Počítačové sítě Miloš Hrdý 21. října 2007
Obsah 1 Pojmy
2
2 Rozdělení sítí 2.1 Podle rozlehlosti . . . . . . 2.2 Podle topologie . . . . . . . 2.3 Podle přístupové metody . . 2.4 Podle rolí jednotlivých uzlů
. . . .
2 2 2 2 2
3 Vrstvové modely 3.1 referenční model ISO/OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Rodina protokolů TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3 4
4 Adresace 4.1 TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 5 6
5 Pasivní prvky
7
6 Aktivní prvky 6.1 NIC (síťová karta) . 6.2 Repeater (Opakovač) 6.3 Hub (rozbočovač) . . 6.4 Bridge (Most) . . . . 6.5 Switch (Přepínač) . 6.6 Router (Směrovač) . 6.7 Gateway (Brána) . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
Použité zdroje
7 7 7 8 8 9 10 10 11
Seznam tabulek 1
Rozsah IP adres pro dané třídy . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Seznam obrázků 1 2 3 4 5 6
Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . vrstvy modelu ISO/OSI . . . . . . . . . Souvislost TCP/IP s modelem ISO/OSI Třídy IP adres . . . . . . . . . . . . . . Koaxialni kabel, BNC konektor . . . . . TP, RJ45 . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
3 4 5 5 8 9
1
Pojmy
Počítačová síť je skupina počítačů (uzlů), popřípadě periferií, které jsou vzájemně propojeny tak, aby mohly mezi sebou komunikovat. Nebo jinak: Počítačovou sítí se rozumí zejména spojení dvou a více počítačů tak aby mohli navzájem sdílet své prostředky. Přitom je jedno zda se jedná o prostředky hardwarové nebo softwarové. Pracovní stanice, server – počítač se síťovým adaptérem. Přenosová média – Komponenty umožňující propojení Pasivní prvky – konektory, zásuvky, kabely . . . Aktivní prvky – síťová karta, repeater, hub, bridge, switch, router, gateway Síťový operační systém zdrojům.
– software, který umožňuje sdílení a přístup ke
Komunikační protokoly – společná sada pravidel, která definuje způsob komunikace v síti. Kolizní doména – soubor uzlů v počítačové síti, jejichž vzájemná činnost může vygenerovat kolizi. Ta nastane, pokud se v Ethernetu pokusí vysílat více stanic současně a to díky použité přístupové metodě CSMA/CD1 , která negarantuje bezproblémový přístup k médiu.
2
Rozdělení sítí
2.1
Podle rozlehlosti
• LAN (Local Area Network) – lokální počítačové sítě • MAN (Metropolitan Area Network) – metropolitní sítě • WAN (Wide Area Network) – rozlehlé datové sítě
2.2
Podle topologie
Viz obr. 1, kde jsou nejznámější topologie: sběrnice – obr. 1(a), hvězda – obr. 1(b) a kruh – obr. 1(c).
2.3
Podle přístupové metody
• Stochastická (náhodná) – CSMA/CD (Ethernet), • Deterministická (předvídatelná) (Token Ring)
2.4
Podle rolí jednotlivých uzlů
peer to peer (P2P) – komunikují spolu přímo jednotliví klienti. klient – server jednotliví klienti komunikují vždy s centrálním serverem či servery, prostřednictvím kterého i komunikují s jinými klienty. 1 CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, tj. detekuje kolize. Také existuje CSMA/CA – Collision Avoidance, tj. předcházení kolizím
2
(a) sběrnice (bus)
HUB HUB
(b) hvězda (star)
(c) kruh (ring)
Obr. 1: Topologie
3
Vrstvové modely
3.1
referenční model ISO/OSI
International Standards Organization/Open Systems Interconnection. Jedná se o doporučený model definovaný organizací ISO v roce 1983. 1. Fyzická vrstva – definuje prostředky pro komunikaci s přenosovým médiem a s technickými prostředky rozhraní. Dále definuje fyzické, elektrické, mechanické a funkční parametry týkající se fyzického propojení jednotlivých zařízení. Je hardwarová.
