4.1. Adatátvitellel foglalkozó rétegek

4.1.1. Fizikai réteg (phisical layer)

A bitek kommunikációs csatornára való kibocsátásáért felelõs. A fizikai szinten helyezkednek el a hálózat fizikai elemei. Ide tartoznak a hálózat átviteli vonalai, hálózati technológiák, a csatlakozások elektromos és mechanikai meghatározása, átviteli irányok megválasztása, adatátviteli eljárások stb. Biztosítania kell, hogy az adó oldalon kibocsátott 1-et a vevõ is 1-ként értelmezze.

4.1.2. Adatkapcsolati réteg (data link layer)

Nyers bináris adatokat továbbít a fizikai és a hálózati szint között. Alapvetõ feladata, hogy egy hibától mentes adatátviteli vonalat transzformáljon, amelyen az adatok meghibásodás nélkül eljutnak a hálózati réteghez. Ezt úgy valósítja meg, hogy a küldo fél a bemeno bináris adatokat keretekké (frames) tördeli a hálózati szint számára, a kereteket sorrendhelyesen továbbítja, majd a vevo által visszaküldött, az átvitelt igazoló nyugtakereteket feldolgozza. Mindegyik keret egy ellenõrzõ összeggel van ellátva. A keret megérkezése után ez az ellenõrzõ összeg a vételi oldalon a vett adatokból is kiszámításra kerül. Ha ez az összeg nem egyezik meg a kiinduló összeggel, akkor a keretet a vevõ eldobja, és az adónak meg kell ismételnie a keret elküldését.
Az adatkapcsolati szint a hálózati szintrõl is fogad adatokat, amelyeket hibátlan bináris formátummá alakít át az alatta levõ fizikai réteg számára. Mivel a fizikai réteg csupán a bitfolyam adásával, valamint vételével foglalkozik, ennek a rétegnek a feladata az adatkerethatárok létrehozása, felismerése. Ezt speciális bitmintáknak a keretek elé, illetve mögé helyezésével éri el.

Az adatkapcsolati réteg feladatai továbbá:
" Elveszett keretek újraadása.
" Tévedésbol eloforduló kettozött keretek kivonása.
" A forgalom szabályozása, amelyre a gyors adók miatt van szükség, amelyek adatelárasztással fenyegethetik a lassú vevoket.
" Az A-B irányú adatkeretforgalom, valamint a B-A irányú nyugtakeretforgalom szabályozása, kezelése.

4.1.2.1. Adatkapcsolati protokollok

Ebben a részben az adó és vevõ közötti keretek segítségével megvalósított adatkapcsolati protokollokat mutatom be. Két állomás egyirányú (szimplex), váltakozó irányú (fél-duplex) vagy egyidejû kétirányú (duplex) üzemmódban kommunikálhat egymással.

4.1.2.1.1. Korlátozás nélküli, egyirányú (szimplex) protokoll

Ez a protokoll igen egyszerûen mûködik. Az adatátvitel mindig csak egy irányban, az adótól a vevohöz folyhat, csak egy irányban továbbítódhatnak az adatok. Tehát az adó csak adhat, a vevõ csak vehet. Nincs meghatározva az adatátviteli sebesség, a feldolgozás. Amilyen sebességgel küldi az adó a kereteket, a vevõ ugyanolyan sebességgel képes azt fogadni. Ez azt jelenti, hogy az adó és vevõ hálózati rétege mindig készen áll. Az adatkapcsolati rétegek közötti csatorna hibamentes, kerethiba nem fordul elõ.

4.1.2.1.2. Váltakozó irányú (fél-duplex) vagy más néven egyirányú "megáll" protokoll

Többször elõfordul, hogy a vevõ nem képes olyan sebességgel feldolgozni a kapott információt, amilyen sebességgel azt az adó küldte. Ezért valamilyen módon le kell lassítani az adót, hogy a vevõ képes legyen a kereteket feldolgozni.

Ez egy módon lehetséges, ha a vevõ valamilyen nyugtát küld az adónak, hogy megkapta a keretet és feldolgozta, és csak ezután indulhat a következõ keret. Tehát az adónak addig várni kell, amíg valamilyen üzenetet nem kap vissza a vevõtõl. Ezért nevezik ezt a protokoll "megáll és vár" protokollnak.

4.1.2.1.3. Kétirányú (full duplex) protokollok

A gyakorlatban az adatátvitel legtöbbször kétirányú. Egyazon a csatornán küldi el az adó az adatkereteket, és küldi vissza a vevõ a nyugtakeretet. A két keret megkülönböztethetõ egymástól a keret fejrészében elhelyezett jelzõ alapján, ami a keret vételekor azonosítható. Hogy ne legyen olyan nagy forgalom az átviteli vonalon, a keretek számát lehet csökkenteni. Ennek lehetséges módja, hogy bármelyik irányba tartó adatkeretre ráültetjük az elõzõ másik irányból jövõ adatkeret nyugtáját. Ezt nevezi a szakirodalom ráültetési technikának (piggy-back).

