4. Počítačová síť Co je to počítačová síť Pojmem počítačová síť se rozumí zejména spojení dvou a více počítačů tak, aby mohly navzájem komunikovat a sdílet své prostředky. Přitom je jedno zda se jedná o prostředky hardwarové nebo softwarové. Před nástupem počítačových sítí musel mít každý počítač, ze kterého se chtělo tisknout, vlastní tiskárnu. Případně se musel dokument k tisku nahrát na disketu a odnést k počítači s tiskárnou a vytisknout. Horší situace nastala, pokud s jedním dokumentem nebo databází pracovalo více osob. V takovém případě se nedalo zaručit, že všichni mají ve stejném okamžiku stejnou verzi s úpravami, které provedl kolega před hodinou. Tyto dva příklady ukazují práci v samostatném prostředí. Význam počítačových sítí neustále roste. Sítě se uplatňují jak ve firmách tak i při výuce na školách. I doma má dnes mnoho lidí svoji malou síť – nemluvě o připojení do Internetu.
Počítačová síť je tedy systém, který vzniká komunikačním propojení počítačů (a případně další IT techniky). Aby mohla vzniknout počítačová síť je zapotřebí dvou základních věcí: -
síťový HW – umožňuje vlastní fyzické propojení (NIC (network interface card – síťová karta) + přenosové médium + propojovací síťové prvky)
-
síťový SW – stará se o přesuny dat, komunikaci, navazování spojení a další služby jako např. zabezpečení apod. (firmware, ovladače, síťový OS, aplikace …)
Pokud jsou pracovníci spojeni do sítě mohou sdílet jak data a programy tak i technické prostředky: • • • • • • • •
data zprávy grafiku tiskárny faxové přístroje modemy další hardwarové zdroje výpočetní výkon (procesorový čas)
Kromě sdílení je s použitím sítí možné i např. zvyšovat spolehlivost centralizovaným zálohováním. Při poruše může dojít k automatickému přepojení na jiný počítač a uživatel ani nemusí zpozorovat změnu.
Základní dělení sítí
LAN – lokální síť Zpočátku se používaly malé sítě, s asi deseti navzájem propojenými počítači a tiskárnou. Velikost sítě, včetně počtu počítačů, omezovala dostupná technologie. Dnes už je možné dosáhnou podstatně větších sítí. Takovým sítím (na jednom podlaží budovy nebo v jedné malé firmě) se říká lokální síť (LAN … z anglického „Local Area Network“). Většina moderních sítí LAN podporuje širokou škálu počítačů a jiných zařízení. Každé zařízení musí používat vlastní fyzické protokoly a protokoly datového spojení pro konkrétní síť a všechna zařízení, která chtějí komunikovat se všemi ostatními v síti, musí používat stejný komunikační protokol (viz níže). Ačkoliv jednotlivé sítě LAN jsou prostorově omezeny (např. oddělení nebo budova úřadu), mohou být propojeny do větších sítí. Podobné sítě LAN se propojují pomocí mostů (bridge), které slouží jako body přenosu mezi sítěmi, rozdílné sítě LAN se spojují bránami (gateways), které přenášejí data a zároveň je konvertují podle protokolů používaných sítí příjemce. Sítě se rozdělují podle poměru doby vysílání a přijímání dat. U LAN sítí je doba vysílání tv vyšší než doba šíření signálu ts po přenosovém médiu (tv > ts). MAN – metropolitní síť Veřejná síť pracující vysokou rychlostí a schopná přenášet data na vzdálenost až několika desítek km. Většinou podporuje data i hlas. Tato síť je menší než WAN ale větší než LAN. Klasifikačně pro ni platí přibližně to stejné, co v síti LAN (viz výše). Síť MAN má přibližně stejnou dobu vysílání jako šíření signálu (tv ≈ ts). WAN – rozlehlá síť S růstem geografického dosahu sítí připojováním uživatelů v různých městech nebo státech přerůstá síť LAN a MAN do sítě WAN (Wide Area Network). Sítě WAN jsou tedy obecně rozlehlé a mohou propojovat obrovské množství uživatelů na rozloze do asi 1000km. V tomto ohledu existuje i pojem GAN (global area network), taková globální síť pak vlastně propojuje jednotlivé WAN sítě. Veřejnou globální sítí je např. internet. Doba vysílání je menší než doba šíření (tv < ts).
