Zaklady_pocitacovych_siti

Základy topologie a komunikace
Seriál určený všem nováčkům v oboru počítačových sítí se základními informacemi, ve kterém snad najdou všichni zájemci odpověď na svoje otázky. Věříme ale, že i pokročilejší uživatelé v něm najdou hodnotné informace a občerství si své znalosti. Autorem seriálu je odborník na slovo vzatý, ing. Petr Odvárka z firmy Infinity a.s.
Počítačové sítě lze dělit podle několika kritérií. Těmito kritérii mohou být např.:
aID=1&clanekID=21" \l "topologie#topologie" Topologie
Topologie
Základními topologiemi počítačových sítí LAN (Local Area Network) jsou:
sběrnice (bus) – tuto topologii používá Ethernet realizovaný koaxiálním kabelem. Existují dvě specifikace, 10Base-2 a 10Base-5, rozdíl je dán typem použitého kabelu a jeho délkou. Protože jde o přežitek nehodný dnešní doby, spokojíme se s konstatováním, že tato topologie má několik nevýhod (např. obtížnou identifikaci příčin závad, topologickou omezenost počtu uzlů i vzdáleností mezi nimi, striktní sdílení pásma bez možnosti významněji ovlivnit tuto vlastnost použitím aktivních prvků atd.) a jedinou výhodu, kterou je cena řešení.
kruh (ring) – tato topologie je založena na tom, že vysílací část jednoho uzlu je zapojena do přijímací části uzlu následujícího; typickými technologiemi používajícími topologii kruhu jsou Token Ring a FDDI. Jak Token Ring tak FDDI používají kruh logicky, ale fyzicky je topologie tvořena hvězdou s centrálním prvkem.
a/2000/zaklady/obr2.gif" \* MERGEFORMATINET
hvězda (star) – tato topologie představuje současný trend vytváření počítačových sítí. Spoje od koncových přípojných uzlů jsou vedeny do centrálního uzlu, kde je prvek realizující propojení koncových uzlů. Podíváme-li se na topologii obecně, vidíme, že struktura je vhodná nejen pro sítě (Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM), ale i pro telefonní ústředny; prvek spojující uzly je pak v místě s označením Star (viz. obr.).
V případě počítačových sítí bývá centrální prvek označen jako aktivní prvek; paradoxem je, že aktivní prvek pro Token Ring může být pasivní :-).
Charakter komunikace
Charakterem komunikace mohou být sítě spojové a nespojové (správněji nazývané jako sítě s navazováním spojení a bez navazování spojení – v angl. terminologii with connection a connectionless). U spojových sítí je před zahájením přenosu nutné navázat spojení, tzn. uzly se musí domluvit s aktivními prvky a koncovými uzly, které následně vytvoří virtuální kanál, prostřednictvím něhož jsou přenášena data. U nespojových sítí se žádné spojení nenavazuje.
Nespojové
GEFORMATINET
Příkladem nespojových technologií jsou technologie založené na broadcastu, tzn. všesměrovém vysílání – např. Ethernet, Token Ring, FDDI. Rámec se dostane ke všem uzlům a příslušný uzel rozhoduje, zda je adresátem nebo ne.
Spojové
DEPICTURE "http://www.svetsiti.cz/obr/akttema/2000/zaklady/obr5.gif" \* MERGEFORMATINET
Příkladem spojových technologií je ATM. Zde musí před komunikací příslušných uzlů dojít k vytvoření trvalého spojení (PVC) nebo dočasného spojení (SVC). Pro stávající aplikace, které byly připraveny pro nespojové technologie, je nutné řešit komunikační princip prostřednictvím přidaných mechanismů typu Broadcast and Unknown Server (BUS).
Určitým hybridem obou technologií může být přepínání nespojových technologií, kde sice nedochází k vytváření virtuálních spojů, ale zároveň jsou unicastové pakety posílány pouze příslušnému uzlu.
Publikováno: 1. září 2000
Petr Odvárka
Principy komunikace, média, rozsah
nosové médium
Princip komunikace
Základní tochastický a deterministický.
