Úvod do počítačových sítí

Transkript

OBCHODNÍ AKADEMIE, Orlová, příspěvková organizace
ÚVOD DO POČÍTAČOVÝCH SÍTÍ
UČEBNÍ TEXT PRO DISTANČNÍ FORMU VZDĚLÁVÁNÍ
Mgr. MARCELA KOUTNÁ
RNDr. TOMÁŠ SOCHOR, CSc.
ORLOVÁ 2006
Cíl předmětu
Cílem předmětu je seznámit studenty se základy teorie počítačových sítí a
dát jim potřebnou motivaci pro pochopení důležitosti teorie pro praxi.
Studenti se seznámí se základními pojmy, principy a vybavením, které jsou
nutné pro funkčnost počítačové sítě.
Studijní opora je rozdělena do 6 kapitol, ve kterých jsou studentům
přiblíženy základní pojmy počítačových sítí, topologie sítí, používaná
kabeláž, aktivní prvky, standardy a vrstvové modely pro komunikaci v síti.
Kapitoly obsahují příklady, úkoly k procvičení, kontrolní otázky (jejich
řešení je uvedeno v závěru opory) a korespondenční úkoly.
Po prostudování textu budete znát:
•
•
•
•
•
Základní pojmy z oblasti počítačových sítí.
Typy počítačových sítí podle různých kritérií, jejich výhody.
Používané technické vybavení.
Standardy pro komunikaci po síti.
Vrstvové síťové modely ISO/OSI a TCP/IP a používané protokoly.
Čas potřebný k prostudování učiva předmětu:
Celý text lze zvládnout přibližně za 20 hodin intenzivního studia. Je však
vhodnější studium rozdělit do delšího časového období s přestávkami, aby
náročnější části byly lépe promyšleny. Součástí studia je také podpora
tutora, se kterým lze konzultovat obtížnější pasáže textu.
Přejeme Vám hodně elánu při studiu základních pojmů počítačových sítí.
Autoři
Obsah předmětu
1
Základní pojmy počítačových sítí....................................................... 5
1.1
Typy koncových uzlů v síti............................................................ 6
1.2
Typy sítí ......................................................................................... 6
1.3
Výhody počítačových sítí .............................................................. 7
2
Topologie sítí......................................................................................... 9
2.1
Sběrnicová topologie ................................................................... 10
2.2
Hvězdicová topologie .................................................................. 10
2.3
Kruhová topologie ....................................................................... 12
2.4
Stromová topologie...................................................................... 13
3
Kabely a síťové karty ........................................................................ 15
3.1
Důležité parametry kabelů ........................................................... 15
3.2
Koaxiální kabel ............................................................................ 16
3.3
Kroucená dvojlinka (Twisted Pair – ozn. TP) ............................. 16
3.4
Optický kabel ............................................................................... 17
3.5
Strukturovaná kabeláž.................................................................. 19
3.6
Síťové karty (adaptéry) ................................................................ 21
4
Standardy síťového hardware .......................................................... 24
4.1
Ethernet ........................................................................................ 25
4.2
Přístupová metoda CSMA/CD..................................................... 25
4.3
Standardy Ethernetu..................................................................... 26
4.4
Fast Ethernet ................................................................................ 28
4.5
Gigabitový Ethernet ..................................................................... 29
4.6
Token Ring................................................................................... 31
4.6.1
Princip metody token passing .............................................. 31
4.7
FDDI ............................................................................................ 32
5
Vrstvové síťové modely ..................................................................... 35
5.1
Charakteristika vrstev modelu ISO/OSI ...................................... 38
5.2
Charakteristika vrstev modelu TCP/IP ........................................ 43
5.3
Nejdůležitější protokoly modelu TCP/IP – IP, TCP, UDP.......... 45
5.4
IP adresa, maska podsítě .............................................................. 49
6
Aktivní prvky ..................................................................................... 56
6.1
Repeater (opakovač), hub (rozbočovač) ...................................... 56
6.2
Switch (přepínač), Bridge (most)................................................. 58
6.3
Router (směrovač)........................................................................ 60
6.4
Gateway (brána)........................................................................... 61
Řešení kontrolních otázek ......................................................................... 64
Přehled používaných symbolů .................................................................. 65
LITERATURA........................................................................................... 66
5
Základní pojmy počítačových sítí
1 Základní pojmy počítačových sítí
V této kapitole se seznámíte s:
• pojmy týkajícími se počítačových sítí
• výhodami zapojení počítačů do sítě
Budete schopni:
• rozlišit typy počítačových sítí
• zdůvodnit využití počítačové sítě v dnešním životě
Klíčová slova – pojmy k zapamatování
- počítačová síť
- sítě typu LAN, MAN, WAN
- základní prvky sítě
- sdílení v síti
Každý z nás se jistě s pojmem počítačová síť někdy setkal, ať už
prakticky, nebo alespoň prostřednictvím různých služeb. Počítače nás
dnes obklopují ze všech stran, jsou využívány v nejrůznějších oblastech
života. Základem života člověka ve společnosti je komunikace
s ostatními lidmi. Při vývoji počítačové techniky proto také vznikla
potřeba komunikovat, a proto byly propojeny počítače jednotlivých
uživatelů nejprve do malé počítačové sítě, později se síť rozšířila po
celém světě .
Počítačová síť je systém, který vznikne vzájemným propojením počítačů
s cílem komunikovat a společně využívat prostředky připojené
k jednotlivým počítačům.
Počítačová
síť
Základními důvody pro vytvoření prvních počítačových sítí byla potřeba
společného přístupu k datům, přenos dat mezi počítači (zejména za účelem
připojení uživatele k jinému počítači pro provádění výpočtů a jiných operací
na dálku, obvykle formou tzv. vzdálené terminálové relace)a v neposlední
řadě tisk na tiskárně připojené k jinému počítači.
Úkol k zamyšlení:
Zamyslete se nad tím, v jakých konkrétních oblastech lze takto
počítačovou síť využívat.
Každá počítačová síť se skládá z jednotlivých stanic (počítačů), síťového
hardwaru (síťové karty, kabely, konektory, aktivní prvky atd.) a síťového
softwaru (programů pro práci v síti).
Kromě tohoto vybavení je důležitý správce sítě, tj. člověk, který udržuje
přehled o zapojení počítačové sítě, jejím vybavení, uživatelích a jejich
právech.
Správce sítě
6
Za součást počítačové sítě se považují i organizační opatření pro fungování
sítě, např. pravidla pro přidělování oprávnění pro práci v síti uživatelům
podle jejich pracovního zařazení.
1.1 Typy koncových uzlů v síti
V počítačové síti se obvykle vyskytují následující 2 typů koncových uzlů:
• Servery – poskytují ostatním stanicím určité služby (souborové,
aplikační, tiskové, poštovní, databázové, terminálové)
– současně plní funkci řídící stanice v síti
– v síti může být jeden nebo více serverů (v malých sítích
nemusí být žádný – viz síť peer-to-peer níže)
• Pracovní stanice (workstation) – počítač, u kterého pracuje uživatel,
využívá služeb poskytovaných serverem.
Dedikovaný server (vyhrazený server) – stanice, která plní pouze funkci
serveru, není současně pracovní stanicí.
1.2 Typy sítí
Počítačové sítě dělíme zejména podle následujících kritérií:
• Podle organizace práce a přenosu dat:
Klient – server – neboli „síť serverového typu“je síť
s centralizovanými prostředky, složena z hlavního počítače (serveru)
a pracovních stanic, jejichž počet je závislý na výkonnosti serveru (až
stovky stanic). Server slouží pro uložení společných dat a správu sítě,
stanice se mohou kdykoli připojit a odpojit.
Peer – to – peer – síť s distribuovanými prostředky, kde není určen
server, všechny počítače jsou si rovny, využívána jako jednoduchá síť
pro pracovní skupiny, kolem 10 stanic. Při větším počtu počítačů v síti
se především špatně udržuje přehled o prostředcích, které jsou v síti
k dispozici, zejména pak o datových souborech a programech. Navíc
musí všechny počítače, resp. alespoň ty, jejichž prostředky využívá
uživatel na jiném počítači, zůstat zapnuty až do okamžiku, kdy poslední
uživatel ukončí práci s příslušným sdíleným prostředkem.
•
Sdílení v síti
Podle územního členění: LAN – lokální síť (ve firmách, školách atd.),
tedy sítě omezeného rozsahu se stanicemi
vzdálenými nejvýše několik km od sebe
MAN – městské sítě
WAN – rozsáhlé sítě národní, mezinárodní až
celosvětové sítě (např. Internet)
Dříve, než začneme vyjmenovávat výhody zapojení počítačů do sítě, je
nutné objasnit pojem sdílení. Sdílení (programů, dat, tiskárny atd.) je
využívání těchto prostředků více uživateli současně. Znamená především
úsporu (místa na disku, techniky) a přehlednost práce v síti a mnohdy díky
umožnění centralizovaného zálohování dat i zvýšení úrovně zabezpečení
dat.
7
Příklad:
V rámci školní počítačové sítě jsou počítače (stanice) připojeny
k serveru, na jehož disku jsou uložena data společná pro všechny
učitele a studenty školy (dále tam mohou být i data „soukromá“,
tedy data vytvořená uživatelem, k nimž nemají mít ostatní uživatelé
přístup, např. domácí úkoly jednotlivých sutdentů apod.). Každý
student a učitel má na serveru vytvořen účet uživatele sítě se svým
heslem, pomocí něhož se může na jakékoli stanici přihlásit do sítě.
Uživatelům jsou přidělena různá přístupová práva, která upravují
jejich možnosti práce v síti, přístup k datům a hardwarovým
prostředkům. Jedna ze stanic v síti slouží ke zprostředkování tisku,
je k ní připojena tiskárna, která je k dispozici všem přihlášeným
uživatelům. Vše tvoří, udržuje v provozu, kontroluje a řídí správce
sítě v souladu se stanovenou bezpečnostní politikou školy.
Pokuste se charakterizovat rozdíly mezi sítí klient-server a peer-topeer, uveďte příklady využití jednotlivých typů sítě. Jaký je rozdíl
mezi sdílením v síti klient-server a peer-to-peer?
1.3 Výhody počítačových sítí
•
•
•
•
•
•
•
•
Sdílení souborů a aplikací – je závislé na nastavení přístupových
práv uživatelů k daným souborům.
Sdílení diskového prostoru – přináší úsporu místa na disku, opět lze
omezit pomocí přístupových práv (např. max. množství dat uložených
určitým uživatelem).
Sdílení technických prostředků (CD ROM, tiskárny, scanner,
videokamera …) –není nutné, aby u každého počítače byla připojena
tiskárna, díky sdílení lze tisknout na jedné společné tiskárně.
Snadný přenos dat – při přenosu dat po síti nemusíme řešit problémy
s vadnou disketou, odpadá omezení dané velikostí výměnného média.
Komunikace mezi uživateli –e-mail, chat, ICQ a další služby.
Přístup k informacím – především ke službám v celosvětové síti Internet
(www).
Možnost řízení provozu na síti – správce sítě má k dispozici nástroje pro
kontrolu a řízení práce v síti (např. přehled o přihlášených uživatelích).
Ochrana dat – díky soustředění dat na serveru je možno zabezpečit data
proti virům i zneužití zvenčí, samozřejmě je vhodné data v pravidelných
intervalech zálohovat. Zálohování je v tomto případě (na rozdíl od
situace rozmístění dat uživatelů na jejich PC) možné zajistit centrálně na
serveru.
8
Kontrolní otázka:
Zamyslete se nad tím, které z níže uvedených situací jsou příkladem
sítě LAN:
i) Tři počítače a tiskárna v jedné kanceláři jsou navzájem propojeny
kabelem, aby všichni uživatelé mohli sdílet tiskárnu.
j) Dva počítače v Londýně a jeden v Paříži sdílejí stejné dokumenty a
program pro elektronickou poštu (e-mail).
k) Více než 150 samostatných počítačů v pobočce firmy Microsoft
používá textový editor Word.
l) Více než 200 počítačů ve velké administrativní budově je navzájem
propojeno tak, aby mohly sdílet soubory, tiskárny a další zdroje.
Shrnutí kapitoly:
Počítačová síť je systém, tvořený soustavou vzájemně propojených
počítačů a dalších výpočetních prostředků. Základním principem je
komunikace uživatelů a společné využití programových a technických
prostředků (sdílení). Počítačové sítě lze klasifikovat podle různých
kritérií, přičemž základní rozdělení je na sítě klient-server a peer-topeer, dále pak LAN, MAN ,WAN sítě. Možnosti počítačových sítí jsou
velmi rozsáhlé, od lokálních sítí v rámci firem až po celosvětovou síť –
Internet.
9
Topologie sítí
2 Topologie sítí
V této kapitole:
• seznámíte se s pojmem topologie sítě
• získáte orientaci v různých typech topologií, jejich výhodách
a nevýhodách
Budete schopni:
• popsat různé způsoby zapojení počítačů do sítě
• rozlišit, které topologie jsou více využívány a proč
- topologie
- hub, switch
- metoda náhodného přístupu, Token ring
Obecně topologie představuje způsob rozmístění a spolupráce počítačů
zapojených do sítě, přičemž tento pojem lze popsat ze dvou hledisek:
• topologie fyzická – způsob propojení stanic v síti
• topologie logická – způsob přenosu dat v síti
Logická topologie někdy odpovídá fyzické, často se tedy hovoří pouze o
topologii sítě ve smyslu topologie fyzické.
Rozlišujeme tyto fyzické topologie:
1. Sběrnicová (Bus)
2. Hvězdicová (Star)
3. Kruhová (Ring)
4. Stromová (Tree)
Topologie podstatně určuje výsledné vlastnosti sítě, úzce souvisí s kabeláží
sítě.
Nejjednodušší a nejlevnější je sběrnicová topologie, ale dnes se již příliš
nepoužívá z důvodů poměrně časté poruchovosti sítě.
V současné době je nejpoužívanější hvězda a u rozsáhlejších sítí strom.
Kruhová topologie je poměrně nákladná a složitá, u nás se příliš neujala.
Druhy
topologií
10
Topologie sítí
2.1 Sběrnicová topologie
Na obr. 1 je schematicky znázorněno zapojení do sběrnice, každá stanice je
připojena ke společnému kabelu (sběrnici), která tvoří základ sítě. Vedení je
na obou koncích zakončeno terminátorem.
Obr. 1. Sběrnicová topologie
V praxi se místo dlouhého vodiče ve funkci sběrnice používají kratší vodiče
propojené pomocí tzv. T-konektorů.
K propojení stanic se používá koaxiálního kabel.
Terminátor je zakončovací odpor (obvykle s hodnotou 50 Ohmů). Úsek
mezi dvěma terminátory se nazývá segment.
Výhody:
• Nízká spotřeba kabelu a nízké náklady na pořízení.
• Nejsou potřeba žádné aktivační prvky (pokud síť není příliš rozsáhlá).
• Porucha jedné stanice nemá vliv na provoz ostatních stanic.
• Snadno se dá připojit další stanice.
Nevýhody:
• Náchylnost koaxiálního kabelu k mechanickému poškození.
• Nesnadná lokalizace závad.
• Porucha na sběrnici nebo chybějící či vadný terminátor vyřadí z funkce
celou síť.
2.2 Hvězdicová topologie
Hub
Tento typ topologie využívá k propojení stanic speciální aktivní prvek hub