Kromě výše uvedených existují i další pojmy – např. CAN (campus area network). Toto dělení obecně nemá žádné přesné hranice a jednotlivé sítě se tak překrývají. Další dělení počítačových sítí: Podle způsobu uchování dat a roli jednotlivých stanic v síti můžeme sítě dělit do dvou skupin: Peer-to-peer – (rovný s rovným) – jednotlivé stanice (počítače) v síti jsou co do úlohy rovnocenné. Chovají se tedy obecně i jako klient i jako server. Prostředky mohou jak nabízet, tak k nim přistupovat. Používá se hlavně u menších sítí kvůli svojí jednoduchosti. Client-server – role jednotlivých stanic jsou jasně vymezeny. Existují tedy dva typy stanic. Server (jeden nebo více) nabízí v síti svoje služby a klienti těchto služeb využívají. Server je tedy počítač na kterém je zpravidla nainstalován síťový serverový OS. Jeden fyzický server (bývá zpravidla vyhrazený – dedicated) může v sítí hrát více rolí (file-server, aplikační server, www server, …) Další pojmy z oblasti počítačových sítí: Protokol - množina pravidel k řízené komunikace mezi jednotlivými uzly v síti. Definuje syntaxi i sémantiku předávaných zpráv. Určuje pravidla komunikace a akce, které se provádějí. Protokol většinou zahrnuje a řeší navázání spojení, adresaci, způsob přenosu dat, zpracování chyb, přidělování prostředků a další. Paket – základní přenosová jednotka v sítích. Obecně se v různých fázích komunikace a přenosu jmenuje jinak (pakety, rámce, datagramy, …). Skládá se z dat a metadat. Obsahuje záhlaví vlastní informace určené k přenosu a případně zápatí. intranet – vnitrní zpravidla menší sít typu LAN nebo MAN. Intranet je spravován jednou entitou např. nějakou organizací. internet – spravován více částečně nezávislými subjekty. Základem Internetu je směrování a adresování s využitím protokolu rodiny TCP/IP. Internet je decentralizovaný a distribuovaný.
K čemu slouží počítačová síť? Společnosti si instalují počítačové sítě především proto, aby mohly sdílet zdroje a aby umožnily přímou komunikaci. Zdroje zahrnují data, aplikace a periferní zařízení. Periferním zařízením je například externí disketová mechanika, tiskárna nebo modem. Přímá komunikace zahrnuje posílání zpráv, odpovídání na zprávy nebo e-mail. Tiskárny a další periferie Před nástupem sítí bylo potřeba mít svou vlastní tiskárnu, ploter a další periferní zařízení. Než vznikly sítě, jedinou možností, jak sdílet tiskárnu, bylo střídat se u počítače, ke kterému byla tato tiskárna připojena. Sítě nyní umožňují, aby data i periferie sdílelo současně několik lidí. Pokud velký počet lidí potřebuje používat tiskárnu, mohou všichni používat tiskárnu, která je zapojena do sítě. Aplikace Pomocí sítí je možné sjednotit používání aplikací, jako například textového procesoru, a zajistit tak, že všichni pracovníci zapojení do sítě budou používat stejnou aplikaci a její verzi.
