Osnovno o računarskim mrežama (1)

Da bismo bolje razumeli kako podaci putuju lokalnim mrežama i Internetom, moramo poći od teorije. Predstavljamo vam ISO OSI mrežni model

Širokopojasni pristup Internetu kod nas odavno više nije retkost, a prilično niska cena flet paketa omogućava većini korisnika da konstantno budu online. To, naravno, otvara razne mogućnosti za korišćenje usluga na Internetu, ali i pristupa kućnim računarima „sa terena”. Međutim, da bismo mogli da se upustimo u ove vode, potrebno je da prvo razjasnimo neke od najosnovnijih pojmova vezanih za računarske mreže i sam Internet.

Razvoj računarskih mreža ne može se posmatrati odvojeno od razvoja računara. Bilo za potrebe povezivanja jednostavnih terminala sa mainframe računarom dimenzija omanje zgrade, bilo za deljenje podataka radi brže obrade, vrlo rano se pojavila potreba za efikasnim sistemima komunikacije dva računarska sistema. Uostalom, svako ko je krajem prošlog veka prekucavao iz „Sveta kompjutera” listinge programa doživeo je maltene religiozno iskustvo kada je, koju godinu kasnije, te listinge mogao da preuzme sa nekog BBS-a, a kasnije i sa Interneta, i tako uštedi vreme potrebno za kucanje, a takođe i nerve neophodne za traženje grešaka u kucanju.

Prvi značajni rezultati u razvoju računarskih mreža pojavili su se sredinom sedamdesetih godina 20. veka. Najvažniji je svakako pojava etherneta, koji je postao najpopularniji način rada lokalnih računarskih mreža, dok je drugi najbitniji izum sistem koji je omogućavao komunikaciju i povezivanje različitih lokalnih mreža u jednu veliku mrežu. Ovaj sistem, u početku poznat kao ArpaNET, bio je preteča onoga što danas zovemo Internet.

Realan tok podataka od strane A ka strani B, prema OSI modelu

Da bismo razumeli koji su to problemi koje Internet rešava i kako ih rešava, najbolje je da pogledamo kako komunikacioni sistemi treba da izgledaju s akademske tačke gledišta. Osnovni model koji opisuje dizajn telekomunikacionih sistema, pa i same računarske mreže, naziva se ISO OSI (ISO Open System Interconnection). Iza ove palindromske skraćenice nalazi se apstraktan (zamišljen) opis principa po kojima se komunikacioni sistemi projektuju i načina na koji se sama komunikacija obavlja.

Osnovna pretpostavka OSI modela zasniva se na realnoj situaciji. Komunkacioni sistem čine bar dva uređaja, koji su povezani nekim fizičkim medijem, kanalom, putem kojeg komuniciraju. U našem slučaju, uređaji su najčešće računari i savremeni mobilni uređaji, zajedno sa pomoćnom opremom putem koje se povezuju na Internet. Kao kanale možemo posmatrati ethernet (žične mrežne veze), wireless (bežične veze), kao i ADSL ili kablovske veze koje koristimo.

Slojevi, komunikacija, enkapsulacija

Kako bi se obezbedila efikasnost u prenosu podataka i u razvoju samih uređaja, prema OSI modelu, problem prenosa podataka obavlja se na sedam nivoa, to jest kroz sedam slojeva.

Princip enkapsulacije

Osnovne osobine svakog sloja su sledeće:

· svaki sloj ponaša se tako da komunicira isključivo sa svojim parnjakom na drugom kraju kanala,

· svaki sloj za obavljanje svoje uloge koristi usluge nižeg sloja, i

· svaki sloj pruža usluge sloju iznad sebe.

Ove osobine slojeva razdvajaju tok komunikacije, tačnije prenosa podataka, na horizontalnu i vertikalnu komponentu. Horizontalna komponenta bavi se komunikacijom između dva kraja kanala. Jedan sloj strane A komunicira samo sa identičnim slojem strane B sledeći određene skupove pravila koje nazivamo protokolima. Svaki sloj definiše svoje protokole prilagođene problemu koji rešava.

