Hálózati alapismeretek műszaki szemmel Ebben a kis tömör jegyzetben szeretném taglalni a hálózatok általános felépítését, a leggyakrabban használt rövidítések mögötti tartalmak jelentését és néhány dolgot amelyet elengedhetetlennek tartok ahhoz, hogy ha valaki hálózatokkal foglalkozik akár csak elméleti szinten akkor ne ismerjek meg ezeket. Természetesen kitérek a mindenkor emlegetett OSI modell felépítésére, és a nem emlegetett, de folyamatosan használt TCP/IP modell jelentőségére. Első körben nézzük meg a hálózatok topológiai csoportosítását, amely annyit takar magában, hogy a hálózati struktúra tagjai, eszközei milyen úton tudnak egymáshoz csatlakozni, tehet milyen a hálózati fizikai felépítése: Topológia neve gyűrű (ring)
háló (mesh)
csillag (star)
Jelölés
Leírás A gyűrű modell a lánc modell egy biztonságosabb változata, mert egy kommunikációs csatorna kihullásával még a rendszer egysége nem esik szét. A háló topológia egy valósághű modell, ahol a kommunikációs redundanciák meglehetősen esetlegesek, úgy, mint az Interneten. A modell többszörös hurkokat is tartalmazhat. A csillag kapcsolat egy pontból kiinduló kommunikációs vonalakat jelent.
teljes (fully connected)
A legtöbb kapcsolattal rendelkező, legstabilabb, de jellemzően csak elméletben létező modell.
lánc (line)
A legegyszerűbb és egyben legsérülékenyebb modell, hiszen bármilyen kommunikációs kapcsolat kiesése két részre szakítja a hálózatot. A fa szerkezet egy elemmel indul, és elemenkénti továbbvezetéssel vagy elágaztatással bővül. Jellemzően a hierarchizált
fa (tree)
busz (bus)
pont-pont (peer-to-peer: p2p)
rendszerek jellemző topológiája. Bármelyem elem kiesése az onnan induló szerkezet leválásával jár. Gyakorlatilag megegyezik a lánc topológiával, azzal az eltéréssel, hogy minden résztvevőnek saját kommunikációs „kiállása” van. A pont-pont kapcsolat nem hálózati topológia, hanem 2 állomás közvetlen összekötése egy kommunikációs vonallal.
A táblázatban az alaptopológiák kerültek felsorolásra, melyek tipikusan egy hálózat egyes részelemeit jelenti. A teljes rendszert szokás hibrid topológiával jellemezni.
Második körben essünk neki a hálózatok topográfiai felépítésének, melyet általánosságban szokás kiterjedés szerinti csoportosításnak nevezni: Rövidítés PAN LAN
Megnevezés Personal Area Network – Személyes hálózat Local Area Network – Lokális (helyi) hálózat
MAN
Metropolitan Area Network – Városi hálózat
WAN
Wide Area Network – Nagy kiterjedésű hálózat
GAN
Global Area Network – Globális kiterjedésű hálózat
Leírás Ez a közvetlen közelünkben lévő hálózat kiterjedését jelenti amely pár méterig tart. Helyi hálózat, ahol a távolságot 5km-ig szokás tekinteni, azonban telephelyek összekapcsolásával beszélhetünk belső LAN-ról a távolságtól eltekintve. Egy városon belüli állomások összekapcsolása, a távolságot 1-100 km közelében szokás említeni. Földrajzilag távol lévő állomások összekapcsolása, ahol a távolság „korlátlan” Teljes egészében a bolygót lefedő hálózat.
Hálózati szempontból a legtöbbet emlegetett és leggyakrabban kezelt hálózati forma a LAN, ezért itt egy pontos, hivatalos meghatározás az IEEE szabvány meghatározása alapján: „Olyan adatkommunikációs rendszer, amely lehetővé teszi, hogy számos független eszköz egymással közvetlenül kapcsolatot tartson, közepes kiterjedésű földrajzi területen belül, közepes sebességű, erre a célra telepített fizikai kommunikációs csatornán.” Ennek néhány eleme: -
egyenrangú (peer-to-peer) kommunikációt támogat, tehát nem centrális és nem hierarchikus eltérő típusú eszközök lehetnek a hálózatban, és ezek egyenrangúak
-
közepes kiterjedésű területen van, tipikusan egy épületen belül, vagy egymáshoz közeli épületekben levő eszközök között teremt kapcsolatot az adatátvitel erre a célra kiépített, telepített közegen valósul meg (nem úgy, mint a WAN esetében, ahol csak a távközlési hálózatot veszik igénybe) közepes sebességű (1Mbps-100Mbps) az átvitel, persze ez eltérő lehet a felhasznált eszközök függvényében
