Hálózati réteg (OSI–3: TCP/IP–2) protokollok

IP:

Az internet-protokoll (internet Protocol) az internet (és internet alapú) hálózat egyik alapvető szabványa (protokollja). Ezen protokoll segítségével kommunikálnak egymással az internetre kötött csomópontok.

Kialakításában fontos szerepet játszott az egyszerűség, és a robusztusság. Ezek egy olcsó technológiát eredményeztek, aminek segítségével gyorsan terjedt az IP, kiszorítva például a jóval komplexebb, de igen drága konkurenst, az ATM-et. Fejlesztését még az ARPA kezdte el, jelenleg az IETF felügyeli. 4-es verziójának (IPv4) leírását az RFC 791 tartalmazza. Az IPv6 az internet címek közelgő telítődése miatt született meg, az átállás a két címzés között még hosszú éveket fog igénybe venni, addig a két címzési rendszer egymás mellett fog futni. Az IP a klasszikus OSI besorolás alapján a harmadik hálózati rétegben helyezkedik el. Csomagkapcsolt hálózatot valósít meg, azaz nem építi fel a kapcsolatot a forrás és a cél között, hanem minden egyes csomagot külön irányít (route-ol). Hibadetektálást és hibajavítást nem végez (ezeket nevezzük „megbízhatatlan”

protokollnak), ezeket a funkciókat főleg a szállítási rétegben elhelyezkedő protokollokra bízza (például TCP). Ennek a kialakításnak az oka az, hogy az egyszerűségre törekedtek.

Így a hibajavítás terhe főképp a forrás és a cél számítógépeknél jelentkezik, és nem terheli feleslegesen az egyébként is leterhelt hálózati útirányválasztó csomópontokat (router).

IPv4:

Az IPv4-ben a forrás- és célállomásokat (az úgynevezett hostokat) címekkel (IP-címek) azonosítja, amelyek 32 biten ábrázolt egész számok; azonban ezt hagyományosan négy darab 8 bites (azaz 1 byte-os, vagyis 0 és 255 közé eső), ponttal elválasztott számmal írjuk le a könnyebb olvashatóság miatt (pl. 192.168.42.1). A címek felépítése hierarchikus: a szám bal oldala (vagy szakmai nevén a legnagyobb helyiértékű bitek felől indulva) a legfelső szintet jelenti, és jobbra haladva az ez alatti szinteket kapjuk meg, például egy szolgáltatót, a szolgáltató alatti ügyfeleket, és az ügyfelek alatti egyes számítógépeket.

A hálózatokon az IP címek a MAC-címekhez kerülnek hozzárendelésre, melyek (mivel ROM-ban kerülnek tárolásra) az egységek egyedi azonosítását végzik. A hozzárendelések megkeresésére szolgál az ARP-protokoll (IPv4-címek esetén, IPv6-nál az NDP célravezető). Ez a hagyományos IP-protokoll a kezdetben jól megfelelt, az internet előre nem látott növekedése közben sok problémába ütköztek a hálózati szakemberek. Egyik ilyen az, hogy nem elégséges a kiosztott címek mennyisége. Gondot jelent, hogy nem támogatja a protokoll a mobilitást, nincs lehetőség benne korrekt titkosítás támogatására stb. Az IPv6-ot ezeknek a problémáknak feloldására hozta létre az internet Engineering Task Force (IETF) 1998-ban, és a szabályait az RFC 2460 rögzíti.

IPv6:

Az IPv6 (internet Protocol version 6) tervezésekor nemcsak az IP4 hibáit igyekeztek megszüntetni, hanem új szolgáltatásokat beépíteni, amelyek a protokollt gyorsabbá és az új felhasználói igényeknek jobban megfelelőbbé teszik.

Az IPv6 legfontosabb jellemzői:

 megnövelt, nagyobb címtartomány,

 közvetlen végponti címezhetőség,

 automatikus konfiguráció, vagyis a munkaállomások automatikus hálózati konfigurálását támogató rendszer

 hálózati mobilitás, egy hálózati csatolóhoz egy időben több címet rendelhetünk.

Ez hasonló a mobilszolgáltatók roaming, (barangolási) szolgáltatásához,

 titkosítás, azonosítás: Az IPv6 címzés szerves része az IPsec biztonsági protokoll, ez hálózati szinten nyújt lehetőséget arra, hogy a kommunikációban részt vevő felhasználók hitelesen azonosítsák egymást, és az egymást közt zajló

adatforgalmat titkosítsák egy biztonságos úgynevezett alagúton, tunnelen keresztül anélkül, hogy az internetről bárki le tudná hallgatni őket,

 többszörös címezhetőség, szabványosított multicast.

Az átállás az IPv4-ről IPv6-ra, nem tud az egész interneten egy időben lezajlani, ezért szükséges, hogy a két rendszer egymás mellett működhessen, akár az interneten vagy a gépen belül is. Ezt az átmenetet a kompatibilis címek (az IPv4-címek egyszerűen átalakíthatók IPv6-címekké), és a különféle alagutak alkalmazása biztosítja.

Használhatnak egy kettős protokollcsomag, (dual stack IP) nevű technikát is, amely mindkét protokollt egy időben támogatja. A két teljesen különálló hálózati alrendszer és a két különböző protokollverzió nincs hatással egymásra.

A hálózatokon az IP címek a MAC-címekhez kerülnek hozzárendelésre, melyek (mivel ROM-ban kerülnek tárolásra) az egységek egyedi azonosítását végzik. A hozzárendelések

megkeresésére szolgál az ARP protokoll IPv4-címek esetén, IPv6-nál az NDP célra-vezetőbb.