Vertikala se, s druge strane, bavi komunikacijom između slojeva na jednoj strani kanala. Kao što smo rekli, svaki sloj pruža određene usluge sloju iznad sebe i koristi usluge sloja ispod sebe. U smeru predaje, to podrazumeva prihvatanje podataka od višeg sloja, njihovo pakovanje u format koji propisuje zadati protokol (definisan horizontalom), i prosleđivanje nižem sloju. U smeru prijema tok je obrnut – podaci se kreću od nižih slojeva ka višim i na svakom sloju se transformišu u skladu sa protokolom koji se na tom sloju koristi.

Sve ovo omogućeno je zahvaljujući najbitnijoj posledici podele na slojeve – uzajamnoj izolaciji. Naime, svaki sloj je svestan samo svog protokola i samo podataka koje sam proizvodi i interpretira. Podaci višeg sloja predstavljaju crnu kutiju koju treba zapakovati prema protokolu i proslediti nižem sloju, bez ikakvog ispitivanja njenog sadržaja. Ovaj koncept ukratko se naziva enkapsulacija.

Kako sve to izgleda na papiru

Kao što smo rekli, izvorni OSI model predviđa sedam slojeva. Da bismo bolje razumeli šta svaki od ovih slojeva radi, najbolje je da krenemo od najnižeg.

1. Fizički sloj (Physical Layer) – određuje fizičke i električne osobine samih prenosnih uređaja. Neke od specifikacija odnose se na „sitnice” kao što su konektori, raspored pinova, vrste vodova i naponi koji se koriste u komunikaciji. Međutim, najbitnije specifikacije jesu medij prenosa podataka (npr. bakarna parica, optički kabl, etar), kao i način modulacije signala i prikaza binarnih podataka. Na ovom sloju podaci postoje samo kao signal koji se prenosi kroz medij, dok se uređaji svode na konektore i portove. S obzirom na to da je za uspešno upravljanje komunikacijom neophodno upravljanje radom ovog sloja, u najvećem broju stvarnih mreža (npr. ethernet) funkcionalnost ovog sloja usko je povezana sa sledećim slojem. Najpoznatiji primeri fizičkog sloja su USB, ADSL, bluetooth, kao i fizički sloj ethernet protokola i WiFi protokoli 802.11a/b/g/n.

2. Sloj veze (Data Link Layer) – u osnovi, sloj veze definiše protokol komunikacije koja se vrši putem fizičkog sloja. U ovom sloju podaci postoje u vidu okvira (frejmova, grupa bitova), dok se uređaji mogu identifikovati fizičkim (MAC) adresama. Protokoli drugog sloja služe da kroz efikasno iskorišćenje mogućnosti fizičkog sloja obezbede neophodne procedure prenosa podataka. U to spadaju kontrola toka, upravljanje greškama i sinhronizacija rada uređaja koji koriste isti kanal.

U praksi se pokazalo da ovaj sloj rešava dve različite grupe problema, čija zastupljenost zavisi od konkretnog fizičkog sloja koji se koristi, i zato je sloj veze podeljen na dva podsloja.

Upravljanje pristupom mediju (Media Acccess Control, MAC) jeste niži podsloj sloja veze i bavi se adresiranjem uređaja na kanalu komunikacije, kao i upravljanjem predaje pojedinih okvira i proverom ispravnosti primljenih okvira. Najčešći primer protokola ovog podsloja je CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), koji se koristi u ethernet mrežama.

Viši podsloj bavi se upravljanjem logičkom vezom (Logic Link Control). Osnovni problem kojim se ovaj podsloj bavi jeste multipleksiranje (omogućavanje istovremenog korišćenja) nekoliko protokola viših slojeva, a prema potrebi LLC može da pruža i dodatne metode kontrole toka, kao i automatskog ponavljanja prenosa radi ispravke nastalih grešaka. Razvijen („debeo”) LLC sloj karakterističan je za širokopojasne prenosne kanale, kod kojih je verovatnoća pojave greške velika. Najpoznatiji primeri su PPP i PPPoE, kao i većina protokola za umrežavanje putem električnih vodova, sistema kablovske televizije i bežičnih sistema.

3. Mrežni sloj (Network Layer) – prvi sloj na kojem već imamo nešto što se može nazvati računarskom mrežom. Takođe, možemo reći da je mrežni sloj i prvi sloj koji ne zavisi od vrste fizičke veze koju koristi.