3
Obr. 2: vrstvy modelu ISO/OSI
2. Linková vrstva – zajišťuje integritu toku dat z jednoho uzlu sítě na druhý. V rámci této činnosti je prováděna synchronizace bloků dat a řízení jejich toku. Je hardwarová. 3. Síťová vrstva – definuje protokoly pro směrování dat, jejichž prostřednictvím je zajištěn přenos informací do požadovaného cílového uzlu. V lokální síti vůbec nemusí být pokud se nepoužívá směrování. Je hardwarová ale když směrování řeší PC s dvěma síťovými kartami je softwarová. 4. Transportní vrstva – definuje protokoly pro strukturované zprávy a zabezpečuje bezchybnost přenosu (provádí některé chybové kontroly). Řeší například rozdělení souboru na pakety a potvrzování. Je softwarová. 5. Relační vrstva – koordinuje komunikace a udržuje relaci tak dlouho, dokud je potřebná. Dále zajišťuje zabezpečovací, přihlašovací a správní funkce. Je softwarová. 6. Prezentační vrstva – specifikuje způsob, jakým jsou data formátována, prezentována, transformována a kódována. Řeší například kódování (háčky a čárky), CRC, kompresi a dekompresi, šifrování dat. Je softwarová. 7. Aplikační vrstva – je to v modelu vrstva nejvyšší. Definuje způsob, jakým komunikují se sítí aplikace, například databázové systémy, elektronická pošta nebo programy pro emulaci terminálů. Používá služby nižších vrstev a díky tomu je izolována od problémů síťových technických prostředků. Je softwarová.
3.2
Rodina protokolů TCP/IP
• Vrstva síťového rozhraní – standardy v rámci této vrstvy definují pravidla pro připojení počítačů ke kabeláži, typy konektorů, způsob zpracování signálů, elektrické parametry signálů, atp. Základní úlohou je příjem, přenos a odesílání bloků dat (rámců) mezi propojenými uzly po přenosovém médiu (kabeláži). • Síťová vrstva – úkolem síťové vrstvy je zajistit jednotnou adresaci, spojení a směrování (určuje cestu) mezi dvěma počítači. Nejdůležitějším protokolem této vrstvy je IP protokol. • Transportní vrstva – úkolem transportní vrstvy je zajistit spolehlivost přenosu – o to se stará protokol TCP. Některé aplikace si spolehlivost zajišťují samy v rámci aplikační vrstvy a používají protokol UDP. • Aplikační vrstva – zajišťuje uživatelům přístup k souborům a aplikacím. Má na starosti konverzi dat, navazuje a ukončuje spojení. Zpřístupňuje síťové služby.
4
TCP/IP
ISO/OSI aplikaèní prezentaèní relaèní transportní síová linková fyzická
aplikaèní transportní síová vrstva síového rozhraní (fyzická)
Obr. 3: Souvislost TCP/IP s modelem ISO/OSI
4 4.1
Adresace TCP/IP
Jestliže chceme v rámci sítě navázat spojení s jiným počítačem, musíme znát jeho IP adresu. IP adresu musí mít každý počítač jinou. Protože jinak by nebylo možné rozlišit s jakým počítačem chceme komunikovat. Jeden počítač může mít i víc IP adres. IP adresy si nemůžeme jen tak libovolně vymyslet. Přiděluje je mezinárodní autorita pověřená správou IP adres. V současné době se používá 32bitová verze IPv4. Protože dovoluje adresování pouze 4 miliard počítačů (teoreticky 4 294 967 296 IP adres), je připravena nová verze IPv6. IPv6 už bude 128 bitová a k její implementaci by mělo dojít okolo roku 2005 – 2015. IPv4 adresa má velikost 4 byte = 32 bitů. Nejčastěji se zapisuje v desítkové soustavě, kdy jednotlivé byte jsou odděleny tečkou. Každý byte může logicky nabývat hodnot od 0 – 255. Například: 192.44.118.192 Adresa IP se skládá ze dvou částí net-ID (adresa sítě) a host-ID (adresa počítače). Podle toho jak jsou jednotlivé sítě rozlehlé (kolik mají hostů) rozlišujeme tři hlavní třídy IP adres – A, B a C.