(rozbočovač), jehož úkolem je směrovat data zasílaná z jedné stanice
k ostatním stanicím v síti – viz obr. 2.
11
Topologie sítí
Obr. 2. Hvězdicová topologie
Hub nemusí být fyzicky umístěn ve středu hvězdice, často se umísťuje např.
v rohu větší místnosti, stanice jsou k němu připojeny každá zvlášť.
K propojení stanic hubem se požívá kroucená dvojlinka (twisted pair),
nepoužívají se T-konektory ani terminátory. Stanice, která chce vysílat,
pošle svou zprávu na hub, který rozvětví signál k ostatním připojených
stanicím.
Dnes se velmi často místo hubu používá switch, který pošle signál jen
příjemci a umožňuje tak souběžnou komunikaci více uzlů mezi sebou.
Výhody:
• Menší náchylnost k poruchám kabeláže.
• Přerušení kteréhokoliv kabelu nemá vliv na zbytek segmentu.
• Snadná lokalizace závad.
• Snadná rekonfigurace sítě.
Nevýhody:
• Větší spotřeba spojovacích kabelů.
• Potřeba aktivního prvku = vyšší náklady na pořízení.
• Porucha hubu má obvykle za následek nefunkčnost celé sítě.
Switch
12
Topologie sítí
2.3 Kruhová topologie
Obr. 3. Kruhová topologie
Jednotky
MAU
Spojovací vedení stanic tvoří uzavřený kruh, fyzicky jsou však jednotlivé
stanice připojeny nejdříve k pomocným jednotkám označovaným MAU
(Media Acces Units). Jednotlivé stanice se sice připojují jediným kabelem,
ale ten je tvořen dvěma spoji, které s pomocí propojení uvnitř jednotek
MAU vytváří kruh. Pokud je kruhová topologie realizována takovýmto
fyzickým uspořádáním do hvězdy, je mnohem snazší hledat závadu na
jediném místě (v jednotce MAU) a odstranit ji jednoduchým odpojením té
přípojky, která závadu způsobuje. Navíc je možné vybavit jednotku MAU
vlastní inteligencí, která jí umožní, aby sama lokalizovala případné závady,
a dokonce i to, aby sama přijala nezbytná nápravná opatření, odpojila vadné
uzly, a informovala o tom správce. V kruhu se obvykle data posílají vždy
stejným směrem, jde tedy o síť s jednosměrným provozem.
Komunikace u této topologie je realizována obvykle metodou Token ring.
Sítí koluje speciální paket = token. Vysílat může stanice, která právě token
vlastní. Zpráva dorazí k cílové stanici po průchodu sítí. Díky tomu nemůže
dojít ke kolizi, ovšem předávání zpráv je pomalejší.
Výhody:
• Jednoduchá koncepce předávání zpráv.
• Vyšší rychlost.
• Možnost vícenásobné kontroly neporušenosti zpráv.
• Zabezpečení maximální doby pro dosažení spojení mezi dvěmi
stanicemi.
Nevýhody:
• Poměrně drahé síťové karty.
• Poměrně složité technické provedení – jednotky MAU.
13
•
Topologie sítí
Přerušení vodiče znamená poruchu celé sítě – pro zvýšení spolehlivosti
je přidáno zdvojené vedení kabelu.
Poznámka
U nás se sítě založené na této topologii příliš nerozšířily, používá se buďto u
technologií IBM nebo u tzv. páteřních vedení podle standardu FDDI.
2.4 Stromová topologie
Obr. 4. Stromová topologie
Stromová topologie je tvořena kombinací hvězdicové a sběrnicové
topologie nebo spojením více hvězd do další hvězdice. Jejím základem je
páteřní vedení, ke kterému jsou připojeny další části. Často jsou
kombinovány různé topologie, nejen výše zmíněné, každá organizace má
své potřeby a představy.
Páteřní vedení – segment sítě, ke kterému jsou připojeny ostatní segmenty,
veškerá komunikace přesahující rámec 1 segmentu se uskutečňuje
prostřednictvím páteřního vedení. Bývá realizováno jako sběrnice nebo kruh
– obvykle je přenosová rychlost páteřního vedení vyšší než rychlost
v lokální síti, protože je realizováno optickým kabelem.
Příklad:
V rámci školní počítačové sítě jsou stanice zapojeny formou stromové
topologie tak, že v jednotlivých učebnách jsou vytvořeny hvězdy pomocí
switchů, které jsou připojeny k hlavnímu serveru sítě. K propojení je
použita kroucená dvojlinka s rychlostí přenosu 10-100 Mb/s (Megabitů za
sekundu).
Charakterizujte rozdíly mezi jednotlivými typy topologií sítí, uveďte u
každé alespoň jednu nejvýznamnější výhodu a nevýhodu.
Páteřní
vedení
14
Topologie sítí
Kontrolní otázky:
Pokuste se odpovědět na následující otázky:
a) Co je základním pojmem návrhu neboli uspořádání sítě?
b) Pokud ve hvězdicové topologii selže jeden počítač, přestane
fungovat celá síť ?
c) Používá kruhová topologie terminátory ?
d) Pokud ve hvězdicové topologii selže centrální prvek propojující
všechny počítače, přestane fungovat celá síť ?
Shrnutí kapitoly:
Topologie představuje způsob propojení počítačů zapojených do sítě, ať
už z pohledu kabeláže, tak i přenosu dat v síti.
Podle způsobu zapojení rozlišujeme sběrnicovou, hvězdicovou, kruhovou
a stromovou topologii.
Nejčastěji je využíván kombinovaný způsob zapojení počítačů v síti, kdy
jsou použity různé topologie, podle potřeb organizace.
Korespondenční úkol č. 1:
Vytvořte nákres topologie = schéma zapojení počítačů v lokální
počítačové síti, kterou používáte při své práci (pokud při práci síť
nepoužíváte, vymyslete si fiktivní síť).
15
Kabely a síťové karty
3 Kabely a síťové karty
V této kapitole:
• získáte orientaci v různých typech kabelů používaných
v počítačových sítích
• seznámíte se se základními parametry síťových karet
Budete schopni:
• rozlišit využití různých typů kabelů pro zapojení různých sítí
- typy kabelů a příslušných konektorů
- Mb/s, Gb/s
Pro realizaci počítačové sítě je velmi důležité propojení stanic pomocí
kabelů. Při výběru vhodného typu kabelu je třeba sladit jeho vlastnosti
s vlastnostmi propojovaných zařízení (stanic, hubu apod.)
3.1 Důležité parametry kabelů
Parametry, pomocí kterých jsou charakterizujeme jednotlivé typy kabelů,
jsou:
• Přenosová rychlost – jedná se o rychlost přenosu dat, uvádí se v Mb/s
(megabitech za sekundu), v menších sítích je to 10-100 Mb/s,
v rychlejších až Gb/s (gigabity za sekundu).
• Útlum – je míra zeslabení signálu při jeho průchodu kabelem, uvádí se
v dB (decibely).
• Odolnost vůči elektromagnetickému rušení.
• Impedance – zdánlivý odpor, který kabel představuje pro připojené
zařízení, impedance kabelu i zařízení mají být shodné, uvádí se v Ω
(ohmy).
• Přeslech – vzájemné ovlivnění více vodičů (nebo častěji více párů
vodičů) mezi sebou. Měří se obvykle pro každou dvojici vodičů a udává
se v dB.
Druhy kabelů:
1. Koaxiální kabel
2. Kroucená dvojlinka
3. Optický kabel
Přenosová
rychlost
16
3.2 Koaxiální kabel
Obr. 5. Koaxiální kabel
Koaxiální kabel je nejstarším typem používaným v počítačových sítích, měl
velký vliv na rozvoj počítačových sítí (LAN). Jeho základem je měděný
vodič obalený plastovou izolací, která je opletena stíněním. Vše je vloženo
do vnějšího obalu z plastu.
Zpočátku se používal tzv. tlustý koaxiální kabel (průměr 10 mm), který měl
velmi dobré elektrické vlastnosti, ale byl málo ohebný a připojení stanic
k tomuto kabelu bylo technicky náročné. Proto byl nahrazen tenkým
koaxiálním kabelem, jehož elektrické vlastnosti jsou o něco horší, ale
realizace sítě je jednodušší. U tenkého koaxiálního kabelu se pro připojení
k počítači používá BNC konektor, tenký koaxiální kabel je s počítači
připojen T-konektorem, na konci sběrnice pak musí být zakončovací odpor
(obvykle 50 Ω) kvůli zabránění odrazům signálu na volném konci.
Obr. 6. BNC konektor
Obr. 7. T-konektor
Existují různé typy koaxiálních kabelů – nejrozšířenější jsou ethernetovské
s impedancí 50 ohmů.
Nejčastěji se používá pro zapojení počítačů do sběrnicové topologie,
rychlost přenášených dat je 10 Mb/s.
V počítačových sítích jsou tyto kabely již na ústupu, ale používají se dále
v jiných oblastech (v rozvodech kabelových televizí jsou jen 75 – 80 ohmů).
3.3 Kroucená dvojlinka (Twisted Pair – ozn. TP)
Tento typ kabelu je dnes v lokálních sítích
nejrozšířenější.
Skládá se z několika dvojic vzájemně
zkroucených vodičů, uložených v izolačním
obalu. Nejčastěji se používá kabel se čtyřmi
páry vodičů, obvykle kategorie 5 (dovoluje
Obr. 8. Kroucená dvojlinka
přenos dat až rychlostí 100 Mb/s). Dříve se
také používal kabel kategorie 3, ovšem zde je rychlost přenosu dat max. 10
Mb/s. Díky vzájemnému zkroucení vodičů ve dvojicích je snížena možnost
17
ovlivňování jednoho vodiče druhým. Oba vodiče v každém páru jsou
rovnocenné, proto hovoříme o symetrickém vodiči.
Existují dva základní typy kroucené dvojlinky:
• Nestíněná - UTP (Unshielded TP) – zkroucené páry uloženy do
plastické izolace.
• Stíněná - STP (Shielded TP) – kolem párů je kovové opletení, které
zvyšuje ochranu proti vnějšímu rušení.
V běžných provozech se používá nestíněná dvojlinka, stíněná se používá
pouze tam, kde je vyšší úroveň elektromagnetického rušení.
Kroucená dvojlinka se používá především pro zapojení stanic do hvězdy
přes hub.
Pro připojení k počítači je zakončena konektorem s označením RJ-45,
dovoluje přenos dat rychlostí až 1000 Mb/s (této přenosové rychlosti se
dosahuje současným využitím čtyř párů).
Obr. 9. Konektor RJ-45
Výhodou je to, že ji lze použít pro tzv. strukturovanou kabeláž (viz dále
v kapitole 3.5).
3.4 Optický kabel
Obr. 10. Optický kabel
Je tvořen jedním nebo více optickými vlákny, která jsou spolu s vhodnou
vystýlkou uložena ve vnějším obalu. Jádro má průměr řadově několik
jednotek až desítek mikrometrů a je obvykle vyrobeno z různého druhu skla.
Tento typ kabelu je založen na odlišném principu než předchozí. Data
nejsou přenášena elektricky v kovových vodičích, ale světelnými impulsy
v průsvitných vláknech.
Při vedení světelného signálu se využívá jevu zvaného úplný odraz, ke
kterému dochází na rozhraní jádra a pláště při vhodné volbě materiálu jádra
a pláště. Před přenosem je třeba zajistit převod elektrického signálu na
optický, což zajišťují LED diody nebo laserové diody, které generují
světelné impulsy podle přiváděného proudu (tzv. generátor). Na druhé
Stíněná a
nestíněná
kroucená
dvojlinka
18
straně vedení je třeba optický signál přenést zpět na elektrický, což zajišťují
fotodiody (tzv. detektor).
Optická vlákna dělíme na:
• Mnohovidová (vícevidová, angl. multimode) – při průchodu vláknem je
světelná energie rozdělena na více paprsků (tzv. vidů), na konec kabelu
dojdou jednotlivé vidy s časovým odstupem, což vede ke zkreslení
signálu. Tyto kabely jsou levnější, ovšem mají horší optické vlastnosti.
Jejich jádro má průměr 50, 62,5 nebo 100 mikrometrů. Mnohovidová
optická vlákna mohou mít jen relativně malý dosah, v dnešní praxi
typicky dva kilometry.
• Jednovidová (angl. singlemode) – kabelem prochází jeden paprsek bez
lomů. Jednovidová optická vlákna mají jádro o velmi malém průměru
(typicky 8 až 10 mikronů). Tyto kabely mají lepší optické vlastnosti,
vyšší přenosovou kapacitu, přenášejí na větší vzdálenost (dnes v řádu
desítek kilometrů), ale jsou dražší.
Optické kabely se dají použít ve všech topologiích, nejčastěji v páteřním
vedení. Používají se dva typy zakončení optického kabelu - kulatý konektor
ST a hranatý konektor SC. Na konci každého kabelu je nutný převodník
(transceiver) pro převod elektrických impulsů na světelné paprsky a naopak.
Dalším prvkem je konvertor, který dovoluje napojit optický kabel na
kroucenou dvojlinku.
Obr. 11. Konektor ST
Přenosová
rychlost
optického
kabelu
Obr. 12. Konektor SC
Přenosová rychlost optických kabelů se pohybuje od stovek megabitů až k
mnoha gigabitům za sekundu, přičemž další zvyšování dosažitelných
přenosových rychlostí díky technologickému pokroku není vyloučeno..
Optické kabely umožňují přenos signálu na velké vzdálenosti (až 10 km při
využití jednovidových optických vláken) bez použití aktivních prvků.
Výhodou optických kabelů je naprostá odolnost vůči elektromagnetickému
rušení, velmi nízké ztráty a vysoká přenosová rychlost.
Na druhé straně realizace optické sítě je finančně nákladná i technicky
náročná.
19
3.5 Strukturovaná kabeláž
Postupným budováním stále rozsáhlejších a modernějších sítí se vyvinula
ucelená a dobře propracovaná představa o tom, jak by se rozvody
počítačových sítí měly budovat. Dnes se prakticky všechny nové síťové
rozvody budují podle zásad tzv. „strukturované kabeláže“.
Základním rozdílem při použití koaxiálního kabelu, kroucené dvojlinky
nebo optického vlákna je to, že na koaxiálním kabelu je možné dělat
odbočky, a je tudíž možné jej využít pro tzv. vícebodové spoje (vzájemně
propojující více koncových uzlů pomocí T-konektorů). Naproti tomu na
kroucené dvojlince ani na optickém vlákně není možné dělat odbočky, a tato
přenosová média jsou tudíž použitelná jen pro dvoubodové spoje (a
potřebné „rozbočení“ se musí zajistit elektronickou cestou, ve vhodných
rozbočovačích - hubech).
Potíž však byla v tom, že při poruše jednoho z počítačů navzájem
propojených koaxiálním kabelem přišli o možnost komunikace zároveň
všichni, kteří byli připojeni k porouchanému segmentu sítě. Přesná
lokalizace závady pak bývala velice náročná. S kroucenou dvojlinkou je
tomu poněkud jinak. Když zde dojde k nějaké závadě, možnost komunikace
ztrácí zpravidla jen jeden určitý koncový uzel, ale ostatní mohou pracovat
dále.
Požadavky na strukturovanou kabeláž:
• Vlastní kabelové rozvody vedené tak, aby nepřekážely.
• Delší životnost kabelových rozvodů než zařízení, která je budou
využívat, protože provedení kabeláže je velmi drahé (dnes dokonce
dražší, než cena hardwaru, který se k těmto rozvodům připojuje).
Z tohoto důvodu se nově budované síťové rozvody zcela záměrně
předimenzovávají, zároveň je snaha zavádět síťové rozvody i do
takových místností či částí budovy, kde dnes ještě není žádné připojení
požadováno.
• Kvalitní rozvody tak, aby se minimalizovalo nebezpečí poruch a závad čehož se dosahuje používáním kvalitních kabelů, konektorů, zástrček
a dalších instalačních prvků, i vhodnými instalačními postupy (například
vedením kabelů lištami apod.).
• Univerzálnost strukturované kabeláže - bude možné rozvody využít pro
více různých účelů (například telefonní rozvody, rozvody pro
zabezpečovací zařízení apod.).
• Používané materiály již jsou natolik spolehlivé a trvanlivé a metodika
budování strukturované kabeláže je dnes již tak dobře propracovaná, že
firmy jsou ochotny poskytovat velmi dlouhé záruky - dnes standardně 15
let.
Topologie strukturované kabeláže
Pro správné pochopení podstaty strukturované kabeláže je dobré si
uvědomit, že jde jen o ryze pasivní rozvody. Součástí strukturované
kabeláže nejsou ani koncové uzly (uživatelské pracovní stanice), ani
nejrůznější servery či aktivní síťové prvky typu rozbočovačů, mostů
a směrovačů (k nim se dostaneme později).
20
Celková topologie systémů strukturované kabeláže je inspirována filosofií
Ethernetu (viz kap. 4), ale na druhé straně je natolik univerzální, že může
být použita i pro jiné sítě (např. na bázi ATM, FDDI) a jejich kombinace.
Důležitým konstrukčním prvkem strukturované kabeláže je rozvodná skříň,
do níž se musí vejít všechny spojovací prvky (propojovací kabel,
rozbočovače, ústředna atd.)
Obr. 13. Topologie strukturované kabeláže
Topologie strukturované kabeláže je v zásadě stromovitá (viz obr.13).
V nejnižších „patrech“ jsou použity rozvody na bázi kroucené dvojlinky,
omezené svým dosahem na 100 metrů. Tyto rozvody „sbírají“ koncové
přípojky ve svém dosahu, a „slučují“ je do větších celků (v případě
klasického Ethernetu běžným hubem). Z rozvodných míst nejnižší úrovně
pak vedou další spoje směrem „nahoru“ (tzv. uplinky, typicky z optických