Az eddigi esetekben a csatornán mindig csak egy adatkeret és a rá válaszoló nyugtakeret haladt. A csatorna jobb kihasználása érdekében azonban több keret is tartózkodhat a csatornán egyszerre. Ezt az eljárást csúszóablakos protokollnak nevezik. A protokollban minden egyes, az adótól kiinduló keret kap egy 0-7 közötti sorszámot. Így a sorban elküldendõ keretek sorszámaiból egy aktualizált listát tart fenn az adó. A listába szereplõ sorszámú keretek az adási ablakba esnek. Az adó adási ablakában az elküldött, de még nem nyugtázott keretek vannak. Mikor egy nyugta megérkezik az ablak alsó fele feljebb csúszik, lehetõvé téve egy újabb keret elküldését. A vevõ egy vételi ablakot tart fenn, amely a fogadható keretek sorszámait tartalmazza.

Útközben megtörténhet, hogy megsérül a keret és hibásan érkezik meg a vevõhöz. Ebben az esetben két lehetséges változat lép fel. Az egyik esetben a hibás keret utáni kereteket nyugtázatlanul eldobja a vevõ, és így kényszeríti az adót, hogy újból ismételje meg a küldést. A másik esetben pedig a fogadó állomás az összes jó keretet eltárolja a hibás keret után. Az adó akkor veszi észre, hogy volt hibás kerete, ha nem kap nyugtát róla, és ekkor újból elküldi a sérült keretet.

4.1.2.2. Közeg-hozzáférési módszerek

Ahogyan már a számítógép-hálózatok fogalmainál ismertettem a hálózatok két kategóriába sorolhatóak. Vannak, amelyek pont-pont összeköttetést alkalmaznak, és vannak, amelyek adatszóró csatornát használnak. Üzenetszórásos csatornával rendelkezõ alhálózatok esetében egy kommunikációs csatorna létezik, és ehhez az egyetlen csatornához, közeghez kell minden állomásnak hozzáférnie. A hozzáférés itt az adást jelenti. Minden adatszóró hálózat esetében kulcskérdés az, hogy melyik állomás nyerje el a jogot a csatorna használatára. A közeg elérési módja szerint három fõ hozzáférési módszer lehet: véletlen vezérlés, osztott vezérlés és központosított vezérlés.

4.1.2.2.1. Véletlen átvitel-vezérlés

Mindegyik állomás a csatornán véletlenszerûen kezd adni. Ezt jól szemlélteti egy telefonos konferenciabeszélgetés. Mindenkinek külön készüléke van, és ezek egymással kapcsolatban állnak. Ha valaki befejezi mondanivalóját, akkor egyszerre többen is magukhoz ragadhatják a kezdeményezést. Ez nem fordulhat elõ, ha szemtõl szemben állnak egymással, mert akkor valamilyen módon jelezni tudják, hogy ki akarja folytatni a beszélgetést. Ebben az esetben az ütközések elkerülhetetlenek. Mivel a keretek küldése véletlenszerû, ezért valószínûség-számítási módszerekkel meghatározható az ütközés valószínûsége. Az ütközés akkor kerülhetõ el, ha a keret elküldésétõl a végéig más állomás nem küld új keretet vagy csak meghatározott idõpontokban. Ezen hozzáférési módszeren belül több megoldás lehetséges. Én ezek közül egyiket szeretném ismertetni: az ütközést jelzõ vivõérzékeléses többszörös hozzáférést (CSMA/CD). A módszer angol elnevezése Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection.

Ennek a módszernek a lényege abban áll, hogy mielõtt egy állomás elküldené keretét, elõször "lefüleli" a csatornát, hogy van e más állomás, ami használja a közeget. Ha egyik állomás sem használja a csatornát, akkor a "fülelõ" állomás elküldi üzenetét. A csatorna lehallgatása jelenti a vivõérzékelést. Azonban elõfordulhat olyan eset, hogy egyszerre két vagy több állomás akarja igénybe venni a csatornát. Az adás közben - mivel közben az üzenetet veszi - el tudja dönteni, hogy az adott és vett üzenet egyforma-e. Ha ezek különbözõek, akkor ez azt jelenti, hogy más is van a "vonalban", azaz a küldött üzenet hibás, vagyis ütközés történik. Ekkor az állomás megszakítja az üzenetküldést.