Stochastické metody jsou založeny na náhodném přístupu k médiu. Typickým představitelem technologie používající stochastickou metodu je Ethernet. Zde si ve stručnosti uvedeme pouze to, že při stochastickém přístupu se jednotlivé uzly pokoušejí komunikovat bez jakéhokoliv pořadí. Žádný uzel tak nemá garantováno, že se mu podaří přenést určité množství dat za určitou dobu.
Deterministické metody jsou založeny na řízení přístupu k médiu. K řízení je používána metoda předávání speciálního paketu - peška (token). Typickým představitelem technologie používající deterministickou metodu je Token Ring. Velice zjednodušený náhled na funkci Token Ringu lze popsat následovně : po síti je přenášen paket nazývaný token. Uzel, který potřebuje komunikovat, musí počkat až k němu token dorazí. Pak má příležitost změnit příznak, doplnit hlavičku, naplnit datové pole a odeslat data cílovému uzlu. Ten po obdržení datového paketu zkontroluje kontrolní součty, nastaví příslušné příznakové bity a pošle paket dále. Paket posléze dorazí k tomu uzlu, který data poslal. Tento uzel si prohlédne příznaky a předá je vyšším vrstvám. Vygeneruje prázdný paket (token) a odešle jej. Token je pak předáván mezi uzly na síti až dorazí k prvnímu uzlu, který má připravena data – a zde se historie opakuje. Ze znalosti maximální velikosti paketu a počtu uzlů na kruhu lze vypočítat maximální dobu, za kterou se uzlu podaří odeslat příslušné množství dat. Fungování Token Ringu je však o dost složitější než jsme si zde v několika větách popsali (např. někdo musí hlídat zda se na síti vyskytuje token). Technologie je tedy logicky složitější a tím i dražší než Ethernet a jsou dva zásadní důvody proč Token Ring nedoznal takového rozšíření a dokonce byl zastaven jeho další rozvoj.
Použité přenosové médium
V současné době je v LAN nejpoužívanějším přenosovým médiem kroucený dvoupár označovaný jako UTP (Unshelded Twisted Pair). Základním parametrem tohoto kabelu je impedance 100 ohmů. V Evropě je ovšem používanější stíněná modifikace tohoto kabelu – stínění je prováděno na úrovni celého svazku, jedná se tedy o ochrannou fólii pod plastovým obalem kabelu. Označení je pro tuto modifikaci do jisté míry závislé na výrobci. Někteří výrobci jej označují jako STP (Shielded Twisted Pair) nebo FTP (Foiled Twisted Pair). Napříč označení je nutné si uvědomit, že tyto moderní kabely mají impedanci stejnou jako UTP kabely – tedy 100 ohm. Tyto kabely nejsou shodné s klasickými STP kabely, které mají impedanci 150 ohm a mají zpravidla stíněné jednotlivé páry (viz. obrázek) ! UTP kabely lze používat pro celé spektrum současně používaných technologií – Ethernet Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring i ATM. Topologií, která je krouceným dvoupárem vytvořena je hvězda. Běžné označení pro sítě tvořené krouceným dvoupárem je strukturovaná kabeláž. Jako perličku bych ještě uvedl, že základy standardu 10Base-T, jenž je modifikací Ethernetu pro UTP kabely, položila společnost SynOptics, dnes součást Nortel Networks.
Ještě před nedávnou dobou byl nejpoužívanějším přenosovým médiem v Ethernet LAN sítích koaxiální kabel (v Token Ring sítích s modifikací twinax). Výhodou byla cena a jednoduchost provedení. Nevýhodami jsou náchylnost k poruchovosti a technologická omezení (počet uzlů, rychlost). Typickou topologií tvořenou koaxiálním kabelem je sběrnice.
V LAN sítích se pro překlenutí delších vzdáleností používají optické kabely. Pro kratší vzdálenosti (cca 260 m až 2 km v závislosti na technologii) multimodové (neboli mnohovidové) pro větší vzdálenosti singlemodové (neboli jednovidové). Stejně tak jako UTP kabely, lze i optické kabely použít pro celé spektrum aktuálních technologií. Optické kabely se používají i pro spojování budov tam, kde je nutné realizovat spoj venkovním prostředím a to i na poměrně krátké vzdálenosti. Optické kabely totiž zajistí galvanické oddělení potenciálů a nezpůsobí zničení infrastruktury při náhodném úderu blesku. Typickou topologií tvořenou optickým kabelem je hvězda.
