Informatika alapok – számítógépes hálózatok jellemzése Szerkesztette: Wünsch Péter Internet cím: http://web.axelero.hu/none Bevezetés: Az alábbiakban a számítógépes hálózatok csoportosítása mindig egy kiemelt tulajdonság alapján történik, de csak ezek összességében vizsgálható egy hálózat. Kiterjedés szerint: - LAN (Local Area Network): Kis kiterjedéső, lokális hálózat, mely általában magán kézben van (iskolák, hivatalok, vállalatok). Egy épületen belül, vagy egy legfeljebb néhányszor tíz kilométer kiterjedéső területen található. Széles körben használják ıket iskolákban, hivatalokban, gyárakban személyi számítógépek (munkaállomások) összekapcsolására. Fontos szolgáltatása az erıforrások megosztása (fájl, nyomtató), illetve az üzenetküldési lehetıség (Linux, Novell Netware). A LANok mérete szigorúan korlátos, így az átviteli idı a legrosszabb esetben is korlátos és elıre ismert, mely könnyebbé teszi a felügyeletet is. Jellemzıje az egyedi kábelezés és az ebbıl következı gyors megvalósítás (gyakran használnak olyan átviteli technikákat, mely egyetlen kábelen alapul, erre csatlakozik az összes gép). A lokális hálózatokat a kiterjedésük, az átviteli módjuk és a topológiájuk különbözteti meg a többi hálózattól. Nagyon megbízhatóak, hibaarányuk 1000* kisebb, a WAN hálózatokénál. Jellemzı topológiája a sín, győrő. A hagyományos LAN-ok 10, 100 Mb/s sebességgel mőködnek, ma már létezik 1000 Mb/s-es változat is. Emellett kicsi a késleltetésük (néhányszor tíz mikro szekundum). Szabványa: Ethernet (IEEE 802.3). - MAN (Metropolitan Area Network): Városi mérető hálózat. Lényegében a LAN nagyobb kiterjedéső változata, hasonló technológián alapul. Lehet magán, vagy nyilvános hálózat. Összeköthet egymáshoz közeli épületben lévı irodákat, de egy egész városnyi területet is. Támogatja az adat-, hang-, videó átvitelt, kábel TV hálózathoz köthetı. A hagyományos egy- vagy kétkábeles MAN nem tartalmaz kapcsolóelemeket. A MAN számára dolgozták ki a DQDB (Distributed Queue Dual Bus - Kettıs Sín Osztott Várakozási sorral - IEE 802.6) szabványt, mely két párhuzamos, egyirányú sínbıl áll, melyekhez valamennyi gép csatlakozik. Mindkét sín rendelkezik egy fıállomással (head-end), amely az átviteli tevékenységet kezdeményezi, azaz 53 bájtos cellák folyamát állítják elı. A cellák a fejállomásoktól kezdve végighaladnak a kábeleken, amint elérik a sínek végét, lepottyannak, megszőnnek. Mindegyik cellában található két protokollbit: a foglalt (Busy) jelzi, hogy foglalt-e a cella, és a kérelem (Request), amellyel az állomások a kéréseiket jelezhetik. Ha egy állomás cellát akar küldeni, akkor tudnia kell, hogy tıle jobbra, vagy balra található-e a célállomás. A küldıtıl jobbra lévı gépeknek szánt csomagokat a felsı (A) sín, a balra lévıket az alsó (B) sín továbbítja. Bármelyik csatornára való írás esetén logikai VAGY kapcsolatba lép a csatorna jelével. Az állomások sorba rendezıdnek a szerint, hogy mikor kerültek küldésre kész állapotba, FIFO rendszer szerint forgalmaznak. Az állomások illedelmesek, alkalmazkodnak azokhoz az állomásokhoz, mely az adatfolyam szemszögébıl tılük lejjebb vannak (különben mindig csak a közelebbiek kapnának adatokat, kisajátítanák a sínt). Tipikusan 160 km hosszúak és 44,736 Mb/s (T3) sebességgel üzemelnek. - WAN (Wide Area Network) - nagytávolságú hálózat: Kiterjedése pár kilométertıl kezdve egy országig, vagy akár földrészekre is kiterjedhet. Olyan gépeket foglal magában, melyeket felhasználói programok futtatására készítettek (PC). Ezeket a gépeket hosztoknak nevezik, sokszor a végrendszer (end-system) kifejezést is használják rájuk. A hosztokat egy kommunikációs alhálózat (communication subnet), vagy röviden alhálózat kapcsolja össze. Az alhálózat feladata, hogy továbbítsa az üzeneteket a hosztok között. Az alhálózat legtöbbször két