Osnovni zadatak koji ovaj sloj rešava jeste prenos paketa podataka kroz mrežu proizvoljne topologije. Da bi to obavljao, ovaj sloj pre svega mora da obezbedi jednoznačno adresiranje svih čvorišta. Pored toga, mrežni sloj mora da bude u stanju da zaključi kakva je topologija mreže, to jest da utvrdi raspored čvorišta kako bi mogao da odredi trasu (rutu) kojom će se pojedini paketi kretati. Taj proces naziva se rutiranje, a mrežna čvorišta koja se bave prosleđivanjem paketa između različitih delova mreže nazivaju se ruteri. Najpoznatiji protokoli koji se koriste na ovom sloju su svakako IP (Internet Protocol), ICMP (Internet Control Message Protocol), IGMP (Internet Group Management Protocol), kao i RIP (Routing Information Protocol), koji ruteri koriste za razmenu podataka o mreži kako bi se uspostavila topologija.

4. Transportni sloj (Transport Layer) – četvrti sloj OSI modela je prvi sloj koji se bavi isključivo prenosom korisničkih podataka. Uloga ovog sloja jeste da obezbedi transport podataka između dva hosta na mreži. U opštem slučaju, protokoli mrežnog sloja obezbeđuju kontrolu toka na visokom nivou, pouzdanost prenosa i integritet podataka, kao i napredne metode otkrivanja i ispravljanja grešaka u prenosu.

Prema OSI modelu, na ovom sloju koristi se pet klasa protokola, ali umesto da opisujemo svaku klasu ponaosob, mnogo je korisnije opisati njihove najosnovnije karakteristike.

Pre svega, protokoli transportnog sloja dele se na one koji podrazumevaju uspostavu veze (Connection Oriented) i one koji ne zahtevaju uspostavu veze (Connectionless). Na transportnom sloju pojam veze zapravo predstavlja način grupisanja paketa podataka, odnosno obezbeđivanje jednog šireg konteksta prenosa. Protokoli sa uspostavljanjem veze omogućavaju pouzdan prenos velike količine podataka i sami se brinu o podeli podataka na pakete, njihov transport, kao i proveru integriteta i ispravljanje grešaka u prenosu. Korišćenje ovih protokola u suštini je jednostavno. Od transportnog sloja traži se da uspostavi vezu sa drugim hostom, nakon čega se protokolu samo serviraju podaci, dok se o celokupnoj problematici transporta brine deo protokola posvećen upravljanju vezom. Najpoznatiji primer transportnog protokola sa uspostavljanjem veze jeste TCP.

Nasuprot protokolima sa uspostavljanjem veze, transportni sloj nudi i protokole koji se ne oslanjaju na postojanje veze. Ovi protokoli koriste jednostavnije pakete koji ostavljaju više mesta za korisne podatke (datagrame) i po pravilu nude manje garancije u pogledu pouzdanosti prenosa. Iako se na prvi pogled postojanje ovih protokola čini nelogičnim, mnogi servisi imaju koristi od njihove primene. Pre svega, ovi protokoli imaju manje režijskih podataka, što znači da u paketima ima dovoljno mesta da viši slojevi mogu da implementiraju svoje mehanizme kontrole toka i korekcije grešaka. Ovakvu situaciju obično srećemo kod prenosa multimedijskih sadržaja, gde je dozvoljena relativno široka margina gubljenja podataka u transportu i gde je jedino bitno preneti što više podataka odjednom, dok se o njihovom deljenju na segmente i ponovnom spajanju određenim redosledom, kao i o ispravljanju grešaka brinu same aplikacije. Najpoznatiji protokol ovog tipa jeste UDP, dok su neki od servisa koji se oslanjaju na ovakve protokole prenos glasa (VoIP), kao i pojedini protokoli za deljenje fajl sistema kao što je NFS.