Azok az állomások, amelyek ismételt üzenetküldésre kényszerülnek, az újabb adás elõtt egy véletlenszerûen megválasztott ideig várakoznak. Ezek az idõk a véletlenszerûség miatt eltérõek. Így amelyiknek a legrövidebb a várakozási ideje, annak van lehetõsége az adásra. A többi állomás, miután lejárt a várakozási idejük, és adni szeretne, belehallgat a csatornába, már foglaltnak fogja észlelni.

4.1.2.2.2. Osztott átvitel-vezérlés

Ez a módszer elvben kiküszöböli az ütközéseket, azzal a megvalósítással, hogy a csatornához való hozzáféréshez mindig csak egy állomásnak van joga egy adott idõpontban. Ez a jog állomásról állomásra egymás után halad. Lehetséges módjai: vezérjeles gyûrû (Token Ring), vezérjeles sín (Token Bus) és az ütközést elkerülõ, vivõérzékeléses többszörös hozzáférés (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA).

4.1.2.2.2.1. Vezérjeles gyûrû (Token Ring)
Az IEEE 802.5 szabványa a vezérjeles gyûrû. E topológiájú hálózatok esetében a leggyakrabban használt hozzáférési módszer a vezérjel továbbításos eljárás, amelynek során egy vezérjel (token) halad körbe, állomásról állomásra. A vezérjel egy kis üzenet, amely a gyûrû foglaltságáról ad információt. Ha jelzése szabad, akkor a token-t vevõ állomás elküldheti üzenetét. A token-t foglaltra állítja, és az üzenettel küldi tovább vagy kivonja a gyûrûbõl. Az üzenet a gyûrûn halad körben állomásról állomásra. Amikor a gyûrûben az üzenet visszaér az elküldõ állomáshoz, akkor kivonja az üzenetét a gyûrûbõl, a token-t szabadra állítja, és továbbküldi az immár szabad jelzést adó vezérjelet más állomásnak.

10. ábra: Token Ring

Fizikailag a vezérjeles sín egy lineáris vagy fa elrendezésû kábel, amelyre állomások vannak csatlakoztatva logikailag gyûrûbe szervezett módon. Mindegyik állomás ismeri a szomszédjainak címét. Amikor a gyûrût üzembe helyezik, elsõként a legmagasabb sorszámú állomás küldhet üzenetet. Ez az üzenet tulajdonképpen a vezérjel. Két értéke lehet: szabad vagy foglalt. Ha egy állomás veszi a vezérjelet, és azt szabadnak találja, üzenettovábbításra van lehetõsége. Ha van elküldendõ üzenete, akkor a vezérjelet foglaltra állítja, és azt hozzáfûzve az üzenethez, elküldi a címzett részére. A vezérjel állomásról állomásra továbbítása egy logikai gyûrût képez. Helyi hálózatokra vonatkozó szabványát az IEEE 802.4 szabvány alatt deklarálták.

11. ábra: Vezérjeles sín

4.1.2.2.2.3. Ütközést elkerülõ, vivõérzékeléses többszörös hozzáférés (CSMA/CA)
Lényegét tekintve nagyon hasonlóan mûködik, mint a véletlen vezérlésû, ütközést jelzõ vivõérzékeléses többszörös hozzáférésû megoldás. Ez a módszer arra törekszik, hogy valóban elkerülje az ütközést. Itt minden állomás "belehallgat" a vonalba, és ezt követõen minden állomás egy adott ideig vár, amit egy logikai listában elfoglalt helyük határoz meg. Ha ez alatt az idõ alatt más állomás nem kezd el adni, akkor elkezdi az adást.

4.1.2.2.3. Központosított átvitel-vezérlés

Ebben az esetben van egy elsõdleges állomás, amely irányítja a hálózatot. Ez a vezérlõ berendezés, amely meghatározza a többi állomásnak, hogy mikor van joga üzenetet küldeni. Az állomások figyelik ezt a berendezést, és ha jogot ad az adattovábbításra, megkezdhetik az üzenetük elküldését. További feladata, hogy ha egy állomásnak engedélyt adott az adatküldéshez, és az az állomás még nem fejezte be az adást, akkor blokkolja más állomás adatküldését.

4.1.3. Hálózati réteg (network layer)

Ez a szint határozza meg azt az útvonalat, amelyen keresztül az adatok a hálózaton keresztül elérik a célállomást. Ezért a hálózati rétegnek kell a hálózat forgalmát, a torlódásokat és az átviteli vonalak átbocsátási sebességét irányítania.

Különbözõ hálózatok esetén eltérõ lehet a címzési módszer, a maximális csomagméret és a protokoll, ezért ez a réteg felelõs a különbözõ hálózatok összekapcsolásáért is. Ez a réteg gondoskodik a hálózatok között a csomagtovábbítással kapcsolatos szerkezetrõl, valamint a sorrendbõl kiesõ csomagok megfelelõ újraegyesítésérõl, felhasználva a csomagokban található sorszámra vonatkozó információt. Ezen réteg esetében már csomagokról (packet) beszélünk. A hálózati szoftverek általában forgalomirányítási útvonaltáblát használnak az adatok hálózaton való irányításához. Az útvonaltábla segítségével a hálózatban lévõ útirányítók kikereshetik egy csomag jelenlegi helye és a rendeltetési helye közötti legjobb útvonalat.