vláken) do propojovacích míst vyšších úrovní - zde může být i několik
„pater“, a v každém z nich se mohou jednotlivé celky nižších úrovní
slučovat či navzájem propojovat - ať již prostřednictvím mostů, směrovačů,
tzv. switchů apod. (viz kap. 6). Vše je přitom záměrně univerzální, tak aby
jednotlivá propojovací místa (realizovaná typizovanými rozvodnými
skříněmi) bylo možné osadit podle konkrétních potřeb různými aktivním
prvky, a vytvořit tak téměř libovolnou logickou (a do určité míry i fyzickou)
topologii počítačové sítě.
Charakterizujte rozdíly mezi jednotlivými typy kabeláže. Uveďte
typy kabeláže, které jsou nejpoužívanější v dnešních počítačových
sítí a popište, k jakému účelu jsou využívány.
21
3.6 Síťové karty (adaptéry)
Obr. 14. Síťové karty
Síťová karta zprostředkovává komunikaci mezi počítačem a kabelem podle
pravidel daných síťovým standardem. Převádí data z podoby, které rozumí
počítač, tak aby mohla být přenesena po médiu, tzn. překládá paralelní
signál na sériový. Teprve po instalaci síťové karty do počítače získáme
možnost připojit počítač k síti. Dnes již jsou síťové karty obvykle součástí
základní desky počítače.
Obr. 15. Popis síťové karty
Důležité parametry síťových karet:
• Typ sběrnice počítače (ISA, EISA, PCI,…) – dnes převažuje PCI slot,
určený pro rychlé karty 100 Mb/s.
• Wake-On LAN – možnost vzdáleného zapnutí počítače z jiného počítače
v síti.
• Spolu se síťovou kartou je dodáván tzv. ovladač síťové karty, který
slouží k její instalaci a nastavení, ale zejména k tomu, aby zajistil pro
operační systém funkce linkové vrstvy. Bez ovladače (buď dodaného se
22
•
•
•
•
síťovou kartou, nebo s operačním systémem) nebude síťová karta
v počítači fungovat. Nastavení (konfigurace) síťové karty proběhne buď
automaticky (PnP – Plug and Play) nebo je potřeba ji provést ručně.
Přenosová technologie používaná v síti – nejrozšířenější je Ethernet.
Přenosová rychlost – např. 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s.
Typ spojovacích kabelů – v sítí LAN nejčastěji kroucená dvojlinka, na
kartě mohou být i další konektory – pro připojení BNC (koaxiální
kabel).
Topologie sítě (u některých přenosových technologií jsou různé karty
pro topologii sběrnice a hvězdy).
MAC adresa
K tomu, aby bylo možné uzel v síti jednoznačně identifikovat, je potřeba
přidělit mu určité označení. Takovéto označení, tzv. MAC adresa, musí být
především jednoznačná v rámci sítě, která umožňuje přímou komunikaci
počítačů. V rámci sítí po celém světě, které mohou být navzájem propojeny,
by neměla nastat situace, kdy se vyskytnou dva či větší počet počítačů se
shodnými adresami. Pokud by se vyskytly počítače se stejnými MAC
adresami v různých, navzájem oddělených sítích, problém by nevznikl.
Komplikace by nastaly při duplicitě MAC adres v rámci jedné sítě, ovšem
vzhledem k tomu, že uživatelé mohou svůj počítač přenést a připojit do jiné
sítě, je lepší jednoznačnost adres dodržet v rámci celého světa.
Nejjednodušší z hlediska používání a zpracování je použití čísla
ve dvojkové soustavě uložené v paměti přímo na desce síťové karty. Adresa
převzatá z MAC rámce může být velmi jednoduše porovnána s adresou
uloženou v paměti adaptéru, a může tak být rozhodnuto, zda přijatý rámec je
určen danému uzlu či nikoli.
Jednoznačnosti pak je dosaženo tím, že MAC adresa je uložena již při
výrobě pevně do paměti ROM síťového adaptéru, přičemž každému
adaptéru je přidělena adresa odlišná od adres všech ostatních vyrobených
adaptérů.
Obr. 16. Formát MAC adresy
Přidělování
MAC adres
Dnešní komunikační sítě používají MAC adresu o délce 48 b (obr. 16), která
je rozdělena na dvě poloviny. První z nich o délce 24 b (3 B) obsahuje
mezinárodně přidělený kód výrobce, druhá polovina pak obsahuje
identifikační číslo adaptéru přidělované mu již samotným výrobcem. O
přidělování kódů výrobcům se jménem ISO stará organizace IEEE.
Rozdělení MAC adresy na dvě části zajišťuje jednoznačnost MAC adresy
každého adaptéru, délka adresy 48 b pak zaručuje, že adresový prostor je
obrovský, neboť počet přidělitelných adres dosahuje zhruba dvou trilionů.
Díky způsobu přidělování adres však nejde o nevyčerpatelný zdroj, již nyní
existují odhady, kdy dojde k jejich vyčerpání.
23
Jednotlivé 8 bitové části MAC adresy jsou obvykle uváděny jako dvojice
hexadecimálních číslic. Zápis 48 bitové adresy v binárním formátu (pomocí
nul a jedniček) je zbytečně dlouhý, a proto se MAC adresy vyjadřují pomocí
hexadecimálních číslic. Vždy jedna 4 bitová část je převedena na
hexadecimální číslo.
Příklad:
Stanice ve školní počítačové síti jsou vybaveny síťovými kartami Intel®
PRO/100 Management adapter, jedna z MAC adres je např. 00-D0-B783-EC-5E. K propojení je použita kroucená dvojlinka s rychlostí přenosu
10-100 Mb/s (Megabitů za sekundu). Také switche, pomocí kterých jsou
stanice v jednotlivých učebnách propojeny, pracují rychlostí 10-100
Mb/s .
Vyjmenujte základní parametry síťových karet a pravidla pro jejich
aplikaci v počítačové síti.
Jaký význam má MAC adresa?
Kontrolní otázky:
a) STP používá kovové opletení pro …………
b) Kroucená dvojlinka se připojuje k počítačům pomocí telefonních
konektorů označovaných…..
c) Na přenosy kabelů z optických vláken nepůsobí ……..
d) Je pravda, že síťová karta převádí sériová data z počítače na paralelní
data pro přenos po síťovém kabelu?
e) Musí se posílající a přijímající síťová karta dohodnout na přenosové
rychlosti?
f) Ovladač síťové karty je nezbytný pro: komunikaci s dalšími síťovými
kartami v síti, nebo komunikaci mezi síťovou kartou a síťovým
operačním systémem, nebo komunikaci mezi souborovým serverem a
ostatními počítači v síti, nebo komunikaci mezi různými typy
počítačů v síti.
Shrnutí kapitoly:
Při realizaci počítačové sítě je možno použít tři typy kabelů V lokálních
sítích je nejčastěji používána kroucená dvojlinka, která umožňuje
přenášet data rychlostí 10-1000 Mb/s. Pokud je potřeba dosáhnout
vyšších rychlostí přenosu a na větší vzdálenosti, používá se optický
kabel.
Síťové karty zprostředkovávají komunikaci mezi stanicemi na úrovni
přenosu dat po kabelech. Každá síťová karta je jednoznačně určena MAC
adresou o délce 48 bitů, která je kartě přidělena již při výrobě.
Při návrhu sítě je důležité „sladit“ jednotlivé komponenty – tj. typ
kabeláže, síťových karet a dalších prvků, které upravují přenos dat v síti
(viz kap. 4).
24
Standardy síťového hardware
4 Standardy síťového hardware
V této kapitole se seznámíte:
• se základními typy síťových standardů
• s nejpoužívanějším standardem v sítích LAN
Budete schopni:
• rozlišit jednotlivé standardy
• charakterizovat nejčastěji používané standardy
- standard
- ISO, IEEE
- Ethernet
- Token Ring
- FDDI
Jednotlivé části síťového hardwaru popsané v předchozích kapitolách lze
různě kombinovat. Avšak různě sestavené sítě se spolu nemusí domluvit,
proto byly přijaty normy neboli standardy, které definují základní
požadavky na technické provedení sítě.
V průběhu 70. let začala probíhat standardizace v oblasti počítačových sítí,
v této oblasti jsou významné dvě mezinárodní organizace ISO a IEEE.
• ISO (International Organization for Standardization) je mezinárodní
organizace se sídlem v Ženevě, má řadu sekcí zabývajících se
standardizací v různých oblastech.
• IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) je profesní
sdružení zabývající se standardy pro lokální počítačové sítě.
Základní
vlastnosti
sítě
Standard síťového hardware definuje tyto základní vlastnosti sítě:
1. Topologie sítě
2. Typ kabelu, jeho délka a konektor
3. Rychlost přenosu dat
4. Přístupová metoda
Základní přenosové standardy v síti LAN:
IEEE 802.3 Standardy sítě Ethernet
IEEE 802.4 Standardy pro sběrnicové sítě s metodou předávání tokenu
IEEE 802.5 Standardy pro kruhové sítě s metodou předávání tokenu
IEEE 802.11 Standardy pro bezdrátové sítě
V této kapitole se zmíníme jen o některých z nich.
25
4.1 Ethernet
První standard z této skupiny vznikl v roce 1976, jeho označení je IEEE
802.3. V současnosti je Ethernet nejrozšířenější přenosová technologie.
Ethernet je založen na přístupové metodě, která má označení CSMA/CD.
Její princip je popsán v následující části. Základním pojmem u této metody
je kolize – situace, kdy v jednom okamžiku vysílají dvě nebo více stanic.
Výsledkem je poškození vysílaných dat.
V rámci Ethernetu lze použít různé topologie a kabely (viz dále), je však
nutné dodržovat topologická pravidla, především délku segmentů a celé sítě
pro danou kabeláž. Vzdálenosti závisí na elektrických vlastnostech kabelu,
detekci kolizí a rychlosti přenosu dat. Pro maximální rozměr sítě se používá
termín kolizní doména – oblast, do které musí být kolize šířena. Kolizní
domény jsou jednotlivé kabelové segmenty či skupiny kabelových
segmentů, propojené prostřednictvím opakovačů. Ty totiž propouští kolize,
zatímco aktivní síťové prvky (např. mosty, switche, směrovače) již kolize
nepropouští. Kolizní domény tedy končí vždy u nejbližšího mostu,
směrovače či switche (viz kap. 6).
4.2 Přístupová metoda CSMA/CD
Princip metody CSMA/CD lze shrnout těmito body:
• Stanice, která chce vysílat data, naslouchá zda síť již není využívána
jinou stanicí (část CSMA, kde CS - Carrier Sense - znamená možnost
„příposlechu“ přenosu, MA - Multiple Access - vyjadřuje celkový
charakter přenosového média, které je sdílené a přístup k němu mají
všechny uzly současně a je tedy možné i současné vysílání více uzlů).
• Je-li síť již využívána, čeká stanice po náhodně zvolený interval.
• Zjistí-li stanice, že je na síti klid, začne vysílat – současně se snaží
zjistit, jestli nedošlo ke kolizi (část CD - Collision Detection - detekce
kolize).
• Kolize znamená, že začala současně vysílat jiná stanice – při kolizi
dochází ke střetu signálů a jejich zkreslení.
• Dojde-li ke kolizi, pak pracovní stanice, která toto zjistí, přestane vysílat
a vyšle na síť krátký kolizní signál (jam).
• Vyslání jam signálu znamená, že i ostatní stanice přestanou vysílat
a zopakují pokus o vysílání opět po náhodně zvoleném časovém
intervalu.
• Je-li vysílání přerušeno kolizí 16x za sebou, je pokus o vysílání zprávy
ukončen (přerušen) definitivně a uživatel je vyrozuměn chybovým
hlášením. Přitom při každém následujícím přerušení vysílání kolizí se
náhodná prodleva volí z dvojnásobně delšího intervalu.
Kolize,
kolizní
doména
26
Přístupová metoda CSMA/CD pracuje efektivně zejména v případě sítí
slaběji zatížených, s nárůstem hustoty přenosu klesá spolehlivost a roste
doba potřebná pro přenos dat.
Zajímavým důsledkem právě popsaného chování stanic (i celkového
charakteru přístupové metody Ethernetu) je skutečnost, že ke kolizím
může docházet jen na začátku vysílání jednotlivých Ethernetových
rámců. Pokud se totiž každá stanice chová disciplinovaně a dodržuje
pravidla přístupové metody Ethernetu, neměla by „skočit do řeči" jiné
stanici v době, kdy tato vysílá. Může se tak stát pouze na začátku
vysílání, díky tomu že jiná stanice otestovala stav přenosového média
ještě v době, kdy nikdo nevysílal, a o něco později začala vysílat také.
Jakmile toto pevně dané a předem známé „nebezpečné období" skončí,
má právě vysílající stanice záruku, že už mu do jejího vysílání nikdo
nevstoupí, neboli že bude moci dokončit své vysílání bez nebezpečí
kolizí. Díky tomu stačí každé stanici monitorovat případné kolize jen po
určitou dobu na začátku jejího vysílání. I to přispívá k celkové
jednoduchosti a pružnosti Ethernetu.
4.3 Standardy Ethernetu
Příklad:
Označení 10Base5 je rozděleno na tři části :
10: rychlost přenosu dat 10 Mb/s
Base: přenos v základním pásmu (baseband)
5: maximální délka segmentu ve stovkách metrů (500 m)
Rozdělení sítí typu Ethernet:
• „Klasický“ Ethernet (přenosová rychlost 10 Mb/s).
10Base5 - tlustý koaxiál, dosah max.500 m, topologie sběrnice–nepoužívá se
10Base2 - tenký koaxiál, max. 185 m, topologie sběrnice
10BaseT - kroucená dvojlinka, max. 100 m, topologie hvězda
10BaseFL - optický kabel, max. 2 km – nepoužívá se
• Fast Ethernet (přenosová rychlost 100 Mb/s).
100BaseTX - kroucená dvojlinka, max. 100 m, topologie hvězda
100BaseFX - optický kabel, max. 2 km
100BaseT4 - kroucená dvojlinka – nepoužívá se
• Gigabitový Ethernet (přenosová rychlost 1Gb/s).
1000BaseSX - mnohovidový optický kabel, max. 500 m
1000BaseLX - jednovidový optický kabel, max. 5 km
1000BaseCX -stíněný metalický kabel, max. 25 m
1000BaseT - kroucená dvojlinka, max. 100 m
27
Standard 10Base2 – „tenký Ethernet“
• Používán tenký koaxiální kabel a sběrnicová topologie.
• Maximální délka kabelového segmentu je teoreticky 200 m, prakticky
185 m, délka celé sítě je max. 910 m.
• Umožňuje zapojení max. 30 stanic v segmentu.
• Minimální vzdálenost mezi stanicemi je 50 cm.
• Je levný, ale náchylný k poruchám, při poruše kabelu havaruje celá síť.
• Pomocí opakovače lze propojit max. 5 segmentů, z nichž tři musí mít na
sebe připojeny stanice.
Obr. 17. Návrh sítě podle standardu 10Base2
Standard 10BaseT
• Navazuje na 10Base2, ale používán pro telefonní kabeláž.
• Určen pro kroucenou dvojlinku a topologii hvězda, jádrem sítě je hub.
• Přenosová rychlost je 10 Mb/s.
• Maximální délka kabelového segmentu 100 m.
• Je potřeba více kabeláže, ale síť je spolehlivější (porucha jednoho
kabelu vyřadí jen jeden počítač).
• Dnes velmi rozšířený standard.
Obr. 18. Návrh sítě podle standardu 10BaseT
10BaseT
28
4.4 Fast Ethernet
Tento standard je označován 100BaseX a platí pro něj stejná pravidla jako
v předchozích případech, tj. pracuje s metodou přenosu dat CSMA/CD. Na
rozdíl od předchozích standardů však zde není možné použít koaxiální
kabel. Standard 100BaseX je oproti 10Mb/s verzi 10x rychlejší.
• Používán od roku 1985.
• Nejčastěji se používá UTP – hvězdicová topologie, vzdálenost mezi
jednotlivými prvky sítě je max. 100 m.
• Přenosová rychlost je 100 Mb/s.
• Přechod ze standardu 10BaseT na 100BaseT spočívá ve výměně
síťových karet a aktivních prvků, zatímco kabeláž obvykle může zůstat
původní.
• V rámci tohoto standardu jsou specifikovány další podstandardy pro
různé typy přenosových médii (viz dále).
Obecně platí:
• Žádný segment z kroucené dvojlinky nesmí být delší než 100 metrů.
• Žádný optický segment nesmí být delší než 412 metrů.
Standard 100BaseTX
• Používá nestíněnou kroucenou dvojlinku kategorie 5 s využitím dvou
párů vodičů.
• Délka segmentu max. 100 m.
Příklad:
V rámci školní počítačové sítě jsou využívány standardy 10BaseT
a 100BaseTX. V některých učebnách jsou ještě starší síťové karty, které
pracují rychlostí 10 Mb/s, v jiných učebnách již novější s rychlostí
100 Mb/s. Jednotlivé segmenty podle odlišných standardů jsou propojeny
pomocí switchů, které jsou schopny komunikovat v obou prostředích.
Standard 100BaseFX
• Určena pro optické kabely.
• Délka segmentu max. 412 m pro mnohovidové kabely, až 2 km pro
jednovidový kabel.
Fast Ethernet rozeznává dvě kategorie opakovačů (rozbočovačů, hubů) –
třídy I a třídy II. Např. při použití jednoho opakovače třídy I a kroucené
dvojlinky je maximální velikost kolizní domény 200 m, u optického vlákna
je to 272 m – viz následující tabulka.
29
Tabulka maximální velikosti kolizní domény Fast Ethernetu
