Sieci Komputerowe i Technologie Internetowe (SKiTI) Wykład 6: Model TCP/IP - protokoły warstw transportowej. Dodatkowo, kilka słów o przemysłowych sieciach informatycznych. SKiTI07 WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA INŻYNIERII SYSTEMÓW STEROWANIA Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok I, semestr II dr inż. Tomasz Rutkowski 07
Plan wykładu Protokół, Port, Gniazdo Warstwa transportowa: Protokół TCP Protokół UDP Informacje o stanie podsystemu sieciowego (systemy operacyjne: Windows, Linux) polecenie netstat Co to przemysłowa sieć informatyczna? Czym jest Ethernet przemysłowy?
Protokół, Port, Gniazdo Protokół: Jest to ściśle zdefiniowany standard wymiany informacji (np. Telnet, FTP, HTTP...) Port: Identyfikacja przynależności transmisji do konkretnego procesu odbywa się na podstawie portu Numer portu jest liczbą 6-bitową związaną z procesem komunikującym się w sieci (od 0 do 65535) To adresy aplikacji które wymieniają dane 3
Protokół, Port, Gniazdo Gniazdo: Połączenie numeru IP komputera i portu na którym odbywa się komunikacja Gniazda są tworzone zarówno na komputerze nadającym i odbierającym, definiują one jednoznacznie transmisję w danej chwili w Internecie Zakres portów od 0 do 04 (zakres portów niskich) jest zarezerwowany dla tzw. dobrze znanych portów 9.68..00:80 : 9.68..77:499. Host A Host B IP Komputera Nr IP Komputera Nr Nadającego Portu Odbierającego Portu 4
Protokół, Port, Gniazdo Numery wybranych, dobrze znanych portów: Nr portu Protokół FTP (ang. File Transfer Protocol) SSH (ang. Secure Shell Login) 3 Telnet (ang. Network Terminal Protocol) 5 SMTP (ang. Simple Mail Transfer Protocol) 69 TFTP (ang. Trivial File Transfer Protocol) 80 HTTP (ang. HyperText Transfer Protocol) 6667 IRC (ang. Internet Relay Chat) 5
Model TCP/IP: Warstwa transportowa 6
Model ISO/OSI a model TCP/IP Model ISO/OSI Model TCP/IP Przykładowe protokoły Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa aplikacji DNS SNMP Telnet, SHH, FTP, SFTP, SMTP, POP, IMAP, HTTP, SHTTP Warstwa transportowa Warstwa transportowa UDP TCP Warstwa sieciowa Warstwa Internetu IP ICMP Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna Warstwa dostępu do sieci ARP, RARP np.: IEEE 80.3, 80.5, 80., 80.4 PPP SLIP... 7
Zadaniem warstwy transportowej jest zapewnienie usług przesyłania danych pomiędzy węzłami w sieci dla warstwy aplikacji niezależnie od specyfiki i fizycznej struktury sieci. Usługa połączeniowa i bezpołączeniowa Realizacja w urządzeniach wymieniających dane (przeważnie komputery), a nie rutery jak w warstwie sieciowej
Podstawowe protokoły warstwy transportowej: Protokół przesyłania datagramów UDP (ang. User Datagram Protocol) Protokół sterowania transmisją TCP (ang. Transmission Control Protocol)
Enkapsulacja Warstwa transportowa Nagłówek UDP lub TCP Dane Warstwa sieciowa Nagłówek IP Dane Warstwa łącza danych Nagłówek ramki
Protokół UDP
Protokół UDP Bardzo prostu protokół zapewniający minimalne usługi. Umożliwia wymianę danych pomiędzy komputerami nie nawiązując połączenia pomiędzy nimi. Nie zapewnia niezawodności nie gwarantuje dostarczenia pakietu. Wysyła paczkę danych i w żaden sposób nie sprawdza czy dotarły do celu.