Topologie sítí Všechny návrhy sítě vycházejí ze tří základních topologií: Sběrnicová topologie (BUS)
Sběrnicová topologie je také známa jako lineární sběrnice. Jde o nejjednodušší způsob zapojení počítačů do sítě. Skládá se z jediného kabelu nazývaného hlavní kabel (také páteř nebo segment), který v jedné řadě propojuje všechny počítače v síti. Komunikace ve sběrnicové topologii Počítače v síti se sběrnicovou topologií komunikují tak, že adresují data konkrétnímu počítači a posílají tato data po kabelu ve formě elektrických signálů. Abyste pochopili, jak počítače ve sběrnicové topologii komunikují, musíte se seznámit se třemi pojmy: • posílání signálu • vracející se signál • terminátor Posílání signálu Data v síti ve formě elektrických signálů jsou posílána všem počítačům v síti, nicméně informaci přijme pouze ten počítač, jehož adresa odpovídá adrese zakódované v počátečním signálu. V daný okamžik může zprávy odesílat vždy pouze jeden počítač. Protože ve sběrnicové síti může v daném okamžiku data posílat vždy pouze jeden počítač, závisí výkon sítě na počtu počítačů připojených ke sběrnici. Čím více počítačů je ke sběrnici připojených, tím více počítačů bude čekat, aby mohly poslat data po sběrnici, a tím bude síť pomalejší. Velikost zpomalení sítě nesouvisí pouze s počtem počítačů v síti. Závisí na mnoha faktorech, včetně: • možností hardwarového vybavení počítačů v síti; • počtu přenosů dat počítači v síti; • druhů aplikací používaných v síti; • typů kabelu používaných v síti; • vzdálenost mezi počítači v síti. Sběrnicová topologie je pasivní topologií. Počítače ve sběrnicové síti pouze poslouchají, zda jsou v síti posílána nějaká data. Neodpovídají na přesun dat z jednoho počítače na druhý. Pokud jeden počítač selže, neovlivní to zbytek sítě. V aktivní topologii počítače obnovují signály a přesunují data dále po síti. Vracející se signál Protože data, neboli elektrický signál, jsou posílána po celé síti, cestují z jednoho konce kabelu na druhý. Kdyby mohl signál pokračovat bez přerušení, neustále by se vracel tam a zpět podél kabelu a zabránil by tak ostatním počítačům v odesílání jejich signálů. Proto je potřeba signál, co měl možnost dosáhnout cílové adresy, zastavit. Terminátor Aby se zastavilo vracení signálu, umístí se na oba konce kabelu terminátor, který pohlcuje volné signály. Pohlcování vyčistí kabel tak, aby mohly data posílat i další počítače. Všechny konce kabelu v síti musí být do něčeho zapojeny. Jakýkoliv volný konec kabelu – konec, který není do ničeho zapojen – musí být zakončen tak, aby se předcházelo vracení signálu.
Přerušení komunikace v síti V případě, že je kabel fyzicky rozříznut na dvě části nebo se jeden konec odpojí, dojde k přerušení kabelu. V každém případě nebude mít jeden nebo více konců terminátor a signál se bude vracet. Následkem toho se přeruší činnost v síti. Rozšíření sítě LAN S růstem plochy, na které je síť umístěna, musí růst i samostatná síť LAN. Kabely ve sběrnicové topologii je možné prodlužovat jedním ze dvou následujících způsobů. • Pomocí dílu zvaného „I-konektor“ je možné spojit dva kabely a získat tak delší kabel. Konektory „I“ však zeslabují signál a měli by se používat pouze v omezeném počtu. Je mnohem lepší koupit jeden souvislý delší kabel než spojovat několik menších pomocí konektorů. Ve skutečnosti může použití příliš mnoha konektorů zabránit správnému příjmu signálu. • Pro spojení dvou kabelů je možné použít zařízení zvané opakovač (repeater). Opakovač ve skutečnosti signál před jeho odesláním zesílí. Opakovač je lepší než konektor nebo jeden delší kabel, protože umožňuje přenášení a příjem signálu na ještě větší vzdálenosti. Hvězdicová topologie (STAR)
Ve hvězdicové topologii jsou počítače propojeny pomocí kabelových segmentů k centrálnímu prvku sítě, nazývanému např. rozbočovač (HUB). Signály se přenáší z vysílacího počítače přes rozbočovače do všech počítačů v síti. Tato topologie pochází z počátků používání výpočetní techniky, kdy bývaly počítače připojeny k centrálnímu počítači mainframe. Mezi každými dvěma stanicemi musí existovat jen jedna cesta! Hvězdicová topologie nabízí centralizované zdroje a správu. Protože jsou však všechny počítače připojeny k centrálnímu bodu, vyžaduje tato topologie při instalaci velké sítě velké množství kabelů. Selhání hubu ve hvězdicové topologii způsobí „spadnutí“ sítě u stanic k němu připojených. Je proto vhodné ho chránit před výpadkem el. proudu zdrojem UPS. Pokud ve hvězdicové síti selže jeden počítač nebo kabel, který ho připojuje k rozbočovači, pouze tento nefunkční počítač nebude moci posílat nebo přijímat data ze sítě. Zbývající část sítě bude i nadále fungovat normálně.