Typ
opakovače
Žádný
(přímé
spojení)
1x třída I
1x třída II
2x třída II
Dvojlinka
Optické
vlákno
Dvojlinka+optika
(TX+FX)
Dvojlinka+optika
(FX+TX)
100 m
412 m
Nelze
Nelze
200 m
200 m
205 m
272 m
320 m
228 m
231 (při 100 m TX)
Nelze
Nelze
260,8 (při 100 m TX)
308,8 m (při 100 m TX)
216,2 m (při 100 m TX)
4.5 Gigabitový Ethernet
Gigabitový Ethernet lze chápat jako reakci na neustále rostoucí nároky
soudobých aplikací, které mají čím dál tím větší požadavky na přenos.
Gigabitový Ethernet není jen dalším desetinásobným „nafouknutím“ něčeho
již existujícího - je řešením, které si vytváří dostatek výkonu k tomu, aby
mohlo následně vyjít vstříc i specifickým potřebách v oblasti garance
kvality služeb. Na druhé straně je gigabitový Ethernet řešením, které opět
důsledně staví na kompatibilitě se stávajícími verzemi Ethernetu, a to jak po
stránce věcné, tak i po stránce marketingové - magické slůvko Ethernet má
stále větší váhu, jak názorně prokázal případ stomegabitového Ethernetu
(100BaseT). Gigabitový Ethernet tedy používá stejnou přístupovou metodu
CSMA/CD i stejná další pravidla a postupy, které umožní provozovat po
gigabitovém Ethernetu všechny dosavadní „Ethernetové aplikace“.
První návrhy tohoto standardu se objevily v roce 1997. K hlavním
vlastnostem standardu patří:
• Přenosová rychlost 1000 Mb/s, tj. 1 Gb/s (gigabit za sekundu).
• V současné době se tohoto standardu využívá v páteřním vedení.
• V rámci tohoto standardu jsou opět specifikovány další podstandardy
pro různé typy přenosových médii (viz dále).
Standard 1000BaseT
• Pro kroucenou dvojlinku kategorie 5 (UTP i STP), s použitím čtyř párů.
• Využíván pro horizontální rozvody v budovách do délky max. 100 m.
Standard 1000BaseSX
• Pro levné mnohovidové optické kabely.
• Využíván pro kratší horizontální nebo páteřní vedení.
• Průměr vlákna v kabelu je 50 nebo 62,5 mikronu (mikrometru), podle
toho se také liší max. vzdálenost přenosu. Pro 50 mikronu je vzdálenost
220 m, pro 62,5 mikronu je to 500 m.
Standard 1000BaseLX
• Pro dražší jednovidové a mnohovidové optické kabely.
• Využíván pro dlouhá páteřní vedení, propojování mezi budovami.
• Max. délka přenosu u mnohovidového kabelu 550 m, u jednovidového
až 5 km.
Vlastnosti
gigabitového
Ethernetu
30
Standard 1000BaseCX
• Pro metalické kabely (stíněná kroucená dvojlinka, koaxiální kabel).
• Využíván na krátké vzdálenosti, např. mezi servery.
• Max. délka přenosu je 25 m.
Další zvýšení rychlosti - Standard 10GBaseT
• Pro přenos 10 Gigabitového Ethernetu po metalické kabeláži typu
nestíněná kroucená dvojlinka.
• Maximální vzdálenost 100 m s UTP kategorie 7 s vysokou šířkou
přenosového pásma.
Poloviční
a plný
duplex
Zde je vhodné zmínit často používaný pojem „duplexní spojení“, které je
charakteristické pro Ethernet:
Jako duplexní spojení (duplex) se označuje taková komunikace mezi
dvěma uzly, při které mohou data putovat oběma směry. Protikladem je
simplexní spojení, při kterém je spojení jednosměrné (je jednoznačně
určen vysílač a přijímač, data putují výhradně od vysílače k přijímači).
Lze rozlišit dva druhy duplexního spojení: poloviční duplex a plný
duplex.
U polovičního (half) duplexu mohou obě strany přijímat i vysílat, avšak
nikoli současně – v každý jednotlivý okamžik probíhá přenos pouze
jedním směrem. Příkladem takové komunikace jsou občanské
radiostanice (vysílačky); typické pro half-duplexní spojení je používání
signalizace „přepínám“.
U plného (full) duplexu může obousměrná komunikace probíhat
současně. Příkladem takové komunikace může být běžný telefonický
hovor, kdy obě zúčastněné strany mohou hovořit zároveň.
Pro plně duplexní segmenty se přitom připravují řešení umožňující
dosáhnout výrazně většího dosahu v souvislosti se stomegabitovým a
gigabitovým Ethernetem. Je to dáno zkutečností, že na plně duplexním
spoji (ten je vždy pouze dvoubodový) nemůže vzniknout kolize. Se
zamezením vzniku kolizí totiž odpadne povinnost „stíhat“ tzv. kolizní
okno, které je zde ještě desetkrát kratší než u stomegabitového Ethernetu
(a odpovídá 0,512 mikrosekundy). Díky tomuto faktu bude možné na plně
duplexních segmentech a na jednovidových optických kabelech
dosahovat přenosové rychlosti 1 Gbps až na vzdálenosti 10km.
Popište základní vlastnosti standardu Ethernet a princip používané
přístupové metody. Vyjmenujte jeho podstandardy a popište jejich
použití.
31
4.6 Token Ring
Termín "Token Ring" se dnes běžně používá jako označení dvou různých
věcí: jednoho ze standardů lokálních sítí společnosti IEEE (konkrétně
IEEE 802.5), a jedné konkrétní síťové technologie, pocházející od firmy
IBM.
Technologie Token Ring byla vyvinuta firmou IBM v sedmdesátých letech,
a tedy ještě před nástupem osobních počítačů (se záměrem propojování
střediskových počítačů mezi sebou). Později byly specifikace této sítě
předloženy sdružení IEEE, které si pro Token Ring zřídilo samostatnou
podskupinu 802.5.
Síť Token Ring má kruhovou topologii (Ring znamená prstenec), a její
přístupová metoda je založena na principu postupného předávání oprávnění
(anglicky: token, česky též: pešek) mezi jednotlivými uzly v kruhu.
Přenosová rychlost u původní verze Token Ringu jsou 4 Mb/s, od roku 1989
je k dispozici verze pracující s rychlostí 16 Mb/s.
Samotná metoda předávání peška (Token Passing), používaná v Token
Ringu, ke svému fungování vyžaduje, aby byly ošetřeny nejrůznější situace
(přerušení kruhu, rozšíření kruhu o nově zapojenou stanici, ztráta samotného
tokenu). Kvůli řešení takovýchto situací je vždy v kruhu jeden z uzlů, který
plní roli tzv. monitoru (monitorovací stanice). Některé nestandardní situace
však nezvládne ošetřit ani tato monitorovací stanice sama, a pak si musí
pomáhat rozesíláním speciálních monitorovacích rámců (tzv. beacon
frames), které mají za úkol shromáždit informace vedoucí k odhalení příčiny
nestandardního stavu a jeho ošetření. Složitost těchto opravných
mechanismů značně zvyšuje složitost implementace této technologie, a tím
současně i její cenu. Technologie Token Ring je obecně dražší než Ethernet.
Shrnutí:
• Standard Token Ring je označován jako IEEE 802.5.
• Pracuje s jinou přístupovou metodou než Ethernet – tzv. metoda token
passing.
• Určen pro topologii kruh.
• Přenosová rychlost 4 – 16 Mb/s.
• Max. počet zapojených stanic 250.
• Základní přenosové medium STP – stíněná kroucená dvojlinka, příp.
optický kabel.
4.6.1 Princip metody token passing
Jde o řízenou přístupovou metodu s předávaním vysílacího práva (tzv.
metoda předávání peška - Token Passing).
•
Po síti obíhá stále dokola speciální datový rámec token (pešek) který
zajišťuje komunikaci.
32
•
•
•
•
•
Stanice, která chce vysílat, čeká na volný token.
Přijde-li na stanici čekající na vysílání volný token, stanice jej odebere
ze sítě, přidá k němu svá data a pozmění jeho hlavičku tak, aby se
poznalo, že je použitý.
Token pak putuje od stanice ke stanici, až dorazí ke stanici cílové, pro
kterou je určena zpráva.
Tato stanice si zkopíruje data a pozmění hlavičku tak, aby poznat, že
data přišla v pořádku a opět pošle token na síť.
Token dojde až ke stanici, která vyslala zprávu a ta jej uvolní.
Token Ring je technologie velice spolehlivá, je typická pro sítě IBM.
Výhodou této metody je, že každý počítač má zaručené získání vysílacího
práva po určitém čase.Tyto sítě jsou proto na rozdíl od kolizních vhodné i
na řízení technologických procesů, kde se vyžaduje práce v reálném čase.
Nevýhodou tohoto řešení je relativně komplikované ošetření zařazení
nových stanic do sítě po jejich zapnutí, resp. naopak jejich vyřazení.
Aby se zabránilo monopolizaci práva vysílat, má každý uzel určenou
omezenou dobu, po kterou si smí oprávnění podržet, a po jejím
uplynutí musí token předat dál, dalšímu uzlu v kruhu. Navíc je Token
Ring schopen implementovat i systém priorit, na základě kterého uzly s
vyšší prioritou mají přednost v získávání oprávnění před uzly s nižší
prioritou. Díky takovémuto chování dokáže Token Ring mnohem lépe
využít celkovou přenosovou kapacitu sdíleného přenosového média,
které má k dispozici - jestliže u neřízeného Ethernetu se obvykle udává
jako maximum 60 až 80 procent teoretické vytížitelnosti, v případě
řízeného Token Ringu je to 90 až 95 procent, navíc s garancí práva
přístupu v závislosti na konkrétních prioritách.
4.7 FDDI
FDDI, neboli Fiber Distributed Data Interface, je historicky nejstarší
vysokorychlostní přenosovou technologií, vyvinutou pro optická vlákna. Za
poměrně dlouhou dobu své existence stačila tato technologie dostatečně
vyzrát, ale její cena zůstala dosti vysoká a v dnešní době již nemůže
konkurovat Fast Ethernetu a zejména gigabitovému Ethernetu, zejména při
použití plně duplexního režimu.
Na počátku 80. let se lidé snažili využít dobrých přenosových schopností
optických vláken a současně potřebovali propojit mezi sebou tehdejší
superpočítače. Stejný záměr byl také při zrodu technologie Token Ring,
proto obě tyto technologie jsou si v mnohém podobné. Shodují se v kruhové
topologii a v použití řízené přístupové metody, založené na principu
předávání oprávnění (Token passing – viz minulá kapitola).
Naopak obě technologie se výrazně liší v přenosové rychlosti. Jestliže
Token Ring začínal na 4 Mb/s, a později se zrychlil na dnešních 16 Mb/s,
technologie FDDI začínala rovnou na zmíněných 100 megabitech za
sekundu. Bohužel na těchto 100 Mb/s už také zůstala - v současné době nic
nenasvědčuje tomu, že by existovala nějaká perspektiva dalšího rozvoje
FDDI cestou zvyšování její přenosové rychlosti.
33
FDDI od začátku počítá s využitím optických vláken, a to jak dražších
jednovidových, tak i lacinějších mnohovidových vláken. Díky tomu také
dokáže nabídnout podstatně větší dosah než ostatní přenosové technologie.
Kruh, do kterého musí být jednotlivé stanice v případě FDDI propojeny,
může mít obvod až 200 km, a v tomto kruhu může být zapojeno až 500 uzlů.
Právě tato skutečnost, spolu s přenosovou rychlostí 100 Mb/s, pak určuje
způsob nasazení technologie FDDI - v roli „páteřní“ přenosové technologie,
která propojuje mezi sebou výkonné servery a aktivní prvky typu mostů
a směrovačů, a to nejen v rámci celých budov, ale i třeba v rámci celých
areálů.
Optická
vlákna
Současně se ale technologie FDDI začala používat i "na malé
vzdálenosti", pro připojování výkonných serverů, a dokonce i pro
připojování výkonných pracovních stanic k těmto serverům či k
výkonným aktivním prvkům (mostům, směrovačům), například jen na
vzdálenosti desítek metrů.
Zde však začal být dlouhý dosah FDDI a požadavek na optická vlákna
spíše na závadu, a tak byla časem vyvinuta i možnost používat pro FDDI
na takovéto malé vzdálenosti i běžné metalické přenosové cesty kroucenou dvoulinku, v nestíněném provedení (kategorie 5, dimenzované
do 100 Mb/s), či stíněnou dvoulinku. Příslušný standard je označován
také jako CDDI (Copper Distributed Data Interface).
V praxi jsou stanice propojeny dvěma kruhy z optických vláken. Po hlavním
(primárním) okruhu probíhá veškerá komunikace, v záloze je ještě druhý
(sekundární) okruh, po němž putuje token v opačném směru. Pokud dojde
k přerušení komunikace na primárním okruhu, jsou oba kruhy propojeny na
uzlech nejbližších (z obou stran po kruhu) místu poruchy a komunikace
pokračuje bez přerušení dál.
Další možností, jak zachovat spojitost FDDI kruhu i při výpadcích
jednotlivých uzlů, je použití zařízení, kterým se v angličtině říká optical
bypass neboli „optická výhybka“. V případě výpadku uzlu tato výhybka
sama přehodí a propojí části kruhu, které by jinak kvůli výpadkům zůstaly
rozpojeny.
Shrnutí:
• První vysokorychlostní standard vůbec.
• Rychlost přenosu dat 100 Mb/s.
• Používá kruhovou topologii a optická vlákna.
• Používá přístupovou metodu Token passing.
• Délka kruhu může být až 200 km a umožňuje připojit až 500 stanic.
• Je vysoce spolehlivý, ale finančně nákladný.
• Typické použití je jako páteřní vedení spojující v rozsáhlých sítích
jednotlivé lokální sítě.
• U nás se tento standard příliš nerozšířil.
Výpadek
uzlu
34
Kontrolní otázky:
a) Pokud jsou v síti využívající metody CSMA/CD přenášena kabelem
nějaká data, nemůže žádný jiný počítač…………….,dokud data
nedorazí do místa určení a kabel se opět neuvolní.
b) Čím větší je v síti s CSMA/CD provoz, tím častější jsou…………… ,
což síť zpomaluje.
c) Maximální délka jednoho segmentu 10BaseT je …. metrů.
d) Fast Ethernet je jiný název pro topologii…..
e) Při předávání tokenu může token v daný okamžik používat vždy pouze
jeden počítač. Proto zde nedochází ke ……………., tato metoda se
nazývá…………
Shrnutí kapitoly:
Standardy definují základní požadavky na technické provedení sítě, které
zahrnují topologii sítě, typ kabelu, rychlost přenosu dat a přístupovou
metodu. Nejpoužívanějším standardem v sítích LAN je Ethernet, který
prošel dlouhým vývojem. Od tlustého Ethernetu pro tlustý koaxiální kabel,
přes Fast Ethernet pro kroucenou dvojlinku až po Gigabitový Ethernet pro
optický kabel. Vyvíjela se také rychlost přenosu od 10 Mb/s, přes 100
Mb/s až po 1000Mb/s. Ve všech podstandardech Ethernetu je používána
stejná přístupová metoda CSMA/CD. Dalším standardem je Token Ring
používaný v kruhové topologii a pracující na principu přístupové metody
Token Passing – předávání tokenu. Na stejném principu pracuje také
poslední zmíněný standard – FDDI, určený pro rozsáhlé sítě propojené
optickým kabelem.
35
Vrstvové síťové modely
5 Vrstvové síťové modely
V této kapitole:
• se seznámíte se dvěmi různými vrstvovými modely
• se dozvíte o významu jednotlivých vrstev modelů
Budete schopni:
• rozlišit funkce jednotlivých vrstev síťové komunikace
• popsat význam a strukturu IP adresy
- ISO/OSI
- TCP/IP
- Rámce, pakety
- Přepojování okruhů, přepojování paketů
- IP adresa, maska podsítě
Stejně jako v mezilidské komunikaci, tak i v komunikaci po síti musí
platit určitá pravidla. Je zřejmé, že pokud se potřebují domluvit dva
manažeři z různých firem, potřebují ke své komunikaci pomocníky.
Nejprve sekretářku, která kontaktuje spojovatelku a ta pomocí
telefonních kabelů spojení aktivuje. Na opačné straně spojovatelka
kontaktuje sekretářku, která předá informaci manažerovi z druhé firmy
a ten může odpovědět (viz obr. 19). Zároveň si určitě rozumí mezi
sebou sekretářky, nebo spojovatelky. Tento příklad je sice trochu
„kostrbatý“, ale jeho podstata je velmi podobná principům komunikace
v síti.
Obr. 19. Schéma komunikace mezi lidmi
Vývoj standardizace síťové komunikace začínal v 70. letech, kdy vznikaly
první významnější rozlehlé sítě, budované podle vlastních koncepcí
předních výrobců počítačů. Brzy vznikla potřeba jednotného standardu,
kterým by bylo možno propojit počítačové systémy různých typů
a koncepcí, pocházející od různých výrobců. V roce 1977 se tohoto úkolu
36
RM OSI
TCP/IP
ARPANET
ujala organizace ISO a v roce 1979 byl dokončen návrh standardu, který byl
přijat pod názvem „Reference Model of Open Systems Interconnection“
(Referenční model propojování otevřených systémů) označovaný RM OSI
nebo ISO/OSI se sedmi vrstvami.
Druhým modelem je sada protokolů TCP/IP, která má jen čtyři vrstvy.