Nézzük meg adatátvitel szempontjából a hálózatokat. Adatátviteli mód (signaling mode) tekintetében a fizikai adatátviteli közegen (adatátviteli csatorna) kétféle adatátvitel mód használatos: - digitális (alapsávú) - analóg (szélessávú) A jelátvitelre használt fizikai közegen jellemző villamos vezetéken a villamos feszültség, fénykábelen pedig a fényintenzitás. Alapsávú adatátvitel (baseband signaling): A jelátvitel diszkrét elektromos- vagy fényjelek formájában történik. A jelek az állomástól közvetlenül digitális feszültségjel formájában kerülnek a jelátviteli közegre, modulációs eljárás nem kerül alkalmazásra. Ezáltal azonban közvetlenül maga az információs jel fog torzulni (zaj) és csillapodni. A jeltorzulás (zaj) kevéssé probléma, mint a jelszint változás. Ugyanis a 0 és 1 megkülönböztetése csak a feladat, így nagyobb átviteli távolságok eseté jelerősítésekre, jelismétlésekre van szükség. Ezek esetenként maguk az állomások is lehetnek. Az alapsávú átvitel alkalmazása a kisebb távolságok esetén ajánlott. Az alapsávú átvitelnél egy csatornán egyidőben egyetlen jel továbbítása történik. Amikor több eszköz időben osztozik a kommunikációs csatornán, azt időosztásos üzemmódnak (Time-Division Multiplexing – TDMA) nevezzük. Ez időben multiplexált átvitelt jelent az egymás után átviendő információk szempontjából. Azt, hogy melyik időpillanatban melyik eszköz fér hozzá az átviteli csatornához az alkalmazott hozzáférés-vezérlési mód határozza meg. Az átvitt jel a csatornán terjedhet csak egy irányba (simplex), vagy időben osztott két irányba (half-duplex), vagy 2 csatorna használata esetén egy időben két irányba (full-duplex). Mivel az információ a közegen át modulációs eljárás nélkül kerül átvitelre, modulációs eszközre nincs szükség, az állomás és a jelátviteli közeg között adó-vevők segítik az átvitelt. Szélessávú adatátvitel (wide-band signaling): A szélessávú átviteli csatorna általános célú megoldás, elsősorban akkor használják, amikor többféle információt is kívánnak egy időben egy átviteli közegen továbbítani. Tipikusan ilyen a kábel TV (CATV) rendszere. Ez az alapsávú jelátvitelnél szélesebb frekvenciasávot nyújt.
Az átvitel analóg feszültségjellel történik. Az információt hordozó digitális jelet az analóg vivőhullámmal juttatjuk át a közegen. A (szinuszos) vivőhullámra való „ráültetés” a vivőhullám jellemzőinek az átviendő jellel való változtatását jelenti. A változtatási eljárásokat modulációs eljárásoknak nevezzük. A moduláció 0 és 1 jelnek más-más fajta változtatást feleltet meg, így az átviendő 0-1 jelfolyam a vivőhullám szisztematikus és folyamatos modulációját eredményezi. A szinuszos vivőhullám ezen jellemzői a következők lehetnek: - a jel amplitúdója (AM) - a jel frekvenciája (FM) - a jel fázishelyzete Így az átvitt analóg jelnek sorban az amplitúdója, frekvenciája vagy fázisa hordozza az információt. A zavarokra jellemzően az AM érzékenyebb, mint az FM.
OSI (-ISO) referencia modell Két egység között – mielőtt egy buszon elindulna a kommunikáció – az átvitel és a hozzáférés módját meg kell határozni. Erre a célra született az International Standardization Organization (Nemzetközi Szabványügyi Hivatal – ISO) által meghatározott 7 rétegű (7 layer) modell, az OSI (Open System Interconnection). Az OSI modell felépítése:
A táblázat alapján bemutatott OSI-ISO modell sok esetben nem igazán működőképes, túl elméleti, melyet a gyakorlat rendszeresen cáfol a saját referencia modelljeivel, például a TCP/IP referencia modellel. Viszonyítási alapként viszont mindig egy visszatérő pontja a kommunikáció-leírásoknak, az alábbi rétegeivel: Az adatátvitellel foglalkozó rétegek: 1. Fizikai réteg (physical layer) A bitek kommunikációs csatornára való kibocsátásáért felelős. Biztosítania kell, hogy az adó által küldött jeleket a vevő is azonosként értelmezze. Tipikus villamosmérnöki feladat a tervezése. 2. Adatkapcsolati réteg (data link layer) Alapvető feladata a hibamentes átvitel biztosítása a szomszéd gépek között, vagyis a hibás, zavart, tetszőlegesen kezdetleges átviteli vonalat hibamentessé transzformálja az összeköttetés fennállása alatt. Az adatokat adatkeretekké (data frame) tördeli, továbbítja, a
nyugtát fogadja, hibajavítást és forgalomszabályozást végez. Meghatározza a forgalmazás módját. 3. Hálózati réteg (network layer) A kommunikációs alhálózatok működését vezérli, feladata az útvonalválasztás forrás és célállomás között. Ha az útvonalban eltérő hálózatok vannak, akkor fregmentálást, protokoll átalakítást is végez. Az utolsó olyan réteg, amely ismeri a hálózat topológiáját. 4. Forgalmazási/szállítási réteg (transport layer) Feladat a végpontok közötti hibamentes adatátvitel biztosítása. Már nem ismeri a topológiát, csak a két végpontban van rá szükség. Feladat az összeköttetések felépítése, bontása, csomagok sorrendbe állítása. A logikai összeköttetéssel foglalkozó rétegek 5. Viszonlati réteg (session layer) Lehetővé teszi, hogy két számítógép felhasználói kapcsolatot létesítsenek egymással. Jellegzetes feladata a logikai kapcsolat felépítése és bontása, párbeszéd szervezése. Szinkronizációs feladatok is ellát, ellenőrzési pontok beépítésével. 6. Megjelenítési réteg (presentation layer) Az egyetlen olyan réteg, amely megváltoztathatja az üzenet tartalmát. Tömörít, rejtjelez (adatvédelem, adatbiztonság), kódcserét (pl.: ASCII – EBCDIC) végez el. 7. Alkalmazási réteg (application layer) Széles körben igényelt szolgáltatásokat tartalmaz, mondhatni a legtöbb protokoll itt helyezkedik el. Alkalmazott OSI táblázatok: Ethernet-OSI, profibus-OSI, 3964R-OSI, BACnet-OSI, Sinaut ST1 OSI, Sinec-H1 OSI