Jednostka danych przesyłanych przez protokół UDP jest pakiet (często nazywany datagramem). Pakiet UDP składa się z nagłówka i danych, jego maksymalna długość to 65 55 bajtów, a minimalna to 8 bajtów. Nagłówek protokołu UDP ma długość 8 bajtów i składa się z czterech części: port źródłowy, port docelowy, długość, suma kontrolna.
Struktura pakietu UDP 0 3 4 5 6 7 8 9 0 3 4 5 6 7 8 9 0 3 4 5 6 7 8 9 3 0 3 Port źródłowy Port docelowy Długość Suma kontrolna DANE Port docelowy to jedyna informacja o adresacie. DANE
Zastosowania UDP Rozsyłanie grupowe (do wielu komputerów jednocześnie) możliwe w wyniku bezpołączeniowości Proste usługi sieciowe w modelu klient-serwer (np. usługa DNS) Prosty model komunikacji pytanie-odpowiedź, tzw. szybkie zapytania Multimedia w czasie rzeczywistym (transmisja dźwięku w tym mowy, obrazu) utrata pakietu nie jest krytyczna
Protokół UDP podsumowanie: praca w trybie bezpołączeniowym brak gwarancji dostarczenia danych dowolność w interakcjach (konfiguracjach) jeżeli chodzi wysyłanie i odbieranie danych pomiędzy aplikacjami komunikacja pomiędzy aplikacjami końcowymi niezależność od systemu operacyjnego
Protokół TCP 7
Protokół TCP TCP jest protokołem warstwy transportowej zapewniającym niezawodność transmisji na bazie zawodnego protokołu IP Podstawą niezawodności jest przesyłanie potwierdzeń oraz retransmisja TCP jest znacznie bardziej złożony od UDP
Protokół TCP nazywany jest protokołem obsługi końców połączenia ponieważ zapewnia połączenie bezpośrednio pomiędzy programami (w ogólności) na różnych komputerach. Są to połączenia programowe. TCP wykorzystuje IP do przenoszenia komunikatów w pakietach. IP nie interpretuje komunikatów TCP tylko traktuje je jak dane do przesłania. Węzeł Program Komunikacja z punktu widzenia TCP Węzeł Program TCP TCP Ruter IP IP IP Interfejs sieciowy Interfejs sieciowy Interfejs sieciowy Sieć Sieć
Protokół TCP, cd. Jednostka danych przesyłanych przez protokół TCP pakiet (często nazywany segmentem) Segment TCP może mieć maksymalnie rozmiar 65535 bajtów, przy czym zwykle jest mniejszy zależy od parametru tzw. Maksymalnego rozmiaru segmentu MSS (ang. Maximum Segment Size ) Każdy segment TCP zawiera sumę kontrolną wykorzystywaną przez odbiorcę do sprawdzenia poprawności przesłanych danych
Struktura pakietu TCP 0 3 4 5 6 7 8 9 0 3 4 5 6 7 8 9 0 3 4 5 6 7 8 9 3 0 3 Port źródłowy Port docelowy Numer sekwencyjny Numer potwierdzenia Długość nagłówka U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Okno Suma kontrolna Wskaźnik pilności Opcje Dane URG pilność, ACK potwierdzenie, PSH - natychmiast dostarczyć RST- zresetowanie połączenia, SYN-nawiązanie połączenia, FIN-zakończenie połączenia
Trójfazowe nawiązywanie połączenia w TCP (ang. three-way handshaking) SYN n SYN m, ACK n+ czas ACK m+ Węzeł Węzeł
Kończenie połączenia w TCP FIN r, ACK s ACK r+ FIN s czas ACK s+ Węzeł Węzeł
Uzyskiwanie niezawodności transmisji pakiet ACK pakiet Retransmisja z adaptacją umożliwia dostosowanie się TCP do warunków w sieci. Czas retransmisji pakiet3 ACK Retransmisja Zgubienie pakietu pakiet3 czas Inny powinien być czas retransmisji dla sieci LAN inny dla WAN ACK3 Węzeł Węzeł
Bufory, kontrola przepływu, okna: Bufor to określony rozmiar pamięci przeznaczony na cele komunikacyjne. Okno to aktualny rozmiar wolnej pamięci w buforze. Propozycja okna to przysłane przez odbiorcę rozmiar okna gotowego do przyjęcia danych. Przy zapełnieniu bufora odbiorcy może dojść do sytuacji oferty zerowego okna. Wtedy nadawca musi wstrzymać nadawanie. Mechanizm okien wykorzystywany jest do kontroli przepływu.