A forgalomirányítás (routing) feladata a csomagok hatékony eljuttatása az egyik csomópontból a másikba. Vonalkapcsolt hálózatok esetében az útvonal kijelölése a hívás felépítésének idejében történik. Csomagkapcsolt hálózatokban az útvonal kijelölése vagy minden csomagra külön-külön történik, vagy kialakít egy olyan útvonalat, amelyen egy sorozat csomag megy át. Ezért a csomópontoknak ún. routing táblákat kell tartalmaznia, amelyben a vele kapcsolatban álló csomópontokra vonatkozó adatok be vannak jegyezve. A forgalomirányítás összetettsége függ a hálózat topológiájától is.

A forgalomirányító módszereknek (algoritmus) két csoportja van: az alkalmazkodó (adaptív) és az elõre meghatározott (determinisztikus). A két fogalom közti különbség lényege abban áll, hogy az alkalmazkodó forgalomirányító a hálózati forgalomhoz alkalmazkodik, míg a másik módszer esetében az útvonal választási döntéseit a jelenlegi forgalom nem befolyásolja.

4.1.4. Szállítási réteg (transport layer)

Feladata a végpontok közötti adatátvitel zavartalan lebonyolítása. Amíg az alsóbb rétegekben a protokollok az egyes gépek és azok közvetlen szomszédjai között teremtenek kapcsolatot, addig a szállítási szint már csak végpont és végpont között folytathat virtuális beszélgetést. Virtuális beszélgetésnek nevezzük, ha két hálózatba kapcsolt gazdagép egymással össze van kötve, és a forrás gazdagép hálózati szintje virtuális beszélgetést folytat a rendeltetési gazdagép hálózati szintjével. Ez a kommunikáció csak egyenrangú szintek között jöhet létre. A fizikai szint, az adatkapcsolati és a hálózati szint esetében a csomagkapcsolók kommunikációs alhálózatként értelmezhetõk. A kommunikációs alhálózat a hálózat vagy alhálózat azon elemeibõl tevõdik össze, amelyek a forrás és a rendeltetési gazdagép közötti kommunikációs csatornát foglalják magukba.

Csomagkapcsolásos hálózatban alapvetõ feladata, hogy adatokat fogadjon a viszonyrétegtõl, azokat a hálózati szint által igényelt kisebb darabokra vágja szét, majd adja tovább a hálózati rétegnek és biztosítsa, hogy minden darab hibátlanul megérkezzék a másik oldalra. A fogadó gazdagépben ugyancsak a szállítási szintnek kell újból összeraknia az elõzõleg feldarabolt adatokat. Ezért a szállítási szint kialakítása közvetlenül befolyásolja a hálózaton keresztülhaladó csomagok mennyiségét. Következésképpen a szállítási szint hozza létre azt a csomagforgalmat, amit a hálózati szintnek kezelnie kell. A hálózathoz csatlakoztatott számítógépen egyidõben különbözõ programok különbözõ módon használhatják a hálózatot. A különbözõ alkalmazások közötti adatcseréért is a szállítási szint a felelõs.

A szállítási réteg több hálózati kapcsolatot is létrehozhat egyetlen átviteli kapcsolathoz, ha növelni akarják a hálózat sávszélességét. Minél nagyobb a sávszélesség, annál több adat rövidebb idõ alatt jut célba. Ha a szállítási szint úgy van megtervezve, hogy átviteli kapcsolatot több hálózati kapcsolathoz használjon, akkor multiplexelés-rõl, illetve demultiplexelés-rõl beszélünk.
Multiplexelés az az eljárás, amikor több jelet kell egymással kombinálni úgy, hogy azok elférjenek egyetlen kommunikációs csatornában. A demultiplexelés ennek a folyamatnak a fordítottja. Ebben az esetben a küldõ gép szállítási szintje több üzenetet kombinál az átviteli vonalon. A fogadó gép szállítási szintje pedig szétválogatja az összekombinált üzeneteket.

A szállítási összeköttetés legnépszerûbb típusa a hibamentes, két pont közötti csatorna, amelyen az üzenetek az elküldés sorrendjében érkeznek meg. Egy másik szállítási szolgáltatásnál az üzenetek továbbítása egymástól függetlenül, nem sorrendhelyesen valósul meg. Egy harmadik típusnál pedig egy célállomáscsoportnak küldenek üzeneteket. A szolgáltatás típusát az összeköttetés felépítésekor kell meghatározni.

tart.