Kruhová (Prstencová) topologie (RING)
Prstencová topologie propojuje počítače pomocí kabelu v jediném okruhu. Neexistují žádné zakončené konce. Signál postupuje po smyčce v jednom směru a prochází všemi počítači. Na rozdíl od pasivní sběrnicové topologie funguje každý počítač jako opakovač, tzn. že zesiluje signál a posílá ho do dalšího počítače. Protože signál prochází všemi počítači, může mít selhání jednoho počítače dopad na celou síť. Předávání tokenu (?známky) Jeden způsob přenosu dat po kruhu se nazývá předávání tokenu (token passing). Token je zvláštní typ paketu, který se posílá z jednoho počítače na druhý, dokud se nedostane do počítače, který má data k odeslání. Vysílající počítač token pozmění, přiřadí datům elektronickou adresu a pošle ji dál po okruhu. Data procházejí všemi počítači, dokud nenaleznou počítač s adresou, která odpovídá jim přiřazené adrese. Přijímací počítač vrátí vysílacímu počítači zprávu, že data byla přijata. Po ověření vytvoří vysílací počítač nový token a uvolní jej do sítě. Případně je za uvolňování a správu tokenů zodpovědný jeden konkrétní počítač. Další možnosti topologie sítě: Neomezená/kombinované topologie Segmenty sítě jsou zapojeny libovolně mezi sebou nebo vytváří např. stromovou strukturu. Obecně se nemusí jednat o samostatné počítače, ale o navzájem propojené sítě. Například Internet.
Varianty hlavních topologií Pokud jsou počítače zapojeny v řadě za sebou podél jediného kabelu (segmentu), nazývá se tato topologie sběrnicová. Pokud jsou počítače zapojeny ke kabelovým segmentům, které vycházejí z jediného bodu neboli rozbočovače, nazývá se tato topologie hvězdicová. Pokud jsou počítače zapojeny ke kabelu, který tvoří smyčku, nazývá se tato topologie prstencová. Zatímco tyto tři základní topologie jsou samy o sobě jednoduché, v praxi používané varianty často kombinují vlastnosti více než jedné topologie a mohou být složité. Volba topologie Topologie Výhody Sběrnicová Ekonomické využití kabelu. Média nejsou drahá a snadno se s nimi pracuje. Jednoduchá, spolehlivá. Snadno se rozšiřuje. Prstencová Rovnocenný přístup pro všechny počítače. Vyvážený výkon i při velkém počtu uživatelů. Hvězdicová Snadná modifikace a přidávání nových počítačů. Centrální monitorování a správa. Selhání jednoho počítače neovlivní zbytek sítě.
Nevýhody Síť může při velkém provozu zpomalit. Problémy se obtížně izolují. Porušení kabelu může ovlivnit mnoho uživatelů. Selhání jednoho počítače může mít dopad na zbytek sítě. Problémy se obtížně izolují. Rekonfigurace sítě přeruší její provoz. Pokud selže centrální prvek, selže celá síť.
Způsoby přenosů a komunikace v počítačových sítích: -
-
synchronní přenos – přenášený rámec je rozdělen na sloty a každá probíhající komunikace si obsadí jeden nebo více slotů, tím je zajištěn stálý tok dat (zvuk, video, telefony, …) asynchronní přenos – typické pro protokol ATM (asynchronous transfer mode). Jednotlivé pakety – zde buňky (cells) jsou malé a můžeme zajistit že každá n-tá buňka bude patřit konkrétní aplikaci paketový přenos – nejpoužívanější způsob přenosů v datových sítích. Pakety různých délek přenáší data. Využití přenosové šířky pásma je nejlepší, ale nezajistí se garantovaná šířka pro jednu aplikaci
-
spolehlivý vs. nespolehlivý přenos – u nespolehlivého přenosu, který je obecně rychlejší se při zjištění chyby nic neřeší a data se prostě zahodí. Spolehlivý přenos oproti tomu může chyby detekovat a žádat přímo o přeposlání dat nebo dokonce chyby opravovat.
-
spojovaný vs. nespojovaný přenos – při spojované komunikaci, která je obdobou např. telefonních hovorů je nejprve provedeno spojení s cílovou stanicí. Ta se ozve, že je připravena přijímat data a pak teprve začne vysílání. Všechny data se pak přenášejí jednou už vytyčenou cestou. Při nespojovaném přenosu začne stanice prostě vysílat a přenos a cesta se řeší až během cesty dat.