Mechanizm kontroli przeciążeń: Jako miara przeciążenia używana jest liczba utraconych pakietów. Zamiast natychmiastowego wysłania zagubionych pakietów (i ewentualnego pogorszenia sytuacji) wysyłany jest pojedynczy komunikat, jeśli przyjdzie potwierdzenie wysyłane są dwa komunikaty itd. aż do osiągnięcia połowy okna odbiorcy. W przypadku przeciążenia zmniejszana drastycznie jest prędkość nadawania umożliwia to rozładowanie przeciążenia.
Protokół TCP podsumowanie: praca w trybie połączeniowym pełna niezawodność komunikacja punkt-punkt duplexowa wymiana danych interfejs strumieniowy efektywne nawiązanie połączenia poprawne zakończenie połączenia
Podstawowe informacje o stanie podsystemu sieciowego 8
Polecenie netstat w Windows i Linux służy do wyświetlania informacji o stanie podsystemu sieciowego: netstat na netstat se netstat r
Co to przemysłowa sieć informatyczna? Czym jest Ethernet przemysłowy? 33
Przemysłowe Sieci Informatyczne Są to sieci dedykowane do komunikacji w ściśle określonych warunkach (np. przemysłowych) oraz spełniające określone wymagania (np. postulat pracy w czasie rzeczywistym deterministyczny czas przesyłania danych). Nie są to sieci ogólnego przeznaczenia. Nie posiadają cech uniwersalności, a raczej ściśle dostosowane są do warunków, w których mają umożliwiać efektywne przesyłanie danych. Współczesna automatyka (systemy rozproszone) szeroko wykorzystuje przemysłowe sieci informatyczne.
Ethernet przemysłowy Dlaczego klasyczny Ethernet nie jest siecią czasu rzeczywistego? Metody uprzemysławiania Ethernetu. Czy spełnienie postulatu czasu rzeczywistego jest konieczne we wszelkich aspektach sieci przemysłowych?
Ethernet przemysłowy Od wielu lat, Ethernet zaczyna zdobywać coraz liczniejszą rzeszę zwolenników jego stosowania w automatyce jako sposób na ujednolicenie platformy sterowania i wymiany danych w przedsiębiorstwie. Pomimo swoich wad, jak chociażby brak determinizmu, posiada wiele zalet.
Zalety Ethernetu jako sieci przemysłowej: duża prędkość w porównaniu z protokołami firmowymi (do GB/s i więcej w przyszłości) możliwość wykorzystania popularnego okablowania miedzianego (skrętka kat. 5/6) lub światłowodów duże odległości między węzłami i punktami sieci dzięki światłowodowym (sieć lokalna może być zarazem siecią rozległą geograficznie) możliwość wykorzystania dużej różnorodności już istniejącego sprzętu sieciowego, tańszego od odpowiedników dedykowanych sieciom fieldbus, możliwość budowy sieci składających się ze znacznie większej ilości punktów, urządzenia mogą komunikować się w trybie każdy-z-każdym (ver. tryb master-slave) duża skalowalność sieci, łatwość udostępniania danych w informatycznej sieci ogólnozakładowej i internecie, technologia ethernet jest ogólnie znana i nie wymaga specjalistycznej wiedzy.