TCP/IP referencia modell Az előbb tárgyalt szempont szerint az OSI-ISO modell meglehetősen elméleti, melynek kifejezetten az Internet és annak valóban egymásra épülő protokolljai mondanak ellen. A TCP/IP modell részben egyszerűsíti, részben pedig bonyolítja az OSI-t. Egyszerűsíti, hogy a 7 szint helyett csak négyet határoz meg úgy, hogy az OSI felső 3 szintjét egy rétegbe tömöríti, továbbá az alsó két réteget is összevonja a modell, de kijelenti, hogy az adatkapcsolati réteg helyén két szint található meg, az LLC és a MAC. Nem egyszerűsíti a helyzetet az IEEE 802 alkalmazása sem (erről később), ami voltaképpen a két alsó OSI szinttel definiálható kommunikációs formákat tartalmaz. Rétegek besorolása az OSI-ISO és TCP/IP modellek alapján:
Az IEEE 802 arról rendelkezik, hogy az adatkapcsolati réteg két részre oszlik (LLC, MAC). Ezt a TCP/IP referencia-modell magába foglalja. Először tisztáznunk kell az adatbeágyazás (encapsulation) fogalmát: Az egymásra épülő rétegek protokollegyedei adategységekkel kommunikálnak (PDU – Protocol Data Unit, SDU – Service Data Unit), melyeket saját fejrésszel ellátva a következő rétegnek adnak tovább. A távoli oldalon a fejrész eltávolításával érhető el az adat, melyet szokás payload-nak nevezni az adott szinten. A fejrész leíró és szabályzó információkat tartalmazhat az adatról, az átvitelről. Az ethernetes adatátvitel jellemzője, hogy az információt a küldő oldalon a különböző protokollok lépésről-lépésre csomagolják be, a fogadó oldalon pedig ugyanez zajlik le, csak kicsomagolás művelettel. Az etherneten az információ matrioska-baba jelleggel utazik, csak itt a rétegeket a protokollokhoz tartozó fejrészek (header) szimbolizálják. Egy egyszerű felépítés szimbolizálása:
A fenti példában a TCP/IP-s egymásba ágyazott telegrammok láthatóak. A fogadó oldalon a különböző szinteket kezelő protokollok lehámozzák a számukra szükséges információkat a beérkező csomagokról, és a sor végén a böngésző számára is olvasható információ marad. (A teljes oldalt jellemzően több telegramm tartalmából kell összepakolni). Az adatbeágyazásra jellemző, hogy a referencia-modell minden szintjén (az utolsót kivéve) egy-egy fejrésszel (header) bővül a telegramm tartalma:
Adatstruktúra szempontjából a fenti adategységeket logikus módon eltérő nevekkel illették, hogy jól elkülöníthetők legyenek a kódolási/feldolgozási folyamat különböző szintjein található adatstruktúrák. Az egymásba ágyazás (encapsulation) egy jól tagolt ábrája:
A megnevezések a TCP és UDP jellegű struktúráknál különböznek:
Csomagok nevei: - az alkalmazási rétegen az adattartalom TCP esetében stream, UDP szállítás esetében message - a szállítási rétegen a fejrésszel kiegészített csomagot TCP esetében segment (szegmens), UDP esetében packet (csomag, vagy datagram) - az Internet rétegen a szállítási rétegtől átvett adatot az IP fejrésszel kiegészítve datagram-nak nevezzük - a hálózati vagy fizikai rétegen pedig frame (keret) nevet kapja a csomag
Multiplexálás és demultiplexálás: Egy multiplexer (vagy mux vagy ritkán muldex) egy speciális logikai eszköz amely két vagy több bemenő jel közül a címező (vezérlő) jel alapján egyet a kimenetére ad. Az analóg és digitális jelek multiplexálására külön analóg és digitális multiplexer áramkörök szolgálnak. A vételi oldalon szükség van egy olyan egységre, amely elvégzi a visszaalakítás műveletét, ez a demultiplexer. Ilyen funkciók lehetnek a zajszűrés, jelhelyreállítás stb. A demultiplexáláshoz szükség van ugyanarra a vezérlő jelre, amit a multiplexer is használt. Ez a vezérlő jel mondja meg, hogy melyik be- kimenetet használja. Az előbb említett funkció a réteg struktúra következménye, amelynél a hálózati rétegek prezentálják a felettük álló rétegek számára a nekik szóló csomagokat. (Egy végberendezésen belül akár a TCP/IP mellett más protokollok is keveredhetnek).