5. Sloj sesije (Session Layer) – smešten iznad transportnog sloja, sloj sesije obezbeđuje još širi kontekst prenosa podataka koji se može nazvati dijalogom između dve strane. Pri korišćenju transportnih protokola sa uspostavom veze, svaka veza pre svega predstavlja resurs koji treba efikasno koristiti. Takođe, veze same po sebi mogu biti nepouzdane, odnosno mogu biti prekinute u zavisnosti od toga šta se dešava na nižim slojevima. Mogućnost upravljanja sesijom omogućava zadržavanje identiteta dveju strana bez obzira na dešavanja u transportnom sloju. Takođe, upravljanje sesijama omogućava efikasnije korišćenje mogućnosti transportnog sloja. U slučaju potrebe, veze na trećem sloju moguće je prekidati ili ih stavljati u kontekst drugih sesija. Uobičajene usluge koje ovaj sloj pruža jesu autentifikacija (utvrđivanje identiteta strana u dijalogu) i upravljanje dozvolama koje određuju šta koja strana može da radi tokom sesije. U slučaju korišćenja „bezveznih” transportnih protokola, sloj sesije može da obavlja neke ili sve operacije kontrole prenosa.

6. Sloj prezentacije (Presentation Layer) – poznat i kao sloj sintakse, ovaj sloj bavi se formatiranjem podataka koji se prenose. Osnovni problem koji rešava ovaj sloj zove se serijalizacija i tiče se procesa prevođenja smislenih podataka (ASCII teksta, formatiranog teksta, XML fajlova, složenih struktura podataka i slično) u nizove bajtova koji se prenose kroz niže slojeve sistema, kao i njihovu ponovnu konverziju na drugoj strani.

Pored serijalizacije, na ovom sloju mogu se obavljati i razne manipulacije podacima, među kojima je najbitnija enkripcija. Iako kriptografske metode možemo primenjivati praktično na svakom sloju modela, prezentacioni sloj nalazi se dovoljno visoko u hijerarhiji protokola, tako da podaci zapravo postoje samo na nivou strana koje učestvuju u dijalogu, pa enkripcija na ovom sloju može da garantuje njihovu privatnost.

7. Sloj aplikacije (Application Layer) – na najvišem sloju OSI modela postoje same aplikacije koje proizvode i koriste podatke koje mreža prenosi. Na ovom sloju praktično nema predefinisanih protokola i ograničenja. Svaka aplikacija može za svoje potrebe da definiše sopstveni protokol. U svakodnevnom životu, aplikacionom sloju pripadaju protokoli za prenos fajlova (FTP), poruka (SMTP i POP), kao i mnogi od protokola koji pružaju infrastrukturne servise (DNS, RARP, SNMP i drugi).

Stvarnost

Kao što smo rekli, ISO OSI model je apstraktan. Među modernim telekomunikacionim sistemima ne postoji nijedan koji doslovce implementira svaki od ovih slojeva u posebnu funkcionalnu grupu. Sami slojevi opisani u ovom modelu predstavljaju aspekte sa kojih je potrebno posmatrati problem prenosa podataka kako bi se realizovao sistem koji će ga obavljati. Štaviše, najprisutniji model računarske mreže razvijan je bez obzira na OSI, ali i pored svih razlika, s njim deli nekoliko bitnih konceptualnih sličnosti, koje se i dalje najbolje objašnjavaju kroz OSI model.

Naravno, radi se o Internetu. Poznatiji još i kao TCP/IP ili Skup internet protokola (Internet Protocol Suite), ovaj mrežni model takođe je podeljen na slojeve i koristi enkapsulaciju kao princip komunikacije po vertikali. Međutim, ovaj model mreže projektovan je tako da rešava tačno određen skup realnih problema vezanih za umrežavanje računara. Namena Interneta jeste da obezbedi povezivanje lokalnih mreža (koje funkcionišu na prva dva sloja OSI modela). Zbog toga Internet uopšte ne definiše fizički sloj, već očekuje određeno ponašanje sloja veze nad kojim kasnije gradi mrežni i transportni sloj. Druga namena Interneta jeste da obezbedi jednostavan način korišćenja usluga transporta podataka kroz mrežu. Iz tih razloga Internet ima veoma „debeo” aplikacioni sloj, koji obuhvata sve iznad transportnog sloja definisanog OSI modelom, a celokupnu realizaciju tog sloja, uključujući i definisanje protokola, prepušta samim aplikacijama, odnosno krajnjim korisnicima. Ovakav pristup problemu ima mnoge prednosti, o kojima ćemo više pisati onda kada se budemo bavili samom arhitekturom i „sitnim crevcima” Interneta.

Bojan ŽIVKOVIĆ