ARP:

Az ARP (Address Resolution Protocol) címfeloldási protokoll jellemzően az Ethernet hálózatokon elterjedt protokoll, célja a logikai IPv4-címekhez tartozó MAC fizikai címek felderítése (Az IPv6-címekhez már az NDP-protokoll alkalmazandó). Erre azért van szükség, mert míg az IP címek szabadon változtathatók, a MAC címek ROM-ból kerülnek kiolvasásra minden egységben – ezért ezek jellemzően egyedi azonosítók. Amikor egy egység egy másikkal akar forgalmazni, első körben ki kell derítenie annak a MAC-címét.

Ennek menetét (és az ARP célját) a 3.33 ábra szemlélteti.

A példa szerint a 192.168.1.11 IP-című PC-mről szeretném elérni a 192.168.1.37 című PLC-t.

3.33 ábra: ARP elérés A lépések sorrendje:

1. (ARP cache checked) A PC megvizsgálja az ARP-gyorsítótárat, hogy nem lelhető-e véletlenül ott a célállomás címe (ezzel az egész itt következő eljárást megspórolva magának). (ha nem akkor:)

2. (ARP send a request) A PC egy broadcast ARP telegrammot küld a hálózaton lévő összes egységnek, megköröztetve benne a „192.168.1.37” IP-cím pillanatnyi tulajdonosát.

3. (ARP entry is added to cache) Az összes állomás – jó esetben egy kivételével – eldobja a telegrammot, mivel az nem az ő IP-címére kérdezett rá. A lenti PLC, mielőtt válaszolna, biztos, ami biztos alapon (lehet, hogy később még

forgalmaznia kell ide) lementi a saját ARP gyorsítótárába a PC MAC címét és az annak megfelelő IP-címet.

4. (ARP send reply) Most már mehet a válasz a PC-nek, hogy megtalálta a partnerét.

A telegram tartalmazza a PLC MAC-címét (00.0e.cf.00.11.22).

5. (ARP entry is added to cache) A PC is rögzíti az ARP-gyorsítótárba a PLC elérhetőségét.

Az ARP-t az RFC 826 definiálja.

NDP:

Az NDP (Neighbor Discovery Protocol) 2007-ben látott napvilágot. NDP funkcionálisan gyakorlatilag megegyezik az ARP működésével, azzal az eltéréssel, hogy ezzel az IPv6-os címek alapján lehet vadászni a MAC-címeket. (és persze ebből adódóan az NDP telegrammok felépítése eltér az ARP-s elődétől).

ARCnet:

Az ARCnet-et 1977-ben jelentette meg a Datapoint Corporation. Tőlük vette át az SMC, saját lapkakészletet tervezve hozzá. Már nem olyan népszerű, mint korábban, ma az Ethernet és a Token Ring is elterjedtebb nála. Ennek egyik oka az, hogy alacsony, 2,5 Mbit/s-os átviteli sebességgel rendelkezik, amelyet más hálózatok ma már komoly mértékben túlszárnyalnak. A tervbevett gyorsabb ARCnet (az ARCnetPlus) pedig az igéret ellenére nem született meg. Az ARCnet mégis sokoldalú, rugalmasan bővíthető hálózat, minden hordozón működtethető, továbbá a busz és a csillag topológiát egyaránt támogatja, akár egy hálózaton belül is. Jellemző részei a csillag középpontjában levő hub. Ez lehet aktív, ekkor erősíti is a jelet, vagy passzív, ez esetben csak illesztésre szolgál. Valamennyi, a hálózat méretére vonatkozó megkötés abból a követelményből ered, hogy bármely két állomás közötti jelterjedési időnek 0,031 s-nél rövidebbnek kell lenni. A csillag struktúra például úgy is bővíthető, hogy az ARCnet buszos hálózatát a hub egyik csatlakozójára rákötjük, s így az a csillag egyik ágává válik. Az ARCnet szintén vezérjel-továbbításos hálózat, a vezérjel egy logikai gyűrűben kering.

IEEE 802.5 Token Ring:

A Token Ring vezérjel- (vagy másnéven token) továbbításos, gyűrű szerkezetű hálózatot írnak le. Az IEEE szabványai között a 802.5-ös az egyetlen, amely gyűrű topológiára vonatkozik. Alapjául az IBM Token Ring hálózata szolgál, olyannyira, hogy kompatibilis is vele, sőt az időközben megjelent új IBM fejlesztéseket is átvette.

A Token Ring szabvány az alsó két teljes réteget lefedi. A gyakorlatban az ilyen hálózatot csillag alakban kábelezik, noha funkcionálisan gyűrű marad. Ugyanis egy ránézésre is gyűrű elrendezésű kábelezés esetén gondot jelenthet egy-egy állomás kikapcsolása, hiszen a gyűrű minden állomása veszi, feldolgozza, és erősítve továbbítja a vezérjelet.

Valamely állomás kiesése a gyűrű megszakadását eredményezi. A csillagszerű kábelezés középpontjában található egy MSAU nevű eszköz, amely nem pusztán egy kábelrendező, hanem a kiiktatott állomás automatikus megkerülésére is alkalmas áramköröket tartalmaz.

Természetesen több ilyen eszköz köthető egymáshoz, következésképpen nagy hálózatok kialakítására is mód nyílik.

A létesítményekben használatos buszrendszerek:

Mint már eddig is látható volt rengeteg buszrendszer létezik, ezek egymáshoz való kapcsolódása is gyakorlatilag minden szinten megoldott. Gyakorlatilag valamennyi buszrendszer az 8.13. ábrán vázolt logikába illeszthető. A következő, 3.34 ábra egy ilyet mutat.

3.34 ábra: Schneider Electric ipari kommunikációs hálózat Forrás: DE MK Schneider Electric Tudáscenter [56]