Az IEEE 802 szabványcsalád IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers Lokális hálózatokra az IEEE – követve az OSI modellt – kialakított a 802-es szabványcsaládját, az alsó két rétegmegvalósításaként. Az adatkapcsolati rétegben ez a szabvány a már említett két, jól elkülöníthető funkciókkal rendelkező alréteget különbözteti meg (LLC, MAC). A MAC alrétegben az IEEE 802-es szabványai a CSMA/CD-t, a vezérjelgyűrűt és a vezérjelbuszt támogatják vezérlési módként. LLC (Locigal Link Control): ez ellenőrzi a vett keretek épségét, kéri és végzi az újraküldést és szervezi a kapcsolatot, a MAC réteg szolgáltatásainak (keret adás és vétele) felhasználásával. MAC (Medium Access Control): ezen alréteg feladata a közeghez való hozzáférés, a kereteknek a kábelre való juttatása (az adási jog megszerzése és az adása).
A fizikai rétegben pedig három közeget (sodrott érpár vezeték, koaxális vezeték, száloptikai vezeték) adnak meg, meghatározva a vezeték és átvitel típusát, a kódolási módot, adatsebességet.
Az IEEE 802 szabvány családot az IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC) gondozza. A legszélesebb körben használt szabványok az Ethernet család, a IEEE 802.3, a token ring, a vezeték nélküli LAN-ok a bridzslelt és virtuálisan bridzselt LAN-ok.
A különböző munkacsoportok:
IEEE 802.1 Magas szintű LAN protokollok IEEE 802.2 Logical link control és Media Access Control IEEE 802.3 Ethernet IEEE 802.4 Token bus (feloszlatva) IEEE 802.5 Token Ring (vezérjeles gyűrű) IEEE 802.6 Városi hálózatok (feloszlatva) IEEE 802.7 Koaxiális kábelt használó alapsávi LAN-ok(feloszlatva) IEEE 802.8 Fiber Optic TAG (feloszlatva) IEEE 802.9 Integrált LAN szolgáltatások(feloszlatva) IEEE 802.10 Együttműködő LAN-ok biztonsága(feloszlatva) IEEE 802.11 Wireless LAN (Wi-Fi zárójelentés) IEEE 802.12 igény prioritások IEEE 802.13 (nem használt) IEEE 802.14 kábel modemek (feloszlatva) IEEE 802.15 Wireless PAN
IEEE 802.15.1 (Bluetooth zárójelentés) IEEE 802.16 Alapsávi vezetéknélkü hozzáférés (WiMAX zárójelentés)
IEEE 802.16e (Mobil) alapsávi vezeték nélkül hozzáférés IEEE 802.17 rugalmas csomag gyűrű IEEE 802.18 Rádió szabályozási TAG IEEE 802.19 Coexistence TAG IEEE 802.20 Mobil alapsávi vezeték nélküli hozzáférés IEEE 802.21 Média független kezelés IEEE 802.22 Vezeték nélküli regionális hálózatok
Közeg hozzáférési eljárások Lokális hálózatok egyik fontos közös tulajdonsága, hogy sok eszköz akar használni egyetlen átviteli közeget. Ezért a közeghez való hozzáférést vezérelni kell. A vezérlési módszerek a hálózatok egyik csoportosítási alapját adják, és ennek fajtái:
p2p full duplex: Ez a kategória csak a teljesség kedvéért került a listába, ugyanis a full-duplex megvalósítás esetén minden résztvevő esetén saját csatornáról beszélünk, így nem kell a közeghozzáférésért versengeniük. Előnye, hogy nincsenek ütközések, így a forgalmazás zavartalan rajta, hátránya, hogy kb. kétszer annyi vezetéket igényel, mint a half-duplex kommunikáció. CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collosion Detection (ütközést jelző vivőérzékeléses többszörös hozzáférés), hosszú ideje használják, jellemzően busz és fa topológiákhoz, az Ethernet és az IEEE 802-es szabvány egyik hozzáférési módja. Ha egy állomás adni akar, „belehallgat” az átviteli közegbe és meghatározza, hogy van-e állomás, ami éppen ad (vivőérzékelés). Ha a közeg „csendes” akkor elkezdi az adást. Ez az üzenet minden állomáshoz eljut. A vételi állomás az üzenetben levő címből megállapítja, hogy neki szól-e az üzenet, Ha igen, átveszi az üzenetet. Ha két állomás egyszerre ad, akkor ütközés keletkezik és az adat elveszik. Ezt valamennyi állomás figyeli és érzékeli.