(a) Třída A
(b) Třída A, příklad
(c) Třída B
(d) Třída B, příklad
(e) Třída C
(f) Třída C, příklad
Obr. 4: Třídy IP adres
5
třída A B C
počáteční adresa 0.0.0.0 128.0.0.0 192.0.0.0
koncová adresa 127.255.255.255 191.255.255.255 223.255.255.255
Tab. 1: Rozsah IP adres pro dané třídy
Samozřejmě kromě vyhrazených adres. Mezi adresami nesmí být stanice s adresou sítě ani adresou stanice tvořenou samými bity 1 nebo samými bity 0 – tyto adresy jsou vyhrazeny pro zvláštní použití (nulová adresa znamená „tato síťÿ, resp. „tato staniceÿ, jedničková adresa se používá pro všesměrové vysílání, broadcast). Adresy 127.x.x.x (tzv. localhost, nejčastěji se používá adresa 127.0.0.1) jsou rezervovány pro tzv. loopback, logickou smyčku umožňující posílat pakety sám sobě. Dále jsou vyčleněny rozsahy tzv. interních (neveřejných) IP adres, které se používají pouze pro adresování vnitřních sítí (např. lokálních), na Internetu se nikdy nemohou objevit. Jako neveřejné jsou určeny adresy: • ve třídě A: 10.0.0.0 až 10.255.255.255 (celkem 16 777 216 adres) • ve třídě B: 172.16.0.0 až 172.31.255.255 (celkem 1 048 576 adres) • ve třídě C: 192.168.0.0 až 192.168.255.255 (celkem 65 536 adres) • Rozsah od 224.0.0.0 do 239.255.255.255 je zařazen do třídy D. Tato třída je využívána pro multicasting. To znamená pro hromadné vysílání videa nebo audia. • Rozsah od 240.0.0.0 do 247.255.255.255 patří do třídy E. Tyto hodnoty jsou rezervovány pro další použití a pro experimentální účely.
4.2
Ethernet
Jednotlivé stanice jsou na něm identifikovány svými hardwarovými adresami (MAC2 adresa). Když stanice obdrží paket s jinou než vlastní adresou, zahodí jej (karty lze ovšem přepnout do promiskuitního režimu, kdy přijímají všechny pakety, tato možnost se využívá např. při monitorování sítě). Je přiřazována síťové kartě3 bezprostředně při její výrobě (u starších karet je přímo uložena do EEPROM paměti), nicméně ji lze dnes u moderních karet dodatečně změnit. Ethernetová MAC adresa se skládá ze 48 bitů a podle standardu by se měla zapisovat jako tři skupiny čtyř hexadecimálních čísel (např. 0123.4567.89ab), mnohem častěji se ale píše jako šestice dvojciferných hexadecimálních čísel oddělených pomlčkami nebo dvojtečkami (např. 01-23-45-67-89-ab nebo 01:23:45:67:89:ab). MAC adresa přidělená výrobcem je vždy celosvětově jedinečná. Z hlediska přidělování je rozdělena na dvě poloviny. O první polovinu musí výrobce požádat centrálního správce adresního prostoru a je u všech karet daného výrobce stejná (či alespoň velké skupiny karet, velcí výrobci mají k dispozici několik hodnot pro první polovinu). Výrobce pak každé vyrobené kartě či zařízení přiřazuje jedinečnou hodnotu druhé poloviny adresy. I v Ethernetu existují speciální adresy jako v TCP/IP: 2 MAC
– Media Access Control karta se také jinak nazývá NIC – Network Interface Controller
3 Síťová
6
• Všesměrová (broadcast) je adresa označující všechna připojená zařízení. Jí adresovaný paket bude přijat všemi zařízeními v dané lokální síti. Všesměrová adresa obsahuje samé jedničky (ff:ff:ff:ff:ff:ff). • Skupinová (multicast) adresa označuje skupinu připojených zařízení. Přijmou ji všechna zařízení v lokální síti, která byla nakonfigurována za členy skupiny (typicky některá aplikace požádá o vstup do skupiny a karta následně začne přijímat pakety s danou skupinovou adresou). Skupinové adresy mají v nejméně významném bitu prvního bajtu jedničku (01 při zápisu adresy). • Lokálně spravovaná adresa je přidělována správcem sítě, nikoli výrobcem. Lokálně spravované adresy mají nastaven druhý nejméně významný bit prvního bajtu (02 v zápisu adresy), používají se však jen výjimečně.
5
Pasivní prvky
Zde existuje celá řada zásuvek, konektorů a kabelů: • zasuvky, konektory – BNC BNC – pro koaxiální kabely o impedanci 50 ohmu, viz obr. 5. RJ45 – pro kroucenou dvoulinku (TP – Twisted Pair), viz obr. 6(a) AUI – Canon 15pin • kabely TP – Twisted Pair, kroucená dvoulinka, viz obr. 6(a) koax – koaxiální kabely o impedanci 50 ohmu, viz obr. 5(a) FO – Fibre optic, optická vlákna
6
Aktivní prvky
6.1
NIC (síťová karta)
Network Interface Controller, síťová karta.
6.2
Repeater (Opakovač)
Zesilovač signálu, • pracuje na první vrstvě OSI modelu (Layer 1) • většinou má pouze dva porty • slouží k prodloužení dosahu signálu, hlavně u sběrnicové topologie, zvětšuje kolizní doménu • dnes se nepoužívá Princip funkce: data, která přijme na jednom portu, okamžitě přeposílá na druhý port.