Koncepce modelu TCP/IP vznikla jako technologické řešení pro rodící se
Internet a vycházející z jeho potřeb. Na začátku byl experiment amerického
ministerstva obrany, který měl ověřit možnost vybudování počítačové sítě
propojující místa velení a schopnou přežít i jaderný úder nepřítele. Jedinou
možností bylo nevytvářet v síti žádný centrální prvek, který by jistě byl
prvním cílem nepřítele a pak také nutnost předem počítat s nespolehlivostí
přenosových cest (které může nepřítel kdykoli „odstřelit", ale síť jako celek
by to měla přežít). Americké ministerstvo obrany začalo budovat rozlehlou
počítačovou síť, schopnou ověřit životaschopnost přepojování paketů
a současně s tím schopnou propojit výzkumná střediska. Světlo světa tak
spatřila síť ARPANET, pojmenovaná po grantové agentuře ARPA
(Advanced Research Projects Agency).
Teoreticky jde o dva rozdílné modely, ale v praxi se velmi často prolínají.
Podle obrázku 20 je zřejmé, že vrstvy obou modelů navzájem korespondují.
Obr. 20. Vrstvové modely ISO/OSI a TCP/IP
Než se pustíme do podrobnějšího zkoumání vrstev jednotlivých modelů,
musíme si vysvětlit ještě dva základní způsoby přenosu dat:
1. Přepojování okruhů
2. Přepojování paketů
Přepojování okruhů (circuit switching)
Zde dochází k propojování přenosových cest tak, aby mezi dvěma
přístupovými body k datové síti vzniknul jediný přenosový okruh, v tomto
případě datový okruh. Tento datový okruh musí být nejprve sestaven (na
37
žádost toho, kdo spojení přes datovou síť iniciuje) a pak existuje až do té
doby, než je opětně rozpojen. Oba účastníci spojení tak mají po celou dobu
své vzájemné komunikace k dispozici a výlučně pro sebe datový okruh, po
kterém si mohou vyměňovat data v podstatě jakýmkoli způsobem. Mohou si
posílat libovolně velké bloky dat, nebo také např. spojitý proud bytů.
Přenosové cesty fungují tak, že mají trvale přidělenou (a tím současně i
garantovanou) určitou přenosovou kapacitu, a jejich propojení na principu
přepojování okruhů toto vyhrazení přenosové kapacity zachovává. Takže
přenosové sítě, fungující na principu přepojování okruhů, dokáží vcelku
dobře vycházet vstříc různým multimediálním přenosům, které většinou
rovnoměrně vytěžují dostupné cesty a dokonce často i přímo vyžadují, aby
tyto garantovaly určitou stanovenou přenosovou kapacitu a přenosové
zpoždění. Je to technika vhodná jak pro digitální, tak i pro analogové
přenosy, nedochází při ní k žádným zdržením ani k žádnému dočasnému
„skladování“ v přepojovacích uzlech - což by v případě digitálních přenosů
sice připadalo v úvahu, ale u analogových přenosů by to bylo prakticky
nerealizovatelné. Přenos v sítích na principu přepojování okruhů tedy
probíhá v zásadě v reálném čase, a jediným zdržením na cestě bývá
relativně malé přenosové zpoždění (dané zejména konečnou rychlostí šíření
přenášeného signálu přenosovou cestou).
Přepojování paketů (packet switching)
To je založeno na myšlence, že přenášená data se rozdělí na bloky
definované velikosti (stejné nebo proměnlivé v určitém předem stanoveném
rozsahu), tzv. pakety (packets), které se pak přenášejí datovou sítí jako
samostatné celky. Nevzniká zde ovšem žádný skutečný datový okruh mezi
odesílatelem a příjemcem paketu. Místo toho si jednotlivé vnitřní uzly sítě
předávají pakety mezi sebou, dokud je nedoručí až k přístupovému bodu, na
který je napojen adresát paketu. Přenosové cesty se celou svou přenosovou
kapacitou věnují přenosům jednotlivých bloků dat (paketů), bez ohledu na
to komu patří (kdo je jejich odesílatelem a kdo koncovým příjemcem).
Každý přenášený paket je v přepojovacím uzlu nejprve celý načten a uložen
do vhodné vyrovnávací paměti (tzv. bufferu), tvořící vstupní frontu. Teprve
poté přepojovací uzel aplikuje algoritmus směrování a rozhodne, kterým
směrem má být paket odeslán dál. Ve skutečnosti jej ale pouze zařadí do
fronty paketů, čekajících na odeslání v příslušném směru, a k faktickému
odeslání dochází až tehdy, kdy na paket dojde ve frontě řada. Důležité je
tedy uvědomit si, že každý paket se může v přepojovacím uzlu zdržet po
dobu, která není apriorně omezena, a není ani předem odhadnutelná
(protože závisí na momentální intenzitě provozu). V důsledku toho pak ani
není zaručeno, za jak dlouho dorazí paket až na místo svého určení, ke
svému koncovému adresátovi. Pro klasické aplikace, provozované
v počítačových sítích (jako je elektronická pošta, přenos souborů a vzdálené
přihlašování), takovéto chování nijak nevadí, ale pro novější multimediální
služby, zahrnující přenos živého zvuku či obrazu, to je velmi nepříjemné ne ani tak samotné zpoždění, se kterým jsou data doručována, jako spíše
nepravidelnost průběžného doručování jednotlivých částí.
Naopak k jeho kladným stránkám patří samotný fakt, že při přepojování
paketů je veškerá přenosová kapacita sdílena a tedy efektivně využita.
Přenosům na bázi přepojování paketů příliš nevadí nárazovitost
Přenos
v reálném
čase
Přenos
paketů
38
a nerovnoměrnost jednotlivých přenosů. Díky sdílení dokáží poskytnout
veškerou přenosovou kapacitu tomu, kdo ji momentálně skutečně potřebuje,
a zbytečně ji nepřidělují k výlučnému využití někomu, kdo ji naopak
nevyužije.
Fyzický
okruh
Logický
okruh
Spojovaný a nespojovaný charakter komunikace
Rozdíl mezi přepojováním okruhů a přepojováním paketů lze spatřovat také
v tom, zda mají přenosy dat spojovaný či nespojovaný charakter. Přenosy
v sítích fungujících na principu přepojování okruhů mají výlučně spojovaný
charakter, protože předpokládají vytvoření přímého „spoje“ od odesílatele
až k adresátovi. Zde se tak dokonce děje již na úrovni fyzického spojení,
resp. fyzických (případně logických) přenosových okruhů, a znamená to i
vyhrazení určité konkrétní přenosové kapacity po celé délce spoje (okruhu).
V případě přepojování paketů je obdobný spojovaný princip také možný,
ovšem s jedním zásadním rozdílem - příslušný spoj resp. okruh vedoucí od
příjemce až k adresátovi je zde vytvořen pouze virtuálně, takovým
způsobem, aby sám o sobě neblokoval žádnou přenosovou kapacitu. Jde
spíše o záležitost logickou, tj. o vytvoření položek ve směrovacích
tabulkách přepojovacích uzlů, které udávají kudy virtuální okruh vede.
Stejně tak je ale možné i to, aby přenos na principu přepojování paketů měl
nespojovaný charakter, při kterém není předem navazováno spojení mezi
příjemcem a odesílatelem, a není vytvářena žádná cesta mezi nimi - ani ve
fyzickém slova smyslu, jako by tomu bylo u přepojování okruhů, ani ve
smyslu logickém, jako u spojované varianty přepojování paketů (neboli u
tzv. virtuálních okruhů). Každý paket je pak přenášen zcela samostatně
a nezávisle na ostatních a musí tudíž nést ve své hlavičce plnou adresu
svého koncového příjemce.
5.1 Charakteristika vrstev modelu ISO/OSI
Komunikace
mezi
vrstvami
Činnost modelu je rozdělena do sedmi vrstev. V každé vrstvě jsou
vykonávány přesně specifikované činnosti, ale nejsou specifikovány žádné
protokoly, pomocí kterých se činnosti mají řešit. Naopak součástí modelu
TCP/IP jsou již také konkrétní protokoly pro komunikaci na stejnolehlých
vrstvách.
Komunikace probíhá mezi vrstvami ve vertikálním směru, tzn. že
komunikují vždy dvě sousední vrstvy nad sebou. Nikdy se nemohou přímo
dorozumět vrstvy, které spolu nesousedí. Vyšší vrstva může žádat nižší
vrstvu o službu, naopak nižší vrstva poskytuje služby vyšší vrstvě. Vrstvy
jsou číslovány od nejnižší po nejvyšší a toto číslování je natolik ustálené, že
se někdy používá místo názvu vrstvy její číslo v RM ISO/OSI, např. místo
termínu „síťová vrstva“ pojem „3. vrstva“. Současně mezi sebou
komunikují vrstvy na stejné úrovni v horizontálním směru (byť ve
skutečnosti prostřednictvím nižších vrstev).
K datům, která jsou přenášena ve fyzické vrstvě v podobě bitů, jsou na
každé vrstvě připojeny další informace o přenosu ve formě hlavičky.
39
Obr. 21. Komunikace mezi vrstvami
Popis základních funkcí vrstev modelu ISO/OSI:
• Fyzická vrstva
Jejím úkolem je přenos jednotlivých bitů mezi příjemcem a odesílatelem.
Využívá přenosových cest, na které je tato vrstva napojena a řídí je.
Na této vrstvě jsou definovány spíše technologické záležitosti – jaké napětí
je 0 a jaké 1, kolik kontaktů má mít konektor, jaké kabely jsou použity apod.
Nezabývá se významem bitů, pouze je zasílá. Dále se zabývá otázkami typu
kódování, modulace, časování a synchronizací přenosu dat.
Fyzická vrstva nabízí vyšší vrstvě služby typu „přijmi bit“ a „odešli bit“
a musí zajistit, že v případě vyslání jedničkového bitu jej druhá strana
přijme jako jedničkový a ne jako nulový.
• Linková vrstva
Také je nazývaná Spojová nebo Datová vrstva. Zajišťuje přenos datových
bloků (rámců) mezi 2 uzly, mezi kterými je přímé spojení. Musí poznat
začátek a konec rámce a jeho části, kontroluje jejich správnost (pomocí
CRC kódů – kontrolních součtů), potvrdí přijetí rámce nebo vyžádá nový.
Prověřování chyb může probíhat tak, že se na stranu přijímače odešle
informace o určitém datovém rámci, a pak se čeká na potvrzení, že vše bylo
správně přijato. Pokud pak linková vrstva nemusí zajišťovat spolehlivost
přenosu (resp. není to po ní požadováno), může takovýto poškozený rámec
jednoduše zahodit, a dále již se nemusí o nic starat. Pokud je ale již po
linkové vrstvě požadováno zajištění spolehlivého přenosu, musí se sama
postarat o nápravu - musí si se svým protějškem (odesílatelem)
vykorespondovat opakované odeslání rámce, který byl přijat jako
poškozený.
Dalším úkolem linkové vrstvy je pak správné dodržování „tempa“ přenosu tedy toho, aby příjemce stačil přijímat všechno to, co mu odesílatel posílá.
Pokud by například příjemce neměl přijímané rámce kam ukládat (neměl by
právě k dispozici dostatečně velké vyrovnávací paměti), musel by úspěšně
přijatá data okamžitě zahazovat. Příjemce by tedy měl mít možnost diktovat
tempo přenosu jednotlivých rámců pomocí vhodného mechanismu pro tzv.
řízení toku.
Přenos
bitů
Přenos
rámců
40
Linková vrstva zajišťuje přenos pouze v dosahu přímého spojení tj. bez
„přestupních stanic“. Adresy, používané na úrovni linkové vrstvy, jsou
typicky jednorozměrnými adresami, které nejsou dále členěny na žádné
logické složky (viz např. MAC adresy). To pak odpovídá představě, že na
úrovni linkové vrstvy jsou všechna zařízení součástí jedné velké sítě,
nestrukturované na menší, logicky oddělené části. Další důležitou
představou je představa o tom, že mezi libovolnými dvěma uzly existuje
přímé spojení, neboli možnost adresovat každý rámec přímo jeho
konečnému adresátovi.
Linková vrstva nabízí své bezprostředně vyšší vrstvě služby typu „odešli
rámec sousednímu uzlu“, resp. „přijmi rámec od sousedního uzlu“.
Poznámka: rozdíl mezi pojmy rámec a paket
Rámec je blok dat s hlavičkou na úrovni linkové vrstvy, skládá se ze
záhlaví, zápatí a samotných přenášených dat. Záhlaví obsahuje MAC
adresu odesílatele i příjemce dat.
Naopak paket je blok dat s hlavičkou na úrovni síťové, případně vyšší
vrstvy. Součástí paketu jsou síťové adresy (např. IP adresy )obou
koncových účastníků a informace potřebné pro potvrzování a případně
i řízení toku.
Směrování
• Síťová vrstva
Síťová vrstva rozhoduje o tom, jakou cestou budou postupně přenášena
data, která se mají dostat k určitému konkrétnímu adresátovi. Zformuje
zprávu z transportní vrstvy do datových paketů, které pak mohou nižší dvě
vrstvy přenášet.
Síťová vrstva provádí rozhodování, kterému se obecně říká „směrování“
(routing) - podkladem pro toto rozhodování je znalost topologie sítě
a výsledkem rozhodnutí je směr, kterým má být přenos uskutečněn, resp.
posloupnost takovýchto směrů (celá postupná cesta od odesílatele
k příjemci). Praktická aplikace směrování může být dosti různá:
- v případě spojovaných přenosů je možné nejprve „vytyčit cestu“ mezi
příjemcem a odesílatelem, a pak všechna data posílat touto cestou;
- v případě nespojovaných přenosů je možné rozhodování o směru přenosu
provádět pro každý přenášený blok dat vždy znovu, dokonce znovu
v každém přestupním uzlu.
Na úrovni síťové vrstvy se ale obvykle pracuje s adresami, které mají dvě
logické složky: jedna složka vyjadřuje (dílčí) síť, druhá složka vyjadřuje
relativní adresu uzlu v rámci dané (dílčí) sítě – viz např. IP adresa. S touto
představou světa členěného na dílčí sítě pak koresponduje i představa o tom,
že mezi jednotlivými dílčími sítěmi je možný přenos jen tehdy, pokud tyto
jsou propojeny vhodnými přestupními (propojovacími) uzly. Důležitým
důsledkem, který z této představy vyplývá, je otázka existence přímého
spojení mezi kterýmikoli dvěma uzly - pro některé dvojice může přímé
spojení existovat (pokud oba spadají do stejné dílčí sítě), nebo nemusí
41
(pokud oba nepatří do stejné dílčí sítě). V tomto druhém případě pak může
existovat jen „nepřímá“ cesta, vedoucí přes jeden nebo několik přestupních
uzlů.
Obr. 22. Vytváření paketů a rámců na jednotlivých vrstvách
• Transportní vrstva
Zabývá se problémem komunikace mezi odesílatelem a příjemcem (end-toend komunikace, tedy např. mezi procesy či aplikacemi v komunikujících
počítačích). Sestavuje nebo naopak vyjímá pakety z dat, která dostává.
Rozdělí data na pakety a přidá informace o pořadí paketu. Je zde od toho,
aby vyrovnávala rozdíly mezi schopnostmi tří spodních přenosových vrstev
a požadavky tří vyšších, aplikačně orientovaných vrstev. Tedy například to,
aby z nespolehlivých přenosových služeb, jaké mohou nabízet tři nejnižšími
vrstvy, vyrobila spolehlivou službu, jakou požadují horní, aplikačně
orientované vrstvy. Má mnoho funkcí včetně několika úrovní rozpoznávání
chyb a zotavení po chybě. Na nejvyšší úrovni může transportní vrstva
rozpoznávat (či dokonce opravovat) chyby, odhalovat pakety, které byly
odeslány v nesprávném pořadí, a přerovnávat je do pořadí správného.
Úkolem transportní vrstvy je rovněž data doručená do uzlu převzít, zjistit
komu patří (různým programům, procesům či úlohám) a zařídit jejich cílené
předání konkrétnímu příjemci v rámci daného uzlu.
Transportní vrstva je implementována až v koncových uzlech, a nikoli
v „přestupních uzlech“ v rámci přenosové části sítě (tedy například „uvnitř“
veřejné datové sítě). Transportní vrstvu tedy najdeme v koncových
počítačích, ale nikoli již ve směrovačích (routerech), mostech či dokonce
opakovačích.
• Relační vrstva
Je zodpovědná za vytvoření, navázání, udržování a rušení relací. Řídí, je-li
to nutné, komunikaci (tj. kdo, kdy mluví)
Relační vrstva může prověřovat heslo zadané uživatelem, kontroluje přístup
uživatele a jeho programů na síť, může sledovat využití systému a účtovat
uživatelům spotřebovaný čas a dovoluje, aby se uživatel mohl přihlásit ve
vzdáleném víceuživatelském systému a přenesl soubor mezi dvěma počítači.
Řeší řízení dialogu mezi jednotlivými počítači.
Takto naznačené úkoly relační vrstvy jsou poněkud vágní a nepříliš
obsažné, jak říká většina kritiků referenčního modelu ISO/OSI.
• Prezentační vrstva
Přeloží data z aplikační vrstvy tak, aby byla srozumitelná nižším vrstvám.
Zajistí, aby data byla zobrazena v takovém kódu, ve kterém je rozpozná
cílová stanice. Provádí kompresi a kódování. Jedné a téže posloupnosti bitů,