Az ütköző állomások leállítják az átvitelüket és várni kezdenek. A várakozási idő azonban nem egyforma, hanem véletlenszerű. A beállított várakozási idő elteltével (most már vélhetőleg nem egyszerre) újrakezdik az eljárást. A várakozási algoritmus olyan, hogy gyenge forgalom esetén a várakozás, zsúfolt forgalom esetén pedig az egymás utáni ütközések számra legyen minimális.
CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (ütközést elkerülő vivőérzékeléses többszörös hozzáférés), jellemzően a WLAN hálózatoknál előforduló közeghozzáférési eljárás, ugyanis ezeknél az alábbi okok miatt nem célszerű az Ethernet elterjedt CSMA/CD eljárást alkalmazni: -
Collosion Detection eljárás megvalósítása full-duplex rádiós képességeket igényelnek, ami jelentősen növelné az árakat ütközés érzékelése nehézkes, mert a saját jel elnyomja az esetleg távoli másik terminál kis teljesítményű jelét vezetéknélküli környezetben nem tételezhetjük fel, hogy minden állomás hallja a többit (ez a CD alapja), így a tény, hogy egy állomás szabadnak érzékelte a közeget, nem jelenti azt, hogy a vevőnél csakugyan szabad is
A CSMA/CA menete: 1. az adni kívánó állomás érzékeli a közeget, ha foglalt, akkor elhalasztja az adást 2. ha szabad egy előre definiált ideig (DIFS: Distributed Inter Frame Space) adhat 3. a vevő állomás ellenőrzi a vett csomag CRC-jét és nyugtát küld SIFS (Short Interframe Space) idő után (acknowledgement packet, ACK, MAC nyugta) 4. a nyugta vétele jelzi az adónak, hogy nem történt ütközés, ha az adó nem kapott nyugtát, akkor újra küldi a csomagot amíg nyugtát nem kap, vagy el nem dobja adott számú próbálkozás után A SIFS azért kisebb, mint a DIFS, hogy a harmadik állomás ne kezdhessen el adni a nyugta elküldése előtt. Itt fontos megjegyezni, hogy az egynél több célcímű csomagokra nincs nyugta, ilyen terület a multicast kommunikáció.
CSMA/CR: Carrier Sense Multiple Access/Collision Resoultion, a CAN-bushoz kifejlesztett eljárás, ahol az úgynevezett arbitrációs eljárás dönti el két, egyszerre és egyidejűleg induló telegramm esetén, hogy melyik élvez elsőséget. A busz sajátosságaiból adódóan az adást több állomás egyidejűleg is elkezdheti, de az arbitráci lefutása után csak egy forgalmazhat. Tipikus felhasználási terület a járműipar és a gyártósorok technológiai rendszerei.
token ring: vezérjelgyűrű, melyet a gyűrű topológiánál (pl. IBM Token Ring hálózat) alkalmazott eljárás. Lényeg a vezérjel-továbbítás: egy jel (token) a gyűrű menetén állomásról állomásra vándorol. Ha a vezérjel szabad, akkor az aktuális állomás (akinél a jel van) adhat. Elküldi az üzenetet, foglaltra állítja a jelet és hozzá illeszti az üzenetet. Ez halad tovább, minden állomás veszi, lemásolja és beállít egy jelzőbitet, hogy sikeres volt-e a vétel. Ha az üzenet visszaér eredeti helyére, a küldő állomás törli
az üzenetet és szabadra állítva a jelet továbbküldi. Lehet alkalmazni felügyelő funkciókkal ellátott gépet, amelyik figyeli, jó volt-e az adás, szabadra állítja a jelet…
token bus: vezérjel busz, ahol a token jellemzően egy speciális távirat, melyet az azonos szinten kommunikáló master-ek küldözgetnek egymásnak, jól definiált metódus szerint. Ezt a metódust jellemzően az OSI adatkapcsolati rétege írja le. A token felett rendelkező master kommunikálhat a többi, az adott hálózaton tartózkodó master-rel. Ilyenkor ez a master az aktív, míg a többek a készenléti (stand-by) módba kerülnek. Tipikus felhasználása a „Profibus”, amely egy univerzális ipari kommunikációs rendszer.
polling: lekérdezés, ebben az esetben a master egymás után üzenetet küld a slave-eknek, ebből megtudja, van-e azoknak „mondanivalójuk”. Ha egy slave nem akar forgalmazni, negatív értelmű üzenetet küld vissza. Ha viszont akar, elküldi üzenetét, és azt a master továbbítja a címzettnek vagy feldolgozza. Jellemzően egy telegram kis mennyiségű adatot továbbít, ezért a nagyobb adatokért a kommunikációnak többet kell fordulnia, így ezek a nagyobb méretű adatok viszonylag lassan frissülnek.
circuit switching: vonalkapcsolás, amely csillag topológiánál illetve automatikus hívású alközpontokban (Private Branch Exchange – PBX) a telekommunikációs iparban használják. Mielőtt egy állomás adni akar, kéri a központot, létesítsen kapcsolatot közte és a célállomás között. A központ dönt arról, hogy ez lehetséges-e vagy sem. Pozitív válasz esetén létrejön a fizikai kapcsolat, a két állomás kommunikálhat. Ha végeztek, bomlik a kapcsolat. A központ támogatja több állomáspár összekapcsolódását is. Digitális vezérlésnél megoldható nagyszámú kapcsolat osztott hozzáférése az átviteli berendezésekhez.