Wady Ethernetu jako sieci przemysłowej: brak determinizmu: protokół TCP nie jest przystosowany do pracy w czasie rzeczywistym, brak stałych opóźnień, występujące kolizje pakietów. Eliminacja wad Ethernetu: Kolizje wyeliminowano poprzez zastosowanie przełączników, w których każdy port posiada swoje pasmo, nie kolidujące z innymi portami. Zastosowano czasowe znaczniki pakietów i synchronizację transmisji w wielu urządzeniach równocześnie, poprzez wbudowanie w przełączniki zegarów. Protokoły synchronizujące zegary to NTP (Network Time Protocol) i SNTP (Simple Network Time Protocol), oraz najbardziej dokładny - IEEE 588. Pozwala on na synchronizację z dokładnością poniżej ms. Wprowadzono protokoły oparte na fizycznej warstwie ethernetu, znacznie skracając czas odpowiedzi i jitter (zmienność opóźnienia), zbliżając ethernet do sieci czasu rzeczywistego. Wymaga to jednak zastosowania dedykowanych urządzeń i konwerterów do ethernetu TCP/IP.
Przykłady przemysłowych sieci informatycznych 39
Wśród wielu istniejących protokołów opartych na fizycznej warstwie Ethernetu, do najpopularniejszych można zaliczyć: Modbus/TCP - wspierany przez Modbus-IDA. Jest to dobrze znany Modbus w sieci TCP/IP, oparty na architekturze master/slave lub client/server. EtherNet/IP - wspierany przez ODVA i ControlNet. Używa Common Interface Protocol (CIP), który jest wspólny dla sieci Ethernet/IP, ControlNet i DeviceNet. W sieci Ethernet/IP, wymiana danych krytycznych czasowo oparta jest na modelu producer/consumer. Największą zaletą tego modelu jest większa efektywność wykorzystania pasma. Dane konfiguracyjne, diagnostyczne i I/O przesyłane są przez standardowy ethernet. Ethernet Powerlink - wspierany przez EPSG. Ethernet Powerlink składa się z podsieci (domen) czasu rzeczywistego. Aby uniknąć kolizji, mechanizm CSMA/CD jest wyłączony. Dostęp do sieci jest podzielony na cykliczne szczeliny czasowe, przydzielane każdemu punktowi sieci przez stację zarządzającą.
Profinet - wspierany przez PRPFIBUS International. Profinet pozwala na integrację w jednej sieci prostych urządzeń polowych oraz aplikacji krytycznych czasowo. Komunikacja ma trzy poziomy wydajności: TCP, UDP i IP dla danych niekrytycznych czasowo, Soft Real Time (SRT) dla danych krytycznych czasowo, izochroniczny tryb Real Time (IRT) do wyjątkowo wymagających zastosowań. Jako elementy aktywne wykorzystywane są switche. EtherCAT - wspierany przez EtherCAT Technology Group. Protokół wykorzystuje ramki ethernet. Interpretacja danych odbywa się "w locie", w pełni sprzętowo. EtherCAT osiąga 000 I/O binarnych w 30µs. SercosIII - wspierany przez SERCOS International e. V. Protokół wykorzystywany do wymiany informacji między sterownikami i napędami. Podobny do EtherCAT ale poddany większym restrykcjom.
Bibliografia [] Sieci komputerowe i intersieci, Douglas E. Comer, WNT, 000 [] Sieci komputerowe, Andrew S. Tanenbaum, Helion, 004 [3] Okablowanie strukturalne sieci, Rafał Pawlak, Helion, 006 [4] Wydanie specjalne miesięcznika NetWorld Vademecum Teleinformatyka - Sieci komputerowe, Indeks 3880; ISSN 3-873, Czerwiec 998 [5] Ethernet sieci, mechanizmy, Krzysztof Nowicki, Infotech, 006 [6] Wojciech Mielczarek, Szeregowe interfejsy cyfrowe, Helion 993
Dziękuję za uwagę!!! 43