U Č E B N Í T E X T P R O D I S T A N Č N Í F O R M U V Z D Ě L Á V Á N Í. M g r. M A R C E L A K O U T N Á R N D r. T O M Á Š S O C H O R, C S c

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.

Úkol k zamyšlení: 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 Klíčová slova – pojmy k zapamatování - 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).

Úkol k zamyšlení: 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 Klíčová slova – pojmy k zapamatování - 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.

Úkol k zamyšlení: 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 .

Úkol k zamyšlení: 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 Klíčová slova – pojmy k zapamatování - 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.

Úkol k zamyšlení: 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 Klíčová slova – pojmy k zapamatování - 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.

Úkol k zamyšlení: 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).

Úkol k zamyšlení: 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.

Úkol k zamyšlení: 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). Korespondenční úkol č. 2: 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.

Úkol k zamyšlení: 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 Klíčová slova – pojmy k zapamatování - 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).

Korespondenční úkol č. 3: 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 Klíčová slova – pojmy k zapamatování 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

U Č E B N Í T E X T P R O D I S T A N Č N Í F O R M U V Z D Ě L Á V Á N Í. M g r. M A R C E L A K O U T N Á R N D r. T O M Á Š S O C H O R, C S c

Recommend Documents