TDMA: Time-Division Multiple Access (időosztásos többszörös hozzáférés), busz topológiánál használatos, ahol minden állomás előre meghatározott időszelettel rendelkezik, és ebben az időrésben adhat. A folyamat időzítést kíván, ezt a szinkronizálást egy főállomás végzi. Új állomás esetén az időintervallumot újra fel kell osztani.
Fizikai átviteli közeg jellemzői: -
adatátviteli sebesség: amely az egyik legfontosabb paraméter és nagyban függ: 1. az alkalmazott protokolltól, annak beállításaitól 2. a szegmensben található állomások számától, a szegmens hosszától és adatterhelésétől 3. a vezeték minőségétől 4. a környezeti (indukciós) terheléstől
Az átviteli sebesség meghatározására is több metódus létezik, nagyjából átfedik egymást, de átszámolásuk nem olyan egyszerű. A leggyakoribb meghatározás az adatráta (bit/s) -
adatráta / sávszélesség: az adatráta valójában az átvitt adatmennyiség jellemzője szemben a sávszélességgel, ami a potenciális átvihető adatmennyiséget (pl. csatornakapacitás) jellemzi. Mindkét esetben a mérés az egy másodperc alatt átvitt adatmennyiséget határozza meg. A kommunikációban leegyszerűsítve 1 kbit/s = 1000 bit/s. A készülékeknél a sávszélesség csak nagyon ritkán kerül megjelölésre, hiszen a sávszélességet az alkalmazott hálózat határozza meg, az ebből felhasználásra kerülő adatrátát pedig a készülék. Az adatterhelést nem lehet kiszámolni az adatráták összességéből, mert a pillanatnyi terhelést leginkább az alkalmazott protokoll határozza meg.
-
baudráta: (baudrate), az adatrátával szemben a baudráta a jelarány mértékét határozza meg, azaz, egy másodperc alatt hány baud-ot, azaz modulált jelet továbbít a vezeték. A ráta névadója Émile Baud, a Baud-kód kidolgozója. A baud ráta fontos tulajdonsága, hogy 1 baud hány bitből áll össze. Amennyiben 1 baud 1 bit, akkor a baudráta és az adatráta megegyezik (1 baud = 1 bit/s).
Adatátviteli jellemzők: -
-
irány alapján: 1. simplex: ebben az esetben a kommunikáció csak egy irányba zajlik, ezért mondhatjuk, hogy a csatorna csak egyirányú kommunikációra képes. 2. half-duplex: a kommunikáló felek közül egyidejűleg az egyik küld adat, míg a másik fogad, a csatorna kétirányú forgalmazásra alkalmas. 3. full-duplex: itt mindkét partner egyszerre forgalmazhat szinkronitás alapján: 1. szinkron átvitel (syncron data flow): az adatátvitel megkezdése előtt a küldő és fogadó állomáson biztosítani kell, hogy az egy adott tempóban elküldött információhalmazt a másik fél azonos módon tudja olvasni. Ehhez az állomásokat össze kell szinkronizálni, és ennek jellemzően két metódusa létezik. Ilyenkor az állomások vagy külső jellel szinkronizálnak (ebben az esetben jellemzően egy független vonalon mindkét állomás azonos frekvenciát kap), vagy a fogadó állomás szinkronizál (az adatfolyamban található szinkronjelek alapján) 2. aszinkron átvitel (asynchronous communictaion): az aszinkron kommunikáció főként karakter-szervezésű adatok átviteli módja. Általában csak a rövid adatátvitel eszköze. Mindkét félnek saját frekvencia-generátora van, és a fogadó állomás minden adatátvitel alkalmával szinkronizálja magát a küldő állomás által diktált tempóra a start / stop bitek segítségével. Az adatátvitel jellemzően karakteres formában történik. Az aszinkron adatátvitel egyik fontos eszköze az UART. Az UART (universal asynchronous receiver transmitter): egy olyan hardver, amely fordítás végez a soros és párhuzamos interfészek között. 3. izoszinkron átvitel (isochronous communication): itt az adatok (ciklus)idő szenzitív átvitelét jelenti, és leginkább a hang- és képátvitelnél alkalmazzák.
Kódolási eljárások részletes jellemzésére ebben a jegyzetben nem térek ki, lentebb egy összefoglaló táblázat látható, amely alapján mindenki utána olvashat a keresett kódolási formának. Itt amit fontos megemlítenünk a fizikai réteggel kapcsolatosan az a jel előállítás (moduláció), itt 2 csoportot emelnénk ki, a PWM (pulse-width modulation – impulzus-szélesség moduláció), és a PCM (pulse-code modulation – impulzus-kód moduláció).