komponensbıl áll, az átviteli vonalakból és a kapcsolóelemekbıl. Az átviteli vonalak (áramkörök, csatornák, trönkök) szállítják a biteket a számítógépek között. A kapcsolóelemek olyan speciális számítógépek, amelyek kettı, vagy több átviteli vonal összekapcsolására használnak. Amikor adatok érkeznek a bejövı vonalon, a kapcsolóelemnek ki kell választania egy kimenı vonalat, melyen az adatokat továbbítja. Ezeket csomagkapcsoló csomópontnak (packet switching node), közbülsı rendszernek (intermediate system) és adatkapcsoló berendezésnek (data switching exchanges) is nevezik, de a router név is használatos. A WAN-okhoz ezeken keresztül csatlakoznak az alhálózatok, melyek a hosztokból állnak. A legtöbb nagy kiterjedéső hálózat sok kábelt és telefonvonalat tartalmaz, ezek mindegyike egy router-párhoz kapcsolódik. Ha két olyan router akar egymással kommunikálni, amelyek nincsenek egyetlen vonallal közvetlenül összekötve, akkor ez további routerek segítségével történik. Mindegyik közbülsı router mikor csomagot kap az adatátvitel során, megvárja a teljes csomag beérkezését, tárolja azt, míg a megfelelı kimeneti vonal szabaddá nem válik, majd ha ez megtörtént, továbbküldi azt. Általában több szervezet birtokában van. Kiterjedése: 100km - 10000km. Összeköttetés: telefon, mőhold, analóg, digitális (tipikus átviteli eszközei a távközlési vállalatok által nyújtott eszközök: telefonvonal, mőhold, mikrohullám), a vezetékes rendszerekkel felépített kapcsolatok nem túl megbízhatóak nagy a hibaarány, ezért a hibakezelést minden rétegben el kell végezni. Sebesség szerint: A technikai fejlıdés évrıl évre átírja a hálózatok sebességi alapadatait. Napjainkban a 100 Mbit/s határt is átlépték már a fejlesztésekkel. - Lassú (~30 kbit/s) általában telefonvonalakat használnak az adatátvitelre (csavart érpár). - Közepes (~1-20 Mbit/s) a LAN-ok többsége ebbe a kategóriába sorolható. Pl.: az Ethernet 10 Mbit/s, Token Ring 16 Mbit/s (egy rézvezeték - coax, vagy UTP (Unshielded twisted pair) kábel 4 csavart érpárral). - Nagy sebességő (~50 Mbit/s fölött) sokáig speciális célokra használták, de manapság a 100 Mbit/s-os lokális hálózatok terjednek el, s létezik 1000 Mb/s-es hálózat is. Jó példája az üvegszálra épülı FDDI (Fiber Distributed Data Interface) hálózat. (mőholdas, optikai kábeles, rádiós) Átvivı közeg szerint: Számítógépes hálózatoknál az átviteli közeg lehet fizikailag összekötött (on-line, bound) vagy fizikailag nem összekötött (off-line, unbound). Vezetékes rendszerek: csavart érpár, koax kábel, optikai kábel, stb. Jellemzıik: lehallgatás ellen védettebbek, kisebb távolságra olcsóbb a telepítés, nehezen áthelyezhetı. Vezeték nélküli rendszerek: infravörös fény, lézer, rádióhullám, mikrohullám, stb. Jellemzıi: mozgékony, könnyen áthelyezhetı, elég két adó-vevı, a jel széles környezetben terjed, ügyelni kell az adatbiztonságra (lehallgatható). - Csavart érpár: két szigetelt rézhuzalból áll, melyek tipikusan 1mm vastagságúak, DNS-hez hasonlóan spirálszerően vannak egymás köré tekerve. A két eret azért csavarják össze, hogy csökkentsék a kettı közötti elektromágneses kölcsönhatást (párhuzamosan antenna lehetne). Leggyakrabban a telefonnál használják. Rövidebb távolságon belül erısítı nélkül használható, de nagyobb távolságok esetén erısítés szükséges. Alkalmas analóg és digitális átvitelre is. A vezetékek sávszélessége a vastagságtól és az áthidalt távolságtól függ. CAT3-as: finoman egymás köré tekert szigetelt vezetékekbıl áll. Általában négy ilyen érpárt tartalmaz, melyet mőanyag köpennyel fognak össze, mely a mechanikai védelem szempontjából fontos. CAT5-ös: Egységnyi hosszon jobban csavarodott, és teflonos szigeteléssel van ellátva. Ez a vezetékek között kisebb áthallást, nagyobb távolság esetén is jobb minıségő adatátvitelt eredményezett.
