μέσο μετάδοσης. 3. Το Επίπεδο Δικτύου χωρίζει τα δεδομένα σε ενότητες σταθερού ή μεταβλητού μεγέθους που ονομάζονται 4. Το Επίπεδο Μεταφοράς υλοποιείται το μεταξύ των τερματικών κόμβων, μέσω του οποίου θα μεταβιβάζονται αξιόπιστα τα μηνύματά τους. 5. Το Επίπεδο Συνόδου επιτρέπει σε δύο εφαρμογές, που εκτελούνται σε διαφορετικούς υπολογιστές να.. μεταξύ τους. 6. Στο επίπεδο παρουσίασης γίνεται η.. και η.. των δεδομένων με σκοπό τον περιορισμό του εύρους ζώνης που θα χρειαστεί για τη μετάδοσή τους 2. Αντιστοίχισε τις λέξεις: 1. Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων Α. Ποια στάθμη τάσης (volt) αντιστοιχεί στα δυαδικά ψηφία 0 και 1 2. Επίπεδο Δικτύου Β. Υλοποιεί έλεγχο ροής δεδομένων 3. Φυσικό Επίπεδο Γ. Υπο-επίπεδο Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο 4. Επίπεδο Μεταφοράς Δ. Διευθυνσιοδότηση Σελίδα 32