Az adatátvitel következő tulajdonsága a forgalmazási kategóriák: -
unicast: az üzenet továbbítása csak egy kijelölt állomás felé történik. multicast: az üzenet továbbítása egyszerre több, kijelölt állomás felé történik. broadcast: az üzenet továbbítása kivétel nélkül minden állomás felé történik. anycast: az üzenet továbbítása bárki felé megtörténhet. p2p: közvetlen kapcsolat két állomás között multipont: a kommunikáló egysége száma rögzített, de az azok által betöltött (master-slave) szerep (funkcionalitás) nem.
Hálózati eszközök
Jelen fejezetben a leggyakrabban használt hálózati eszközök általános leírása található. Minden eszköz specifikációjának és típusának részletesebb bemutatására nem térek ki.
repeater (hálózati jelismétlő): a hálózati összekapcsolásra használt legegyszerűbb eszköz a jelismétlő. A jelismétlőket nem eltérő hálózatok összekötésére, hanem hálózati szegmensek összekapcsolásához használják, hogy nagyobb, kibővített hálózatot kapjanak. A jelismétlőnek az a feladat, hogy az üzenetet fogadja, majd a jelek eredeti szintjét helyreállítva újraadja. A LAN-ban a hálózati szegmensek fizikai méretkorláttal rendelkeznek. Ezt a korlátot a fizikai közeg és az alkalmazott átviteli eljárás határozza meg. Ha jelismétlők alkalmazásával a hálózat mérete meghaladja egy hálózati szegmens méretét, akkor kiegészítő-kábelekkel bővített hálózat alakítható ki. A hálózati architektúra általában az egymás után kötött jelismétlők számát is korlátozza. A jelismétlőket elterjedten a busz topológiájú LAN-oknál használják, hiszen gyűrű topológia esetén minden állomás eleve jelismétlőként működik. fogadja az üzenetet, és a szintjére visszaállított jelet küld tovább. Jelismétlők használatánál mindkét hálózati szegmensnek ugyanolyan típusúnak kell lennie. Minden rétegszinten ugyanazokat a hálózati protokollokat kell használni, beleértve a közeghozzáférés-vezérlést és az átviteli eljárást is. Így például jelismétlőt lehetne felhasználni két olyan hálózati szegmens összekapcsolására, amelyek szélessávú CSMA/CD-vel dolgoznak. a különböző szegmenseken lévő állomások között nem lehet egyező című, a bővített hálózatban minden állomásnak egyedi címmel kell rendelkeznie.
bridge (hálózati híd): egy másik eszköz, amit a hálózati szegmensek összekötésére használhatunk, a (belső) hálózati híd. Hálózati híd segítségével össze lehet kapcsolni fizikailag eltérő hálózatokat is (külső híd). A hálózati híd különálló eszköz is lehet, de többnyire egy állomás, amely egy időben egy vagy több hálózathoz tartozik. A hálózati híd minden hálózat üzenetét veszi, amelyiknek részese. Ellenőrzi a rendeltetési címet és ha megállapítja, hogy az üzenet egy másik hálózathoz tartozó állomásnak szól, arra a hálózatra küldi az üzenetet. Így tegyük fel hogy A, B, C és D állomás az 1. hálózat tagjai, D, E, F, G pedig a 2. hálózat
tagjai, vagyis a D állomás mindkét hálózatnak eleme. Ekkor ha B üzenetet küld a G állomásnak, a D állomás veszi az 1. hálózat tagjaként az üzenetet, és a 2. hálózat tagjaként továbbadja az üzenetet Gnek. Ez az összeköttetés-típus az úgynevezett „tároló-és-küldő” (store-and-forward) működést valósít meg. Az üzeneteket egy kis időre a hálózati hídban tárolódnak el, és utána kerülnek át a másik hálózatba.
router (csomóponti forgalomirányító): a hálózati összeköttetés alkalmasabb kialakításához forgalomirányító csomóponti számítógépnek (router) vagy közvetítőrendszernek (intermediate system) nevezett eszközt használnak. A forgalomirányító használata azon az elgondoláson alapszik, hogy egyetlen lokális hálózaton belül sincs általánosan alkalmazott módszer a közvetítő csomóponton keresztüli üzenet irányítására. A LAN-on belül, amikor egy üzenet adásra kerül, azt a hálózat valamennyi csomópontja venni fogja. A vevőcsomópont az üzenetben található rendeltetési címből határozza meg, hogy kell-e fogadnia és feldolgoznia az üzenetet. Ha egy LAN más hálózatokkal, WAN-okkal vagy egyéb LAN-okkal kapcsolódik össze, akkor az üzenetküldés irányítása kritikus kérdéssé válik. Egyéb hálózattípusok esetén, főleg WAN-oknál, amikor az egyik csomópont üzenetet küld egy másik hálózat csomópontjához, az üzenetküldés során az üzenet számos közvetítő csomóponton halad keresztül. Egynél több csomópont-sorozat (egynél több útvonal) is alkalmas lehet az üzenet számára a forráscsomópontból a célcsomópontba való eljuttatására. Router feladatai: - forgalomirányítás - torlódásvezérlés - csomagok feldarabolása (útvonal protokolltól függően) - különböző típusú hálózatok összekapcsolása - hálózat szegmensekre osztása a sávszélesség védelme érdekében - hálózat szegmensekre osztása adatvédelem érdekében (csomagszűrés) Forgalomirányítási módszerek: 1. determinisztikus vagy statikus: a. véletlen forgalomirányítás: véletlenszám generátor alkalmazásával, kiírja a csomagot valamelyik alhálózatra b. elárasztásos forgalomirányítás (flooding): minden beérkező keretet válogatás nélkül kiküld minden alhálózatra 2. elszigetelt adaptív (csomópont hoz döntést a helyi adatok alapján): a. „forró krumpli”: a beérkezett csomagot abba a küldési sorba rakja, amelyik a legrövidebb – és így a legrövidebb ideig „égeti a kezét”