Jsou místa kde nelze použít spojení optikou. Důvodem může být např. přílišná nákladnost položení kabelu nebo dokonce nemožnost položení kabelů. V tom případě jsou používány bezdrátové technologie. Ty byly časem rozvinuté tak, že jsou používány jako alternativa lokálních sítí založených na kabelových systémech. Nevýhodou jsou prozatím cena a relativně nízká rychlost. To ale naopak nečiní překážky pro použití bezdrátových sítí pro připojování k Internetu – zde se daří dosahovat více než zajímavého poměru cena/výkon.
Pro velké vzdálenosti se používají pronajaté datové okruhy jejichž provoz zajišťuje některý z poskytovatelů připojení (běžně telekomunikační operátor).
Rozsah
Sítě mohou být rozličně rozsáhlé. Od těch, které mají pouze několik uzlů v jedné místnosti až po ty, které mají velké skupiny rozmístěné po celém světě.
Pro sítě se podle rozsahu používá několik označení :
Local Area Network – LAN – běžně síť v jedné nebo několika sousedních budovách. V rámci budovy se používá strukturovaná kabeláž kombinují UTP kabely a optické kabely. Pro spojování budov se používají optické kabely nebo bezdrátové spoje.
Metropolitan Area Network – MAN – je označení pro síť většího rozsahu pokrývající např. území velkého podniku nebo města. Velmi zjednodušeně lze říci, že MAN je LAN s velkým počtem budov nebo několik LAN spojených vysokorychlostní páteří.
Widea Area Network – WAN – je síť tvořená větším či menším počtem vzájemně vzdálených LAN. LAN jsou spojovány většinou pronajatými datovými okruhy. Použité aktivní prvky (dnes již téměř výhradně směrovače) umožňují nejen přenos dat, ale ve stále větší míře i spojování telefonních ústředen.
Publikováno: 7. září 2000
Petr Odvárka
Fyzická a linková vrstva ISO OSI
w.asp?rubrika=Tutorialy&temaID=1&clanekID=19" \l "Physical#Physical" Fyzická vrstva
Pravděpodobně nejznámější metodu popisu komunikačních systémů představuje sedmivrstvá architektonická struktura, nazývaná referenční model OSI. Znalost této architektury je základním předpokladem pro pochopení funkce počítačových sítí, přenosu dat a návazných technologií.
Existují určité příměry usnadňující pochopení funkce datových přenosů. Tím nejoblíbenějším je srovnání s poštou. Srovnání s poštou dělí vrstvy na dvě části :
5 až 7   - uživatelská část
1 až 3   - síťová část
Uživatelská část odpovídá v poštovní analogii psaní dopisu a splnění konvencí používaným pro doručení dopisů.
Síťová část je v poštovní analogii přirovnávána ke službám zajišťujícím přenos dopisu mezi sběrnou schránkou do schránky domovní.
Mezi těmito částmi je 4. vrstva, která je chápána jako interfejs mezi uživatelskou částí a síťovými službami. Lze ji přirovnat k přepážkové službě, kde se rozhoduje zda dopis půjde standardní službou, expres, letecky, jako balíček, stylem dopisu v láhvi, ...
  7. aplikační
  6. presentační  
  5. spojová
  4. transportní
  3. síťová
  2. linková
  1. fyzická
Zatímco první čtyři vrstvy jsou poměrně exaktně definovány, zbylé tři vrstvy nemusí být striktně použity tak, jak jsou definovány podle tohoto modelu. (Příkladem kdy nejsou v modelu použity všechny vrstvy je např. IP protokol).
Teoreticky každá vrstva přidává zepředu k balíku dat vlastní hlavičku s údaji této vrstvy a na závěr kontrolní součet nebo informaci o ukončení dat vrstvy. Paket si pak lze představit např. následovně:
ma/2000/zaklady/obr7.jpg" \* MERGEFORMATINET
Velikost celého balíku i jeho režijní části je značně závislá na použité přenosové technologii, použitých protokolech a typu aplikace. Např. Ethernet umožňuje variabilitu v délce rámce 64 až 1518 byte, samotná hlavička tohoto protokolu je min. xy byte. Pokud je pro přenos použit protokol IP, představuje IP hlavička velikost min. 20 byte. Hlavička protokolu TCP má velikost min. 24 byte.