- Koaxikális kábelek: jobb árnyékolással rendelkezik, mint a csavart érpár, ezért nagyobb sebességgel nagyobb távolságot lehet vele áthidalni. Középen tömör rézhuzal található, ezt veszi körül egy szigetelıanyag, majd erre jön az árnyékolás (sőrő szövéső hálóból álló vezetı), majd mőanyag védıburkolat. Alkalmas nagy sávszélességő jelek továbbítására a szerkezete és árnyékolása miatt, zajérzékenysége emellett igen csekély. A sávszélesség a kábel hosszától függ, nagy távolság esetén erısíteni kell a jelet. Elterjedt a kábel TV-nél és a lokális hálózatoknál. - Üvegszálas vagy optikai kábel: a jelenlegi legkorszerőbb vezetékes adatátviteli módszer. Az információ fényimpulzusok formájában terjed egy fényvezetı közegben, praktikusan egy üvegszálon. Az átvitel három elem segítségével valósul meg: fényforrás - átviteli közeg fényérzékelı. A fényforrás egy LED dióda, vagy lézerdióda, a fényérzékelı egy fotótranzisztor vagy fotodióda. A fény a szál belsejének és külsejének eltérı törésmutatója miatt nem tud kilépni. A belsı, nagyobb törésmutatójú üveget (core) ugyanis egy kisebb törésmutatójú héj veszi körül (eladding), így teljes visszaverıdés jön létre. A szálat védelem céljából mőanyag borítással veszik körbe. A technikai fejlıdés során elıször a 820-1300-1550 nm-es hullámhossz tartományban sikerült a csillapítást 1dB/km alá vinni. A kábelek lehetnek kültériek és beltériek, fémtartalmúak és fémmentesek is. Jellemzi ıket a core átmérı/ladding átmérı érték. Elınyei: érzéketlen az elektromágneses zavarra, nagy sávszélesség, erısítés nélkül igen nagy távra vihetı, nem lehallgatható, nincs földpotenciál probléma. Hátránya: drága, nehéz javítani. - Rádiófrekvenciás átvitel: egyszerően elıállítható a rádióhullám, nagy távolságra eljuttatható, s könnyen áthatol az épületek falain. A hullámok minden irányban terjednek, ezért az adót és a vevıt nem kell precízen egymáshoz illeszteni. A rádióhullámok terjedési tulajdonságai frekvenciafüggık. Alacsony frekvencián szinte mindenen áthatolnak, viszont teljesítményük az adótól távolodva erısen csökken. A nagyfrekvenciás rádióhullámok egyenes vonal mentén terjednek, de a tárgyakról visszaverıdnek. - Mikrohullámú átvitel: 100 MHz felett a az elektromágneses hullámok egyenes vonal mentén terjednek, ezért jól fókuszálhatók. Ha ezeket a hullámokat egy parabolaantenna segítségével vékony nyalábba fogjuk össze, akkor a jel-zaj viszony sokkal jobb lesz, viszont ehhez a vevı és az adó antennát pontosan kell egymáshoz igazítani. A földfelszín görbülete miatt az adótornyok távolsága problémát jelenthet, ezért meghatározott távolságonként ismétlıkre van szükség. Minél magasabbak az adótornyok, annál messzebbre lehetnek egymástól (100m magas toronynál 80 km távolság). A mikrohullámok nem képesek áthatolni az épületek falain, emellett a levegıben szóródás is fellép. - Infravörös átvitel: elsısorban kis távolságú adatátvitelnél használják (Video, TV, HIFI távirányító). Jól irányítható, olcsó, könnyen elıállítható, de a szilárd testeken nem képes áthatolni. - Lézer átvitel: az átvitel koherens, külön adóra és vevıre van szükség (mivel az adatátvitel egyirányú, mindkét helyen kell egy-egy adó és egy-egy vevı is). Nagy sávszélességgel rendelkezik, emellett olcsó. Az esın és a sőrő ködön nem képes áthatolni. A kisebb szórás érdekében lencséket alkalmaznak a sugár útjában. Topológia alapján: - Bus (sín): a gépek egy közös átviteli közegre csatlakoznak, ahol a 2 végén 2 ellenállás van. Hossza meghatározott és függ a vezeték tulajdonságaitól. - Ring (győrő): a gépek egy zárt, győrőre vannak felfőzve, így az adatok géprıl gépre vándorolnak. a gépek győrőre vannak felfőzve, az állomások a szomszédjaikhoz külön vonallal csatlakoznak. Az információ egy adott irányban körbejár. Elınye: kevés kábelezés. Hátránya: az állomások a győrőre szorosan kapcsolódnak, a hálózatot kábelszakaszokra bontják, kevésbé megbízható a sok