7
(a) Koaxiální kabel s BNC konektorem
(b) T (téčko) pro odbočku k síťové kartě
Obr. 5: Koaxialni kabel, BNC konektor
6.3
Hub (rozbočovač)
• označuje se také jako multipoint repeater • pracuje na první vrstvě OSI modelu (Layer 1) • většinou má 4–24 portů • základní prvek pro hvězdicovou topologii • dnes se nepoužívá Princip funkce: data, která přijme na jednom portu, okamžitě přeposílá na všechny porty mimo portu odkud je přijal.
6.4
Bridge (Most)
odděluje provoz v segmentech sítě, • pracuje na druhé vrstvě OSI modelu (Layer 2) – rozhoduje podle MAC adresy • většinou má pouze dva porty • slouží k propojení/oddělení segmentů 8
(a) Switche s připojenými kabely TP, zakončené konektorem RJ45
(b) kabely TP, zakončené konektorem RJ45
Obr. 6: TP, RJ45
• snižuje velikost kolizní domény • broadcasty a multicasty se posílají všude • dnes se nepoužívá Princip funkce • u přicházejících rámců čte zdrojovou MAC adresu a vytváří v paměti tabulku MAC adres a portů, odkud pochází • pokud nemá pro cílovou MAC adresu záznam, tak rámec odešle na všechny porty • pokud záznam existuje a pokud leží příjemce ve stejném segmentu jako odesílatel, tak se data neposílají do ostatních segmentů.
6.5
Switch (Přepínač)
propustí data podle segmentů, 9
• označuje se také jako multipoint bridge • pracuje na druhé vrstvě OSI modelu (Layer 2) – rozhoduje podle MAC adresy • většinou má 4–48 portů • slouží k propojení/oddělení segmentů • snižuje velikost kolizní domény • broadcasty se posílají všude • pracuje rychle • základní prvek pro hvězdicovou topologii Princip funkce • u přicházejících rámců čte zdrojovou MAC adresu a vytváří v paměti tabulku MAC adres a portů, odkud pochází, tabulka se označuje jako CAM (Content Addressable Memory) tabulka • pokud nemá pro cílovou MAC adresu záznam, tak rámec odešle na všechny porty mimo příchozího • pokud má v tabulce cílovou MAC adresu, tak rámec pošle pouze na daný port
6.6
Router (Směrovač)
provádí směrování k uzlu, • pracuje na třetí vrstvě OSI modelu (Layer 3) – rozhoduje podle IP adresy • hraniční router se občas označuje jako gateway (brána) • slouží pro spojování sítí • nabízí služby uvnitř LAN (směrování ze zdroje do cíle, segmentování sítě, ARP4 ) a propojení do WAN (přes serial, ISDN, DSL, optiku) • broadcasty se standardně nepřeposílají – snižuje velikost broadcast domény • je pomalejší než switch, často je dnes nahrazován Layer 3 switchem Princip funkce • v paměti si sestavuje routovací tabulku podle sítí, kam má přímo připojené interfacy, podle statických hodnot a podle informací od ostatních routerů (záleží na použitém protokolu) • u příchozích paketů se dívá na cílovou IP adresu a podle routovací tabulky určuje cestu k cíli (odesílá data na daný port) • při odesílání dat modifikuje hlavičku rámce, jako zdrojovou MAC adresu vkládá svojí a jako cílovou buď další router nebo stanici.
6.7
Gateway (Brána)
Viz 6.6. 4 ARP – Address Resolution Protocol, používá k získání ethernetové (MAC) adresy stroje podle jeho IP adresy
10
Použité zdroje [1] http://site.the.cz 8. 10. 2007 [2] http://www.fce.vutbr.cz/studium/materialy/BU01/04-site.ppt 8. 10. 2007 [3] http://www.fce.vutbr.cz/studium/materialy/BU01/BU01_M02.pdf 8. 10. 2007 [4] http://www.samuraj-cz.com/clanky/administrace/ tcpip-a-ethernet-cesta-v-siti-aktivni-sitove-prvky/ 8. 10. 2007 [5] http://www.tydyt.cz/kabely/index.htm 8. 10. 2007 [6] http://cs.wikipedia.org/wiki/Kolizní_doména 8. 10. 2007 [7] http://cs.wikipedia.org/wiki/IP_adresa\#Vyhrazené_adresy 8. 10. 2007 [8] http://cs.wikipedia.org/wiki/Ethernet 8. 10. 2007 [9] http://cs.wikipedia.org/wiki/MAC_adresa 8. 10. 2007 [10] http://es.wikipedia.org/wiki/RJ-45 8. 10. 2007
11