bytů či slov mohou různé počítače přisuzovat různý význam. Mohou
například používat různé způsoby kódování znaků (jeden kód ASCII, druhý
Spolehlivost
přenosu
Spojení
uživatelů
Kódování,
dekódování
42
EBCDIC), různé formáty čísel v pohyblivé či pevné řádové čárce, obecně
jiné datové formáty. Aby takovéto uzly přenášená data také shodně
interpretovaly (tj. přikládaly jim shodný význam), jsou nezbytné určité
konverze.
Přístup
uživatele
• Aplikační vrstva
Slouží jako rozhraní, přes které aplikace přistupují k síťovým službám. To,
co se vysílá, je buď zahrnuto nebo naopak vyčleněno z aplikací.
Aplikační vrstva obsahuje pouze „jádro“ aplikací, které má smysl
standardizovat, například přenosové mechanismy elektronické pošty,
a ostatní části aplikací (typicky uživatelská rozhraní) byly vysunuty nad
aplikační vrstvu. V této vrstvě najdete programy pro řízení databází,
elektronickou poštu, programy pro souborové servery a tiskové servery
a příkazy operačního systému. Ve většině případů jsou funkce vykonávané
touto vrstvou závislé na uživateli.
Vrstva
Aplikační
Prezentační
Relační
Transportní
Síťová
Linková
Fyzická
Náplň činnosti
Vytvoření zprávy v aplikaci (programu)
Převedení do tvaru srozumitelného pro příjemce
Vytvoření spojení s příjemcem a jeho údržba
Dohled nad spolehlivým přenosem zpráv a opravy chyb,
vytvoření paketů
Vytvoření trasy a opatření paketů adresami a dalšími
náležitostmi
Vytvoření rámců a jejich vysílání
Přenos bitů elektrickými (či optickými) signály
Tab. 2. Schematický přehled činností jednotlivých vrstev modelu ISO/OSI
Průběh
přenosu
V tabulce 2 je schematicky znázorněn proces komunikace mezi dvěma
systémy. Aplikace předá zprávu prezentační vrstvě, která ji převede do tvaru
srozumitelného pro příjemce a odevzdá vrstvě relační. Ta zajistí, aby bylo
vytvořeno dvoubodové spojení mezi odesílatelem a příjemcem zprávy a aby
toto spojení vydrželo po celou dobu komunikace. Je důležité si uvědomit, že
pro každou spojovou komunikaci se zřizuje dvoubodové spojení mezi
komunikujícími systémy, tj. komunikují spolu vždy pouze dva počítače.
Transportní vrstva předá zprávu vrstvě síťové a dohlíží na celý její přenos.
Dojde-li při přenosu k chybě, je o tom transportní vrstva informována
a zajistí její opravu, například opakování přenosu zprávy nebo její části.
Síťová vrstva rozčlení zprávu na pakety, doplní je síťovými adresami
a dalšími náležitostmi a postupně předává pakety linkové vrstvě k přenosu.
Linková vrstva vytvoří z paketů rámce, které se pak ve tvaru elektrických
signálů přenesou po síti. Na straně příjemce pak probíhá opačný proces.
Elektrické signály jsou převedeny na rámce, z nich jsou na linkové vrstvě
vyjmuty datové pakety a z nich je poskládána původní zpráva. Po zdárném
dokončení přenosu relační vrstva zruší spojení a informuje o tom aplikaci.
Pokuste se zdůvodnit, proč se v síťových modelech používá rozdělení
do vrstev.
43
5.2 Charakteristika vrstev modelu TCP/IP
Model TCP/IP je rozdělen do čtyř vrstev. Součástí horních tří vrstev jsou již
konkrétní protokoly pro komunikaci na stejnolehlých vrstvách.
Komunikace opět probíhá mezi vrstvami ve vertikálním i v horizontálním
směru. Stejně jako u modelu ISO/OSI platí, že vyšší vrstva může žádat nižší
vrstvu o službu, naopak nižší vrstva poskytuje služby vyšší vrstvě.
Současně mezi sebou komunikují vrstvy na stejné úrovni (v horizontálním
směru).
Při tvorbě modelu TCP/IP bylo základním požadavkem to, aby
prostřednictvím protokolů TCP/IP bylo možné vzájemně propojit i takové
sítě, které mohly být vybudovány i na dosti odlišných principech
a přenosových technologiích (tedy například sítě Ethernet, Token Ring,
později FDDI, ATM, sítě s dvoubodovými spoji atd.).
Popis základních funkcí vrstev modelu TCP/IP:
U tohoto modelu začínáme od nejvyšší vrstvy, protože zde je kladen důraz
na praktické použití tohoto modelu a na ni navazují další vrstvy.
• Aplikační vrstva
Do aplikační vrstvy patří aplikace, které komunikují přímo s transportní
vrstvou. Jsou zde základní části aplikací, zbývající části aplikací
(uživatelské rozhraní) jsou podobně jako v ref. modelu ISO/OSI nad
aplikační vrstvou. Aplikace si musí samy zajistit ty funkce, které v OSI
modelu zajišťuje prezentační a relační vrstva.
Původními službami aplikační vrstvy jsou elektronická pošta, přenos
souborů a vzdálené přihlašování. Později vznikají další, jako sdílení
souborů, správa sítě, zpřístupnění informací (WWW apod.).
Autoři TCP/IP dospěli k závěru, že požadavky na podpůrné služby
(například služby zajišťujících konverze přenášených dat, korektní průběh
relací apod.) budou méně časté, a že naopak budou časté aplikace, které tyto
služby využívat nebudou. Z toho vyplynulo, že není moc rozumné
implementovat zmíněné podpůrné funkce v samostatných vrstvách společně
pro všechny aplikace, protože by je musely využívat všechny aplikace,
proto nechť si je implementuje jen ta aplikace, která je skutečně potřebuje,
a to vlastními silami. To je také důvod, proč TCP/IP na rozdíl od ISO/OSI
nemá ani relační, ani prezentační vrstvu.
• Transportní vrstva (též TCP Layer)
Zajišťuje komunikaci mezi koncovými účastníky, což jsou v modelu TCP/IP
přímo aplikační programy. Podle jejich požadavků a nároků může vrstva
regulovat tok dat oběma směry. Na této vrstvě pracují dva protokoly – TCP
a UDP. Protokol TCP (Transmission Control Protocol) poskytuje spojované
a spolehlivé služby (mění charakter služeb síťové vrstvy), zatímco
a protokol UDP (User Datagram Protocol) poskytuje nespojované
a nespolehlivé služby (zachovává charakter služeb síťové vrstvy). Aplikace
si může vybrat, kterého protokolu k přenosu svých dat použije (UDP je
rychlejší, ale neposkytuje žádnou spolehlivost, takže aplikace si musí
spolehlivost zajistit sama, TCP je pomalejší a poskytuje jistou spolehlivost,
nicméně aplikaci tato spolehlivost nemusí postačovat)
Spojení
uživatelů,
kódování,
dekódování
Spolehlivost
přenosu
44
Zabudovat mechanismy pro zajištění spolehlivosti „na pevno“ do
transportní vrstvy, tak aby je měly k dispozici všechny aplikace, by nebylo
zcela optimální. Aplikace jsou dosti různorodé, a mohou mít různorodé
požadavky na přenosové služby. Některé budou spolehlivost skutečně
požadovat, zatímco jiné aplikace dají přednost rychlejšímu
a pravidelnějšímu přenosu dat před spolehlivostí přenosu. Například při
přenosu živého zvuku či obrazu nejsou případné chyby v přenesených
datech tak bolestivé, jako případná nerovnoměrnost v jejich doručování.
Naopak pro některé aplikace nemusí být spolehlivost, realizovaná na úrovni
transportní vrstvy, dostatečná a adekvátní jejich potřebám. Tato aplikace by
si proto musela zajišťovat potřebnou míru spolehlivosti sama a znovu. Pak
by ale bylo zbytečné a neefektivní, aby spolehlivost zajišťovala současně i
vrstva transportní.
Směrování
Přenos
paketů
• Síťová vrstva (též IP Layer)
Podobně jako v ISO/OSI modelu zajišťuje směrování, zajišťuje však
nespojovaný přenos pomocí jednoduché datagramové služby, nezabývá se
spolehlivostí přenosu. Měla by se soustředit především na co možná
nejrychlejší přenos dat. Na této vrstvě pracuje protokol IP (Internet
Protocol). Ten je nespolehlivý, tzn. že se sice snaží o bezchybný přenos, ale
když se mu to nepodaří a někde se něco ztratí či poškodí, nepovažuje za
svou povinnost postarat se o nápravu (a místo toho očekává, že o případnou
nápravu se postarají vyšší vrstvy). Jeho nespojovaný charakter je dán tím, že
při přenosu dat nepočítá s přímým navázáním spojení mezi odesílatelem
a příjemcem, a místo toho posílá všechna data „do neznáma“. V této
souvislosti se hovoří o přenášených blocích dat jako o datagramech (IP
datagramech), a o nespojovaném způsobu přenosu jako o datagramové
službě.
• Vrstva síťového rozhraní
Má na starosti vše, co je spojeno s přímým vysíláním a příjmem datových
paketů. V rámci soustavy TCP/IP není blíže specifikována, neboť je závislá
na konkrétní přenosové technologii (Ethernet, Token Ring, FDDI,...)
TCP/IP má za úkol nabídnout na úrovni vyšších vrstev stejné možnosti,
podmínky i stejný způsob práce - tedy vlastně zakrýt případná specifika
konkrétních síťových technologií a vytvořit nad nimi jednotné prostředí,
nabízející jednotné služby, jednotný způsob adresování apod. Tato vrstva na
rozdíl od vyšších vrstev není naplněna v rámci TCP/IP žádnými protokoly,
naopak se snaží přizpůsobit existujícím řešením (např. Ethernet).
Popište základní vlastnosti a rozdíly mezi síťovými modely ISO/OSI
a TCP/IP. Charakterizujte jednotlivé vrstvy sedmivrstvého modelu
ISO/OSI i čtyřvrstvého modelu TCP/IP.
45
5.3 Nejdůležitější protokoly modelu TCP/IP – IP, TCP,
UDP
• Protokoly síťové vrstvy
Nejvýznamnějším protokolem síťové vrstvy TCP/IP je samotný protokol IP
(Internet Protocol), který zajišťuje vlastní přenos datových paketů (i když ve
skutečnosti k tomu sám využívá přenosové technologie na úrovni vrstvy
síťového rozhraní). Připomeňme si, že protokol IP funguje na nespojovaném
a nespolehlivém principu, tj. nepočítá s navazováním spojení mezi
příjemcem a odesílatelem, a neusiluje o zajištění spolehlivosti přenosu.
Když zjistí, že přeci jen došlo k nějaké chybě při přenosu a k poškození dat,
nepovažuje za svou povinnost postarat se o nápravu. Datové pakety jsou
také označovány jako IP datagramy proto, že jsou přenášeny pomocí
nespojované (datagramové) síťové přenosové služby.
Vedle protokolu IP však síťovou vrstvu TCP/IP „obývají“ ještě mnohé další
protokoly. Podle jejich významu je lze rozdělit do následujících skupin:
protokoly pro návaznost protokolu IP a přenosových technologií
vrstvy síťového rozhraní. Zejména jde o protokol ARP (Address
Resolution Protocol), používaný hlavně v prostředí Ethernetovských sítí,
a sloužící potřebám převodu 32-bitových IP adres na 48-bitové
Ethernetové MAC adresy.
protokoly pro správu a řízení. Sem patří zejména protokol ICMP
(Internet Control Message Protocol), který se používá k signalizaci chyb
a různých nestandardních situací (ale pouze potřebám signalizace, ICMP
sám nezajišťuje jejich nápravu). Dále sem patří např. protokol IGMP
(Internet Group Management Protocol), podporující tzv. skupinového
vysílání (multicasting).
protokoly zajišťující aktualizaci směrovacích informací. Slouží
k tomu zejména protokoly RIP (Routing Information Protocol) a OSPF
(Open Shortest Path First). Samotné směrování zajišťuje protokol IP, ale
i ten přitom vychází z obsahu směrovacích tabulek v jednotlivých
uzlech. Obsah těchto směrovacích tabulek však musí být pravidelně
aktualizován, tak aby odpovídal reálné situaci a skutečné topologii
soustavy vzájemně propojených sítí. No a to už je úkol pro
specializované protokoly, mezi které patří RIP a OSPF. Nutno je ale
poznamenat, že z formálního hlediska protokoly RIP i OSPF patří na
aplikační vrstvu (využívají služeb protokolu UDP).
• Protokoly transportní vrstvy
Autoři TCP/IP vybavili transportní vrstvu dvěmi základními transportními
protokoly, a to protokoly TCP a UDP. Jsou tedy k dispozici dvě možnosti,
přičemž má každá aplikace možnost výběru. Buď aplikace budou po
transportní vrstvě požadovat spíše spolehlivé přenosové služby, i když méně
efektivní, nebo naopak přenosové služby co možná nejrychlejší, ale
nespolehlivé.
Protokol TCP (Transmission Control Protocol) zajišťuje první z obou
variant - zajišťuje spolehlivou přenosovou službu, navíc na spojovaném
principu. Tomu, kdo ji využívá (tj. příslušné aplikaci) přitom vytváří
IP protokol
IP datagramy
46
TCP protokol
UDP protokol
iluzi vytvořené přenosové cesty. Odesílatel na jedné straně zadává
k odeslání postupně jednotlivé byty a příjemce si je na druhém konci
může postupně odebírat. Ve skutečnosti se data samozřejmě přenáší po
blocích (a ne jako souvislý proud jednotlivých bytů), ale to je před
koncovými aplikacemi efektivně skryto. Samotný protokol TCP přitom
ke svému fungování využívá takové přenosové služby, jaké mu na
úrovni síťové vrstvy nabízí protokol IP (tj. služby nespolehlivé
a nespojované).
Protocol UDP (User Datagram Protocol) zajišťuje druhou variantu tedy nespolehlivou a nespojovanou přenosovou službu na úrovni
transportní vrstvy. Protokol UDP je ve své podstatě pouze velmi
jednoduchou nadstavbou nad protokolem IP, která nijak nemění
charakter přenosových služeb, poskytovaných přímo samotných
protokolem IP. Jediné, co protokol UDP přidává navíc, je rozlišování
mezi jednotlivými příjemci a odesílateli v rámci konkrétních uzlů.
Zatímco protokol IP předpokládá, že adresátem paketů je vždy uzel jako
takový, protokol UDP (stejně jako TCP) již „vidí“ v rámci jednotlivých
uzlů i konkrétní příjemce (např. různé aplikace, systémové procesy atd.),
a dokáže jim přijímaná data rozdělovat pomocí přiřazení tzv. portů.
• Protokoly (služby) aplikační vrstvy
Přenos
www
stránek
E-mailová
pošta
HTTP – HyperText Transfer Protocol
Protokol http definuje způsob přenosu webových (www) stránek po síti,
mezi www serverem a jeho klientem (programem pro prohlížení www
stránek). Služba www pracuje s pomocí jazyka HTML (HyperText Markup
Language), který definuje formát jednotlivých stránek. Protokol HTTP
umožňuje klientovi vyžádat si na serveru konkrétní www stránku, případně
jiný soubor, který server následně zašle.
SMTP – Simple Mail Transfer Protocol
SMTP je poštovní protokol pro vzájemnou komunikaci mezi poštovními
servery při posílání e-mailových zpráv. Předpokládá trvalou dostupnost
příjemce i odesílatele na síti. Pokud se odesílajícímu serveru nepodaří
kontaktovat přijímací poštovní server, kvalifikuje to jako chybu a opakuje
pokusy o přenos. Kvůli této vlastnosti není tento protokol použitelný pro
přenos zpráv ke koncovému uživateli, který obvykle pracuje na pracovní
stanici zapínané podle potřeby. Další nevýhodou je, že protokol SMTP
obvykle nedovoluje ověřit identitu uživatele, takže nelze jeho
prostřednictvím stahovat poštovní zprávy ze serveru na stanici.
Pro účely přenosu zpráv k uživateli byly vyvinuty protokoly POP3 (Post
Office Protocol, verze3), což je protokol používaný klienty elektronické
pošty k získání obdržených zpráv z poštovního serveru a IMAP (Internet
Message Access Protocol), který umožňuje klientské poštovní aplikaci
přístup ke vzdálené poštovní schránce bez nutnosti vlastního přenosu celých
zpráv na stranu klienta.
Nejčastěji se používá pro příchozí poštu protokol POP3 a pro odchozí
zprávy protokol SMTP. Klienti pomocí POP3 stahují poštu ze serveru na
svůj počítač a odesílají poštovní zprávy pomocí SMTP. Servery si předávají
47
poštu dále mezi sebou pomocí protokolu SMTP. Na obr. 23 je znázorněn
tok poštovních zpráv mezi dvěmi počítači zapojenými ve vzdálených sítích.
Obr. 23. Typické zapojení protokolů SMTP a POP3.
S rostoucími potřebami uživatelů na posílání příloh nejen textových, ale
také obrázků nebo multimédií, byl vytvořen novější standard MIME
(Multipurpose Internet Mail Extensions). MIME je rozšířením
původního formátu zpráv elektronické pošty. Podle názvu lze odvodit,
že počítá s existencí nejrůznějších formátů včetně multimediálních
a činí tak z elektronické pošty dosti univerzální přenosový kanál.
Standard MIME v zásadě definuje tři věci:
1. použitelné způsoby kódování přenášených dat
2. způsob vyjádření typu dat, která jsou přenášena
3. způsob „vložení" netextových dat do původní, čistě textové zprávy
FTP – File Transfer Protocol
FTP je protokol pro přenos souborů mezi uzlovými počítači sítě, používá
služeb protokolu TCP. Předpokládá existenci tzv. FTP serverů, což jsou
běžné uzlové počítače s možností přístupu do jejich systému souborů na
dálku. Uživatel může prostřednictvím FTP klienta stahovat soubory ze
serveru k sobě (download) nebo naopak přenášet soubory ze svého počítače
na server (upload) podle toho, jaká má přístupová práva na daný server. To
je jednou z důležitých vlastností protokolu FTP -jeho povědomí o
uživatelích, adresářích a přístupových právech. Uživatel, který chce
prostřednictvím protokolu FTP přenášet nějaké soubory, ať již ze své
stanice na server nebo opačným směrem, se musí vzdálené straně nejprve
identifikovat (přihlásit se, pod určitým uživatelským jménem), a svou
identitu prokázat (zadáním správného hesla). Vzdálená strana pak má podle
čeho posuzovat oprávněnost požadavků na přístup ke konkrétním souborům.
Při přenosu souborů prostřednictvím protokolu FTP je tedy možné
realizovat nejrůznější přístupové strategie.
TFTP – Trivial File Transfer Protocol
Je zjednodušená verze protokolu FTP, používá služeb protokolu UDP.
Nezajišťuje však žádnou identifikaci uživatele (nezná pojmy uživatel
a přístupová práva), navíc nezná pojem aktuální adresář a neumožňuje
procházet adresáře serveru, nemůže na serveru nic vyhledávat. Chcete-li
Přenos
souborů
48
odněkud někam přenést soubor prostřednictvím protokolu TFTP, musíte
vždy zadat úplnou přístupovou cestu k požadovanému souboru.
Používají ho např. bezdiskové stanice ke stáhnutí svého „boot image“
(soubor obsahující vše potřebné k jejich startu), beo směrovače či switche
pro uložení nebo obnovení konfigurace nebo operačního systému.
Telnet
Protokol Telnet slouží ke vzdálenému přihlašování uživatelů k počítačům.
Umožňuje uživateli pracovat na jiné stanici na dálku a je koncipován tak,
aby umožňoval spolupráci různých platforem, tzn. není závislý na OS (je
možno se např. z počítače s MS Windows přihlásit na unixovou stanici).
SNMP – Simple Network Management Protocol
Je protokol sloužící potřebám správy sítě. Umožňuje průběžný sběr
nejrůznějších informací pro potřeby správy sítě a jejich následné
vyhodnocování. Na tomto protokolu je dnes založena většina prostředků
a nástrojů pro správu sítě.
IRC - Internet Relay Chat
IRC je protokol používaný pro konverzaci v reálném čase na Internetu –
chatování.
Vyjmenujte nejdůležitější protokoly modelu TCP/IP a popište jejich
princip činnosti a způsob využití. Přiřaďte protokoly příslušným
vrstvám TCP/IP.
49
Obr. 24. TCP/IP – přehled protokolů příslušných jednotlivým vrstvám
5.4 IP adresa, maska podsítě
Linková vrstva používá pro adresaci v lokální síti MAC adresy, ovšem pro
komunikaci počítačů na velké vzdálenosti (např. v Internetu) je potřeba
„inteligentnější“ síťovou vrstvu, která také potřebuje počítače nějak
rozlišovat. Síťová vrstva, resp. protokol IP, propojuje všechny dílčích sítě
pomocí jednotného principu. Vytváří tak virtuální homogenní síť, která se
vyznačuje jednotným způsobem adresování, jednotným formátem datových
paketů a jednotnou přenosovou službou (nespolehlivá nespojovaná
datagramová služba). K adresování uzlů v sítích TCP/IP slouží IP adresy.
IP adresa je symbolická adresa počítače, která tento počítač v síti
jednoznačně identifikuje. Je vyjádřena 32-bitovým číslem, které se zapisuje
čtyřmi čísly v desítkové soustavě v rozmezí od 0 do 255, navzájem
oddělených tečkou (např. 213.145.55.12). Každé dekadické číslo vyjadřuje
jednu 8 bitovou část adresy.
IP adresa se obecně skládá ze dvou složek. První složka adresy identifikuje
síť, ve kterém je počítač umístěn a druhá složka identifikuje konkrétní
počítač, server nebo jiné zařízení v dané síti. Rozdělení IP adresy mezi tyto
dvě složky není pevné, délka obou složek (která musí samozřejmě činit
dohromady 32 bitů) určuje možné počty sítí a počty hostitelů (počítačů)
v jednotlivých sítích.
V jednotlivých složkách IP adresy (v adrese sítě, resp. adrese počítače
v rámci sítě) se nesmí použít samé 1 (dekadicky 255) ani samé 0 (dekadicky
0). Tyto adresy jsou určeny pro speciální účely. Samé 1 v uzlové části IP
adresy představují všesměrovou vysílací adresu pro posílání paketů všem
Adresování
uzlů
Struktura
IP adresy
50
hostitelům v síti, samé 0 jsou vyhrazeny pro lokální použití (číslo sítě
LAN).
Adresa 127.xxx.xxx.xxx je vyhrazena pro testování zpětné smyčky
a komunikaci mezi procesy na lokálním počítači.
Rozlišujeme tři základní třídy IP adres:
• Adresy třídy A jsou určeny pro největší sítě s řádově až 224 uzly, může
být max. 126 sítí s adresami typu A. Na adresu sítě připadá 8 bitů, na
adresu počítače (uzlu) 24 bitů z celé IP adresy. Rozsah adres je od
1.xxx.xxx.xxx až po 126.xxx.xxx.xxx.
• Adresy třídy B jsou určeny pro středně velké sítě s řádově až 216 uzly,
těchto sítí může být až 214. Na adresu sítě připadá 16 bitů, na adresu uzlu
16 bitů. Rozsah adres je od 128.xxx.xxx.xxx po 191.xxx.xxx.xxx.
• Adresy třídy C jsou určeny pro nejmenší sítě. Je jich nejvíce, může být
až 221 sítí, každá s až 254 uzlů. Na adresu sítě připadá 24 bitů, na adresu
uzlu 8 bitů. Rozsah adres je od 192.xxx.xxx.xxx po 255.xxx.xxx.xxx.
Třída
A
B
C
Příklad IP
Počet
Počet
Rozsah
možných sítí možných uzlů
adresy
126
(1 – 126) 66.249.85.99
65 534 (128 – 191) 153.12.74.26
(192 – 223) 212.80.76.3
Tab. 3. Jednotlivé třídy IP adres
Obr. 25. Struktura IP adres třídy A, B, C
Poznámka
Z obrázku 25 je zřejmé, že počet sítí u adres třídy A je tvořen 8 bity, u
třídy B 16 bity a u třídy C 24 bity. U počtu uzlů je to naopak – tak, aby
celkový počet bitů v adrese byl 32. Od celkového počtu uzlů v každé síti se
vždy odčítají 2, protože adresa uzlu nemůže být tvořená samými nulami
nebo samými jedničkami. Samými nulami se označuje síť jako celek, samé
jedničky se používají pro všesměrové vysílání (viz poznámka výše).
Na základě výše uvedených informací dopočítejte chybějící počty
možných sítí a možných uzlů v tabulce 3.
51
V rámci Internetu je nutno přidělování IP adres konkrétním počítačům
kontrolovat, aby nedošlo k duplicitnímu přidělení téže IP adresy. K tomuto
účelu jsou v mnoha zemích světa určeny organizace, které dohlížejí na
přidělování IP adres.
Autority
na Internetu
Nejvyšší autoritou v Internetu je ICANN (Internet Corporation for
Assinged Names and Nubmers), dříve IANA (The Internet Assigned
Numbers Authority). ICANN jednoznačně rozděluje intervaly čísel pro
IP adresy a přiděluje tyto intervaly jednotlivým regionálním IR (Internet
Registries). Regionální IR spravují větší oblast (např. kontinent). Území
pokrývané jedním regionálním IR je rozděleno mezi lokální IR. Lokální
IR jsou zpravidla poskytovatelé Internetu. Koncový uživatel (tj. správce
podnikové sítě) se obrací na lokálního IR (tj. poskytovatele Internetu),
ten přesně zformuluje jeho požadavky a zašle je regionální IR.
Regionální IR pro Evropu je RIPE NCC (Reseaux IP Europeens
Network Coordination Centre - http://www.ripe.net)
RIPE pro uživatele z Evropy přiděluje na základě žádosti. IP adresy,
které eviduje v databázi. Databáze RIPE je veřejně přístupná.
Ovšem ne všechny počítače musí být nutně přímo napojeny na celosvětovou
internetovou síť. U většiny lokálních sítí je pro připojení k Internetu použit
jeden hlavní počítač, který plní funkci brány, a ostatní počítače v LAN se
k Internetu připojují jeho prostřednictvím. Takže IP adresy přidělené
počítačům v lokálních sítích nesouvisí s adresami v Internetu, jejich volba je
na správci lokální sítě. Jedná se pak o tzv. privátní IP adresy. V podstatě
by správce mohl použít libovolné adresy, ale to se nedoporučuje. Pro lokální
sítě jsou v každé třídě vyhrazeny rozsahy IP adres, které nelze použít
v Internetu (viz tabulka 4). Tyto adresy nejsou v rámci Internetu
adresovatelné (směrovače je ve svých směrovacích tabulkách neobsahují),
jsou tedy bezpečné (nemohou způsobit problémy v jiných sítích, pokud by
vlivem nesprávné konfigurace sítě odešly mimo její hranice).
Třída
A
B
C
IP adresy
v lokálních
sítích
IP adresy v LAN
10.0.0.0 až 10.255.255.255
172.16.0.0 až 172.31.255.255
192.168.0.0 až 192.168.255.255
Tab. 4. Rozsah IP adres vyhrazených pro lokální sítě
Vraťme se k přidělování IP adres. Když si uvědomíme, že IP adresa má
rozsah 32 bitů a přitom je ještě rozdělena do tříd, je počet možných IP adres
jednoznačně omezen. Pro efektivnější hospodaření s IP adresami se používá
metoda nazývaná subnetting (subnet = podsíť). Umožňuje rozdělit jednu
„větší“ síťovou adresu na několik menších, tzn. rozdělit jednu větší síť na
několik menších podsítí. Určitá skupina dílčích sítí, které by bez použití
techniky subnettingu měly samostatné bloky IP adres (například 254
možných IP adres třídy C), má naopak jednu společnou adresu, a vůči
svému okolí vystupuje jako jediný celek, tj. jako jediná dílčí síť (viz
obr. 26).
Adresování
podsítě
52
Obr. 26. Princip adresování podsítě
Maska
podsítě
V rámci příslušné skupiny sítí je ale společná IP adresa dále členěna. Ta část
adresy, která navenek představuje adresu uzlu, se nyní rozpadá na dvě části
- adresu podsítě v rámci skupiny, a na adresu uzlu v rámci této podsítě.
Pro oddělení části adresy určené pro podsíť od části adresy pro uzel se
používá maska podsítě. Ty bity v masce podsítě, v nichž má odpovídající
IP adresa bity identifikující síť, budou mít hodnotu 1, zatímco ostatní bity
budou mít hodnotu 0. Např. 255.255.255.0 je maska, kde první tři 8-bitové
části odpovídají ID sítě a poslední část je ID uzlu (viz obr. 27).
Podstatná je přitom skutečnost, že tato maska nemá žádný povinný tvar.
Volí se samostatně pro každou jednotlivou podsíť, což pak ale znamená, že i
v rámci jedné skupiny podsítí mohou být používány různé masky (tzv.
Variable Lenght Subnet Mask). Obvykle se však setkáme spíše s tím, že
v rámci jedné skupiny podsítí je používána stejná maska.
Obr. 27. Použití masky podsítě
53
Příklad:
Pro malé lokální sítě je nejběžnější využívat IP adresy z rozsahu
192.168.1.xxx (za xxx se dosazuje číslo od 1 do 254) a jako masku
podsítě použít 255.255.255.0. Je však velmi vhodné si zvolit nějaký
systém v přidělování IP adres. Rozhodně by měl mít správce sítě všechny
přidělené adresy poznamenány s údajem o tom, kdo je jejich vlastníkem
a kde se nachází, velice to usnadní řešení problémů.
Ve školní počítačové síti je adresa 192.168.1.1 přidělena výchozí bráně,
jednotlivé stanice mají přiděleny adresy od 192.168.1.2 do čísla, které
závisí na počtu počítačů v lokální síti.
U všech počítačů je použita maska podsítě 255.255.255.0.
Jaký význam má IP adresa v počítačových sítích? Popište její strukturu
a způsob přidělování IP adres.
Místem, kde současná koncepce protokolů TCP/IP snad nejvíce „praská
ve švech", je rozsah číselných adres, používaných na úrovni síťové vrstvy,
tedy IP adres. Autoři TCP/IP zvolili pevný rozsah těchto adres 32 bitů. Ve
své době to jistě bylo více než dostatečné, a skýtalo to bohatou rezervu.
Autoři TCP/IP tehdy uvažovali nejvýše v měřítku desítek či maximálně
stovek sítí, které budou mít zájem propojit se prostřednictvím protokolů
TCP/IP. Určitě je tehdy nenapadlo, že díky obrovskému rozmachu
Internetu z těchto desítek až stovek relativně velkých sítí budou rázem
miliony mnohdy miniaturních sítí a jednotlivých počítačů. Autoři TCP/IP
sice počítali s určitou různorodostí připojovaných sítí co do jejich
velikosti, a připravili pro ně tři různé formáty IP adres - adresy třídy a pro
velmi velké sítě, adresy třídy B pro středně velké sítě, a adresy třídy C pro
malé sítě. Konkrétní způsob přidělování IP adres, který z této koncepce
vycházel, však nebyl příliš úsporný, a vedl naopak k jistému plýtvání
dostupným adresovým prostorem, jednou provždy vymezeným 32bitovým rozsahem IP adres. Již na počátku osmdesátých let, v souvislosti
s nárůstem zájmu o Internet, se pak začalo rýsovat určité nebezpečí
vyčerpání adresového prostoru všech IP adres. S postupem času,
rostoucím zájmem o Internet a akcelerujícím čerpáním IP adres pak toto
nebezpečí začínalo nabývat na intenzitě. Nikdo však nedokázal exaktně
vypočítat, kdy by k úplnému vyčerpání mohlo dojít - pesimistické odhady
hrozily apokalypsou málem druhý den, zatímco optimistické odhady
sahaly za rok 2000. Přesto se ale všichni shodovali v tom, že jde o
nebezpečí, se kterým je třeba něco dělat.
Přidělování
IP adres
54
CIDR bloky
Protokol
IPv6
Dočasné řešení nedostatku IP adres
Jedna z možných strategií úspory IP adres vychází z toho, že se dovolí, aby
různé sítě a uzly měly stejné IP adresy – viz privátní adresy na str. 51.
Dalším významným opatřením na cestě ke zpomalení úbytku IP adres bylo
odbourání dosavadního členění IP adres na třídy A, B a C, a jejich
přidělování i po jiných jednotkách. Tím se jednak odstranila určitá
neefektivnost při přidělování IP adres - například síť s pouhými čtyřmi uzly
musela dříve dostat jednu skupinu adres třídy C, neboli 254 jednotlivých IP
adres - a současně s tím se dosáhlo i významného zjednodušení při vlastním
směrování (zmenšil se objem informací, které si jednotlivé směrovače musí
ke svému fungování pamatovat). Celá strategie dostala jméno CIDR
(Classless Inter-Domain Routing). Pro uživatele je podstatné, aby rozuměl
zejména způsobu zápisu bloků adres, tzv. CIDR bloků, kdy se místo
uvedení masky za IP adresou uvede za lomítkem délka síťové složky IP
adresy. Např. zápis 192.168.128.0/22 označuje blok 1022 adres od
192.168.128.1 do 192.168.131.254 s pevně fixovanými prvními 22 bity
adresy.
Definitivní řešení nedostatku IP adres
Cesta k definitivnímu řešení nebyla jednoduchá. Stávající IP adresy jsou
totiž tak hluboce „zakořeněny“ v dosavadním protokolu IP, že jakákoli
změna ve své podstatě znamená vyvinutí zcela nového přenosového
protokolu síťové vrstvy. Do jeho hledání se zapojilo mnoho lidí, skupin i
celých institucí, a předloženo bylo mnoho variant řešení, často i dosti
protichůdných. Nakonec se podařilo dospět ke shodě nad jedním
konkrétním protokolem, který byl posléze nazván IPv6 (Internet Protocol
verze 6). Tato nová verze protokolu IP místo dosavadních 32 bitů pro
jednotlivé adresy již používá 128 bitů, a to by snad mohlo na velmi dlouhou
dobu vystačit. Zajímavé bude spíše sledovat, jak se nový protokol prosadí
do praxe. Zatím se objevují první sítě založené na protokolu IPv6, avšak
dosud spíše experimentálního charakteru. Moc o nich slyšet není, ale první
vlaštovky se přeci jen objevují. Všechny nové operační systémy (včetně MS
Windows XP) již nový protokol IPv6 podporují.
Kontrolní otázky:
a) Model ISO/OSI rozděluje činnosti sítě do ……..vrstev.
b) Úkolem každé vrstvy je poskytovat služby následující ……..vrstvě a
nezatěžovat vrchní vrstvu detaily, jak jsou služby ve skutečnosti
realizovány.
c) Jednotlivé vrstvy fungují tak, jako by komunikovaly přímo
se………vrstvou v druhém počítači.
d) ……vrstva určuje cestu ze zdroje do cílového počítače.
e) ……vrstva definuje, jak je kabel připojen k síťové kartě.