csatlakozás miatt. Legnagyobb hiba: 1 állomás vagy csatlakozás hibája üzemképtelenné teheti az egész rendszert. - Tree (fa): Bármely két összekötött gép között egy és csak egy útvonal van. Csillag alapú hálózati elrendezés, egy csomópontba rendezett elosztóval (HUB) további gépek csatlakoztathatók. Bármely két gép között csak 1 út van. Az elágazási pontokban állomások vannak. Elınye: kisebb kábelezési munka. Hátránya: kábelhiba esetén a hálózat egymástól független alhálózatokra esik szét, nagyobb hálózatterhelésnél a szerverhez közelebb esı adatcsatorna túlterhelıdhet, a rendszer válaszidık megszőnnek. - Star (csillag): Minden gép csak a központi géppel (szerver) van összekötve. Minden gép csak a központi géppel van összekötve. Az üzenet csak a címzett állomáshoz jut el (útválasztó). Fizikailag minden gép külön kábellel csatlakozik a szerverhez. Elınye: kábelhiba esetén csak 1 állomás esik ki, a kábelhiba gyorsabban elhárítható, hálózat menet közben építhetı. Hátránya: hosszúkábel, költségtöbblet, nehézkes installáció. Több csillagpont alakítható ki, melyek egymással is összeköthetık. - Teljes topológia: Minden eszköz minden eszközzel össze van kötve. Átviteli módszer alapján: - Alapsávú (Baseband): modulálatlan jeleket továbbít, tehát az átviteli közegben haladó jel frekvenciája közel azonos a bitsorozat frekvenciájával. Telepítése olcsó, csak rövid távra alkalmazható. Általában LAN-okhoz használják. - Szélessávú (Broadband): az adatátvitel modulált, tehát a vivı frekvenciája jóval nagyobb, mint a bitsorozat frekvenciája. Az átvitelre használható sávot több logikai csatornára osztják. Kommunikáció iránya szerint: - Simplex (csak egyirányú): Az egyik állomás csak az adó a másik csak a vevı. - Fél duplex (váltakozó irányú): Mindkét irányban megengedett az adatátvitel, de egy idıben csak az egyik irányban élhet. - Duplex (kétirányú): Mindkét állomás egyszerre lehet adó és vevı is. Közeghozzáférés szerint: - Véletlen átvitelvezérlés: egyik állomásnak sincs engedélyre szüksége az üzenettovábbításhoz, adás elıtt csak az átvivı közeg szabad voltát ellenırzi. Tipikus megvalósítása a CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), azaz csatornafigyelı többszörös hozzáférés ütközésdetektálással. - Osztott átvitelvezérlés: csak egy állomásnak van joga adni, de ez a jog az állomások között körbe jár. Ezt alkalmazzák a vezérjelet továbbító (token=vezérjel) - token passing - módszer esetén. A vezérjelet birtokló állomás adhat. Megkülönböztetünk vezérjeles győrő (token ring) és vezérjeles sín (token bus) topológiát. - Központosított átvitelvezérlés: egy kitüntetett állomás foglalkozik az átviteli jogok kiosztásával. Kapcsolat létrehozása alapján:
- Vonalkapcsolt (line switching): a kommunikáló állomások között állandó kapcsolat épül ki az adás idejére (az adás elıtt kell létrehozni). A kapcsolat felépítése rövid idıt vesz igénybe (pl. telefon). - Üzenetkapcsolt: a két állomás között az átviteli hálózat tárolva továbbító, store and forward (tárol és továbbít) számítógépekbıl (router) áll, ezek tárolják, majd továbbítják az üzeneteket egy címinformáció alapján. Az üzenet hossza nem korlátozott. Hasonlít a postai csomagküldéshez. Itt nem jön létre fizikai összeköttetés. - Csomagkapcsolt (packet switching): hasonlít az üzenetkapcsolthoz, csak az adatblokk mérete korlátozott, ezért az üzeneteket nem kell a háttértárolón eltárolni, hanem elég a router memóriájában elhelyezni. Az adatblokkokat csomagokra (packet) kell darabolni. Adatátviteli csatorna nem meghatározott. Mindig szabad adatátviteli csatornán küldi át a csomagokat, senki nem tudja kisajátítani a vonalakat, ezért alkalmas interaktív kapcsolattartásra. A csomag: korlátozott hosszú és a címinformáció alapján kézbesítik. Nem kell megvárni, míg a teljes csomag megérkezik, továbbítani lehet akkor is, ha a második csomag még nem érkezett meg. A késleltetés emiatt lecsökken, az átbocsátóképesség megnı.