b. fordított tanulás (backward learning): a beérkező keretek alapján egy idő után fel tudja térképezni, melyik állomás melyik alhálózaton érhető el. Ha a router több portján is kapott keretet adott eszköztől, akkor az lesz a legjobb út az eszköz felé, amelyik portján a legkisebb időtényezővel érkezett be a keret 3. elosztott adaptív – kapcsolat alapú (link state routing): Cél a legkisebb késleltetéssel járó útvonal keresése, késleltetési táblák kezelése. Szinkron karbantartás (0.67 mp-ként van adatcsere), vagy aszinkron karbantartás (forgalom vagy topológia változás esetén van adatcsere) Működése: a. a szomszédok megismerése HELO csomag küldésével, ezek alapján kialakítható a hálózat feszítőfája b. a vonalak késleltetését ECHO csomaggal mérik fel a routerek c. a mérési eredmények szétküldése d. az új útvonalak számítása Az Interneten ez a jellemző forgalomirányítási algoritmus. 4. központosított adaptív: A routerek az aktuális – saját magukról szóló – információkat a forgalomirányító központba (RRC – Routing Control Center) küldik, ami az adatok kiértékelése után minden routernek megadja a routolási táblákat, paramétereket.
gateway (hálózati zsilip): a legbonyolultabb hálózatösszekapcsolási módszer. A gateway az egymástól teljes mértékben különböző hálózatok összekapcsolására alkalmas. Ha eltérő hálózati architektúrákat használnak, a protokollok különbözhetnek bármelyik vagy minden hálózati rétegen. A gateway minden átalakítást elvégez, ami az egyik protokollkészletből a másikba való átmenet során szükséges (üzenetformátum átalakítás, címátalakítás, protokoll-átalakítás).
switch (hálózati kapcsoló): a switch egy aktív számítógépes hálózati eszköz, amely a rá csatlakoztatott eszközök között adatáramlást valósít meg. Többnyire az OSI-modell adatkapcsolati rétegében (2. réteg, esetleg magasabb rétegekben) dolgozik.
A fizikai rétegbeli feladatokat ellátó hubokkal szemben az Ethernet switchek adatkapcsolati rétegben megvalósított funkciókra is támaszkodnak. A MAC címek vizsgálatával képesek közvetlenül a célnak megfelelő portra továbbítani az adott keretet; tekinthetők gyors működésű, több portos hálózati hídnak is. Portok között tehát nem fordul elő ütközés (mindegyikük külön ütközési tartományt alkot), ebből adódóan saját sávszélességgel gazdálkodhatnak, nem kell megosztaniuk azt a többiekkel. A broadcast és multicast kereteket természetesen a switchek is floodolják az összes többi portjukra. Egy switch képes full-duplex működésre is, míg egy hub csak half-duplex kapcsolatokat tud kezelni. Különbség még, hogy a switchek egy ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) nevű hardver elem segítségével jelentős sebességeket érhetnek el, míg a HUB nem más mint jelmásoló, ismétlő. A fontos funkciók közé tartozik még a hálózati hurkok elkerülésének megoldás, illetve a VLAN-ok kezelése.
hub (hálózati jel-erősítő): a hub a számítógépes hálózatok egy hardvereleme, amely fizikailag összefogja a hálózati kapcsolatokat. Másképpen szólva a hub a hálózati szegmensek egy csoportját egy hálózati szegmensbe vonja össze, egyetlen ütközési tartományként láttatja a hálózat számára. Leegyszerűsítva: az egyik csatlakozóján érkező adatokat továbbítja az összes többi csatlakozója felé. Ez passzívan megy vége, anélkül, hogy ténylegesen változtatna a rajta áthaladó adatforgalmon. A repeatertől eltérően jelerősítést nem végez.
Típusai: - aktív: az állomások összefogásán kívül a jeleket is újragenerálja, erősíti - passzív: csupán fizikai összekötő pontként szolgált, nem módosítja vagy figyeli a rajta keresztülhaladó forgalmat A legelterjedtebbek a 8, 16, 24 portos eszközök. A passzív hubok elektromos tápellátást nem igényelnek. Az intelligens hubok aktív hubként üzemelnek, mikroprocesszorral és hibakereső képességekkel rendelkeznek.
hálózati kártya (network card): minden hálózatban megtalálható eszköz, ami a gépeket a hálózati kábelekhez illeszti. Minden kártyához tartozik egy úgynevezett MAC (MAC/OUI) cím, ami a hálózatban a használt protokolltól függetlenül egyértelműen azonosítja a kártyát.