f) Model TCP/IP je rozdělen do ………vrstev.
g) Uveďte alespoň tři protokoly, které používá aplikační vrstva modelu
TCP/IP.
h) Z následujících IP adres vyberte ty, které jsou správné a určete u nich,
do které třídy patří: 12.266.151.31, 220.147.54.10, 146.15.330.1,
182.86.11.27.
55
Shrnutí kapitoly:
Pro komunikaci v rámci počítačových sítí byly vytvořeny dva základní
síťové vrstvové modely, které stanovují pravidla pro přenos dat po síti.
Model ISO/OSI má sedm vrstev, každá z nich má předepsané činnosti,
které se na dané vrstvě provádí. Není ovšem specifikováno, jakými
prostředky (protokoly) se mají činnosti realizovat. Naopak model TCP/IP
má jen čtyři vrstvy, jeho součástí jsou také protokoly pro realizaci
požadovaných činností na úrovni jednotlivých vrstev. TCP/IP je používaný
po celém světě, je součástí komunikace po Internetu.
V počítačové síti využívající protokolovou sadu TCP/IP má každý počítač
svou jednoznačně určenou 32 bitovou adresu – IP adresu, která je
rozdělena na 2 části (adresa sítě a adresa uzlu v síti). Pro efektivnější
využití rozsahu IP adres se používá maska podsítě, která umožňuje část pro
adresu uzlu použít na adresu podsítě (tzv. subnetting). V současné době se
postupně zavádí nový protokol IPv6, který pro adresu používá 128 bitů.
56
Aktivní prvky
6 Aktivní prvky
V této kapitole:
• se dozvíte o možnostech propojení sítě pomocí aktivních prvků
• získáte orientaci ve využití aktivních prvků pro různé typy sítí
Budete schopni:
• popsat různé typy aktivních prvků
• rozlišit, jaké funkce plní jednotlivé aktivní prvky
- aktivní prvek
- repeater, hub, switch, bridge, router, gateway
Aktivní prvky jsou zařízení, která přijímají data, určitým způsobem je
upravují a posílají dál po rozvodech počítačové sítě.
Mezi aktivní prvky patří:
• Repeater (opakovač, zesilovač)
• Transceiver (převodník)
• hub (rozbočovač, koncentrátor)
• Switch (přepínač)
• Bridge (most)
• Router (směrovač)
• Gateway (brána)
6.1 Repeater (opakovač), hub (rozbočovač)
Funkce
opakovače
Opakovač je nejjednodušší aktivní prvek. Používá se k prodloužení
kabelového segmentu (délka segmentu je dána vlastnostmi kabelu) tam, kde
je kabel tak dlouhý, že by na jeho konci signál už nebyl dostatečně silný.
Funkce opakovače spočívá v tom, že přijme signál, zbaví jej zkreslení, zesílí
a pošle dále. Všímá si pouze jednotlivých bitů, tj. toho, co je přenášeno na
úrovni fyzické vrstvy (viz obr. 28).
Opakovač nedokáže rozpoznat ani adresu odesílatele a příjemce dat a nemá
k dispozici informace, které by mu umožnily měnit svoje chování podle
toho, jaká data skrz něj prochází. Opakovač rozesílá všechna data do všech
stran (segmentů), ke kterým je připojen (samozřejmě s výjimkou segmentu,
odkud data přicházejí), ale neví, co by mohl zastavit a nemusel šířit dál.
Funguje v reálném čase až na malé zpoždění na svých vnitřních obvodech.
Opakovač v Ethernetu však samozřejmě musí šířit i kolize. Všechny
segmenty, propojené opakovačem (opakovači), tvoří tzv. kolizní doménu
a to z toho důvodu, aby i uzly v jiných segmentech poznaly, že ke kolizi
došlo. Proto, aby k rozpoznání bezpečně došlo i za opakovačem (který
většinu složek signálu, pomocí nichž se kolize rozpoznává, odfiltruje), se
57
Aktivní prvky
v Ethernetu po kolizi vysílá krátký tzv. jam signál (viz kapitola 4.2). Kolizní
doména končí až na nejbližším mostu, switchi nebo směrovači. Proto nesmí
být v Ethernetu libovolně mnoho opakovačů. Důvodem je i fungování
Ethernetu (metoda CSMA/CD, která vyžaduje aby se kolize rozšířila „z
jednoho konce na druhý konec“ nejdéle do pevně dané doby), ze které plyne
omezení na maximální počet opakovačů. Nejjednodušší formulace pravidla
zní, že mezi žádnými dvěma uzly nesmí být více jak dva opakovače.
Existují opakovače pro jeden typ přenosového kabelu nebo opakovače pro
různé dvojice kabelů. Pokud jde o propojení různých typů kabelů, takový
opakovač se nazývá převodník (Tranceiver).
Převodník převádí signál z jednoho typu na jiný (pro různá přenosová média
je třeba upravit signál do různého tvaru). Převodník je buďto samostatné
zařízení, nebo je přímo součástí jiného aktivního prvku.
Obr.28. Propojení sítí na fyzické vrstvě
Obr. 29. Tranceiver
Převodník
58
Funkce
rozbočovače
Aktivní prvky
Hub (rozbočovač)
Hub je nezbytným prvkem sítí s hvězdicovou topologií.
Základní funkcí rozbočovače je přijmout signál, zesílit jej, zbavit zkreslení
a poslat ke všem připojeným stanicím (v podstatě je to víceportový
opakovač).
Podobně jako u dalších síťových prvků se vyrábějí pro různé přenosové
technologie, lze kombinovat různou kabeláž.
Základními parametry rozbočovače jsou počet portů, tj. počet kabelů, které
lze připojit a jeho rychlost. Minimální počet portů je 4, vždy je vhodné mít
určitou rezervu pro připojení dalších stanic. Rychlost hubu je od 10 Mb/s až
po GB/s, při volbě rychlosti je nutno zohlednit také rychlost síťových karet
a připojovaných kabelů.
Funkce hubu jsou často implementovány do jiných aktivních prvků, které
jsou schopny pracovat víceúčelově.
Provedení hubu:
1. samostatné - s různým počtem portů (8,16,24,32,48…)
2. modulární – skládají se z modulů pro různé přenosové technologie
3. stohovatelné – skládají se z několika jednotek, které mohou pracovat
samostatně, nebo se složí dohromady a fungují jako jediný prvek
(výhodou je, že se mohou jednotlivé jednotky dokupovat)
6.2 Switch (přepínač), Bridge (most)
Obr. 30. Switch
Funkce
přepínače
Přepínač je dnes velmi používaným prvkem. Jeho funkce je podobná jako u
hubu s tím rozdílem, že přepínač propojí obvykle jen dvojici portů (to
neplatí pro vícesměrové či všesměrové rámce a v době tzv. učení), a těm
poskytuje plnou přenosovou rychlost, neposílá tedy všechny rámce všem
příjemcům. Dokáže rozpoznat, komu má data přeposlat, na základě MAC
adres. To znamená, že filtruje posílaná data a má tedy relativně vysokou
výkonnost. Pracuje na linkové vrstvě.
Přepínače se liší v tom, kolik uzlů (portů) je možné připojit ke každému
segmentu, kolik MAC adres si přepínač zvládne pamatovat na každém
segmentu (1 port na segment = ideální stav, více portů na segment = méně
než ideální stav).
59
Aktivní prvky
Bridge (most)
Most je „inteligentní“ prvek, který se zajímá o přenášená data. V podstatě
plní dvě funkce – filtruje rámce a propojuje dvě různé sítě. Většinou se
jedná o sítě se stejnou strukturou paketů v linkové vrstvě, tedy buď Ethernet
nebo Token Ring (viz obr. 31). Takovéto mosty se nazývají homogenní.
Je to aktivní prvek, který dokáže rozlišit, zda data zůstanou v segmentu, ze
kterého byla vyslána, nebo zda se mají převést do dalšího segmentu sítě.
Mosty používáme v případě, že chceme spojit dvě, anebo více sítí LAN,
prodloužit délku segmentu (příp. zvýšit počet připojených stanic) nebo
chceme snížit zatížení sítě. Dnes se mosty přestávají používat, nahrazují je
funkčně prakticky shodné switche, které poskytují vyšší výkon.
Most (i switch) musí znát své nejbližší okolí, a proto si udržuje tabulku
adres připojených stanic. Dnes se pro vytváření a aktualizaci tabulky adres
používá téměř výhradně tzv. „samoučení“ – switch (most) vytváří si tabulku
postupně sám na základě realizovaných propojení. Jde o nejčastější případ.
Most je schopen fungovat i tehdy, když tyto informace nebude mít
k dispozici. Pak bude fungovat podobně jako opakovač, a rozešle každý
přijatý rámec na všechny strany – tím přenos nebude efektivní, ale na
krátkou dobu to lze připustit. Toho se využívá během procesu učení.
Rozdíl mezi mostem a přepínačem.
Most (bridge) propojuje několik málo segmentů (2, 3 apod.) a má za
úkol zavést aspoň nějakou optimalizaci provozu. Je „starším“ řešením
a jeho výkonnost (v přepojování rámců) je relativně malá. Přepínač
(switch) propojuje více segmentů (např. až desítky) a má za úkol
poskytnout každé komunikující dvojici co možná nejvíce přenosové
kapacity. Je „novějším“ řešením a jeho výkonnost (v přepojování
rámců) je relativně vysoká. Mosty vznikly v době, kdy Ethernet
používal koaxiální kabely a měl skutečně sběrnicovou topologii,
přičemž mosty se snažily udělat maximum pro využití dostupné
kapacity. Později Ethernet přešel na použití kroucené dvojlinky a také
získal stromovou (hvězdicovou) topologii, kterou ale využíval jako
„logicky sběrnicovou“. Přepínače jsou pokusem využít potenciál
hvězdicových rozvodů na maximum.
Přepínače se používají hlavně k tomu, aby se zvýšila celková
propustnost sítě, a rozumně rozložily toky dat, aby se maximálně
efektivně využila dostupná přenosová kapacita. Používají se tam, kde
se dříve používaly mosty, tj. hlavně „uvnitř“ lokálních sítí, ale nikoli
„na okraji“, kde se používají spíše směrovače. Mosty jsou zaměřeny
spíše na rychlost, a nikoli na ochranu, omezování přístupu apod.
Funkce
mostu
60
Aktivní prvky
Obr.31. Propojení sítí na linkové vrstvě
6.3 Router (směrovač)
Směrovač je zatím nejinteligentnějším prvkem, s nímž jsme se setkali,
protože je schopen shromažďovat informace o všech připojených sítích.
Směrovač spojuje sítě v síťové vrstvě (viz obr. 32). Směrovač musí znát
skutečnou topologii celé sítě (resp. všech propojených sítí). Objem
potřebných informací je výrazně větší než u linkové vrstvy.
Funkce
směrovače
Úkolem směrovače je vybrat vhodnou cestu pro posílaný paket ze síťového
uzlu na uzel jiné sítě, při čemž obě sítě mohou být odděleny několika jinými
sítěmi, příp. velkou vzdáleností.
Má v sobě zabudovanou filtraci paketů rozšířenou o inteligentní směrování
s využitím IP adres.
Směrovače jsou typickým prvkem rozsáhlých sítí WAN, ale používají se i
v sítích LAN, kde se používají např. pro připojení sítě k Internetu.
Směrovač je závislý na použitém protokolu síťové vrstvy. Směrovač může
propojovat sítě různých architektur (Ethernet, FDDI, Token Ring,…).
Obr. 32.Router
61
Aktivní prvky
Obr.33. Propojení sítí na síťové vrstvě
6.4 Gateway (brána)
Mosty, switche a směrovače se nezajímají o datový obsah rámců resp.
paketů. Mohou propojovat jen takové systémy, které do rámců/paketů „balí“
stejná data tj. stejné systémy, eventuálně systémy lišící se v přenosových
technologiích nižších vrstev. Pro spolupráci odlišných systémů je nutné
rozumět přenášeným datům a provádět jejich konverzi. To je úkolem bran
(gateways), brány jsou vždy aplikačně orientované, rozumí jen datům od
určité aplikace, pracují tedy na aplikační vrstvě (viz obr. 33). Slouží
k připojení počítačové sítě k jiné síti, k nějakému cizímu prostředí. Brány
jsou realizovány softwarově a jsou vždy aplikačně orientované, např. brána
pro přenos elektronické pošty, pro tisk atd. Brány jsou nutné pro spolupráci
odlišných systémů.
Funkce
brány
62
Aktivní prvky
Obr.34. Propojení sítí na aplikační vrstvě
Vrstvy RM OSI
Aplikační
Prezentační
Relační
Transportní
Síťová
Linková
Fyzická
Propojovací zařízení
Brána (gateway)
Směrovač (router)
Most (bridge), přepínač (switch)
Opakovač (repeater)
Tab. 5. Shrnutí používaných aktivních prvků na jednotlivých vrstvách
Existují různé pohledy na propojování sítí podle toho, jakým způsobem
pracuje propojovací zařízení. To může pracovat na úrovni fyzické až
aplikační vrstvy a podle toho se také propojovací zařízení pojmenovává.
V případě, že propojovací zařízení pracuje na fyzické vrstvě, hovoříme o
opakovači (repeater), na linkové vrstvě o mostu (bridge), nebo přepínači
(switch), na síťové vrstvě o směrovači (router) a aplikační vrstvě o bráně
(gateway).
63
Aktivní prvky
Kontrolní otázky:
a) Přiřaďte k sobě správně aktivní prvek – vrstvu – používanou adresu:
switch, fyzická vrstva, IP adresa, síťová vrstva, repeater, linková
vrstva, gateway, MAC adresa, router, aplikační vrstva.
b) Jakým způsobem jsou realizovány směrovače (routery) a brány
(gateway)?
Shrnutí kapitoly:
Aktivní prvky jsou zařízení, která v rámci počítačových sítí plní velmi
důležitou úlohu. Umožňují propojovat počítače nejen v malém rozsahu
firmy nebo jiné instituce, ale propojují jednotlivé části sítí po celém světě.
Jejich základní funkcí je přijímat data, určitým způsobem je upravovat
a posílat dál po rozvodech počítačové sítě.
Mezi aktivní prvky patří opakovač, rozbočovač, přepínač, most, směrovač
a brána. První čtyři slouží k propojování počítačů v lokálních sítích, další
umožňují propojovat sítě mezi sebou a rozesílat data po celosvětové síti.
Nejčastěji se v LAN setkáme s přepínačem (switchem), pro připojení LAN
k Internetu slouží brána (gateway).
Vytvořte návrh lokální počítačové sítě, kterou používáte při své práci
(pokud při práci síť nepoužíváte, vymyslete si fiktivní síť). Návrh bude
obsahovat již dříve vytvořené schéma zapojení (topologie) a popis
použitých pasivních i aktivních prvků od kabeláže, přes použitý standard až
po konkrétní použité aktivní prvky.
64
Řešení kontrolních otázek
Řešení kontrolních otázek
Kapitola 1:
a) ano, b) není příklad sítě LAN, c) – není příklad sítě LAN, d) ano.
Kapitola 2:
a) topologie, b) ne, c) ne, d) ano.
Kapitola 3:
a) stínění proti vnějšímu rušení
b) RJ-45
c) elektromagnetické rušení
d) ne, naopak, karta převádí paralelní data na sériová
e) ano
f) komunikaci mezi síťovou kartou a operačním systémem
Kapitola 4:
a) vysílat
b) kolize
c) 100 m
d) 100BaseX
e) kolizím, Roken Ring
Kapitola 5:
a) sedmi
b) vyšší
c) stejnou
d) síťová
e) fyzická
f) čtyř
g) HTTP, SMTP, FTP, TFTP, IRC, Telnet
h) první a třetí není IP adresa (obsahuje číslo nad 255), druhá je IP adresa
třídy C a poslední je IP adresa třídy B
Kapitola 6:
a) repeater – fyzická vrstva, switch – linková vrstva – MAC adresa, router
– síťová vrstva – IP adresa, gateway – aplikační vrstva
b) směrovač je realizován hardwarově – jako zařízení, které přeposílá data
mezi sítěmi, brána je software určený pro spolupráci odlišných systémů
v různých oblastech
65
Symboly
Přehled používaných symbolů
Průvodce studiem – doplňující informace
Příklad.
Kontrolní otázka:
Úkol k zamyšlení.
Shrnutí kapitoly.
Korespondenční úkol.
66
Literatura
LITERATURA
1. ODOM, W. Počítačové sítě bez předchozích znalostí, CP Books,
Brno 2005, ISBN 80-251-0538-5
2. JEGER, D., PECINOVSKÝ, J. Postavte si vlastní počítačovou síť,
Grada, Praha 2000, ISBN 80-7169-700-1
3. HORÁK, J., KERŠLÁGER, M. Počítačové sítě pro začínající
správce, Computer Press, Praha 2000, ISBN 80-7226-566-0
4. DOSTÁLEK, L., KABELOVÁ, A., Velký průvodce protokoly
TCP/IP a systémem DNS, Computer Press, Praha 2002, ISBN 807226-675-6
5. Peterka, J., archiv přednášek [on/line] http://www.earchiv.cz
6. http://www.svetsiti.cz
7. http://site.the.cz

Úvod do počítačových sítí

Transkript

Podobné dokumenty

1. Mapování kulturního dědictví venkova prostřednictvím fotografií 2

BA9163_CZ_zkracene o 7 str - Burster Präzisionsmesstechnik

Aktivní a pasivní prvky sítě

Počítačová síť a internet - RNDr. Šárka Vavrečková, Ph.D.

J. Peterka, 2010

zdroj

Absolventská práce

TECH

Více informací o OmniSwitch 6450

2N SingleTalk - ISC Communication Czech as

Počítačové sítě

Rádiové spojení IZS v tunelech, podzemních garážích a obdobných

starý sylabus ve formátu pdf

Příloha 2: Technická specifikace

Ekonomická informatika

Počítačové sítě pro začínající správce

WinProxy - uživatelská příručka