* MERGEFORMATINET Fyzická vrstva (Physical Layer)
Tato vrstva specifikuje bitový přenos z jednoho zařízení na druhé prostřednictvím fyzického média. Samotné fyzické médium není součástí vrstvy, v OSI modelu je pod touto vrstvou.
Fyzická vrstva zajišťuje synchronizaci (synchronní vs. asynchronní komunikace) a multiplexing – několik logických spojení lze realizovat jedním fyzickým médiem.
Datové jednotky přenášené fyzickou vrstvou jsou bity.
Tato vrstva je závislá technologicky (Ethernet, Token Ring, ATM, FDDI, ...), ale protokolově (IP, IPX, Vines IP, XNS, ...) je nezávislá! Prvky pracující na této vrstvě jsou opakovače a rozbočovače. Tyto prvky rozšiřují kolizní i broadcastovou doménu!
Linková vrstva (Data Link Layer)
Zajišťuje přístup ke sdílenému médiu a adresaci na fyzickém spojení – tj. v jednom síťovém segmentu. K adresaci jsou používány fyzické neboli MAC (Media Access Control) adresy. MAC adresa je 48 bitová adresa a je svázána se síťovým adaptérem připojujícím zařízení do sítě (např. 00-00-64-65-73-74). První tři oktety znamenají výrobce, další oktety zajišťují unikátnost MAC adresy. Výrobce je v tomto případě Xircom. Relaci mezi ostatními registrovanými výrobci a přidělenými čísly lze nalézt např. v RFC 1700.
Formát hlavičky linkové vrstvy je většinou ve formátu podle obrázku.
Úvodní sekvence
cílová adresa
zdrojová adresa
    ...    
Úvodní sekvence (preamble) je často řazena do informace fyzické vrstvy. Cílová adresa (source address) a zdrojová adresa (destination address) jsou velmi významné součásti hlavičky linkové vrtsvy. Lze je nalézt téměř u všech síťových technologií (např. ArcNet, Ethernet, Token Ring, FDDI). Další části paketu jsou tvořeny zbývajícími údaji hlavičky, hlavičkami vyšších vrstev, přenášenými daty a údaji o ukončení příslušné vrstvy.
V závislosti na hodnotě prvního bitu prvního oktetu adresy určení se adresy (a tím i pakety) dělí na Unicastové a NonUnicastové. Unicastové adresy slouží pro komunikaci s konkrétním uzlem, adresa určení odpovídá MAC adrese tohoto uzlu sítě (nebo MAC adrese směrovače).  NonUnicastové adresy slouží pro komunikaci s určitou skupinou uzlů (je-li adresa ve tvaru ff-ff-ff-ff-ff-ff-ff-ff, jde o tzv. Broadcast a příjemci jsou všechny uzly sítě; všechny ostatní jsou nazývané Multicastové adresy). Pokud binární adresa určení začíná číslem 1 jedná se vždy o NonUnicast adresu. Význam Broadcastů je např. pro vyhledávání specifických zařízení nebo zjišťování např. IP adresy. Význam Multicastových adres je v komunikaci určitých specifických aplikací (např. video stream) nebo protokolů (RIPv2, OSPF, ...).
Bylo řečeno, že MAC adresa je provázána s konkrétním adaptérem. Některé drivery umožňují náhradu pevně dané adresy adresou libovolnou (obvzlášťpovedený šprým je identifikovat svoji stanici MAC adresou 00-00-00-0a-ba-ba-da), jenom pozor aby si stejnou adresu nezvolilo víc uživatelů. MAC adresa musí být v rámci broadcastové domény unikátní!.
Datové jednotky přenášené linkovou vrstvou jsou rámce (frame).
Tato vrstva je závislá technologicky (Ethernet, Token Ring, ATM, FDDI, ...), ale protokolově (IP, IPX, Vines IP, XNS, ...) je nezávislá ! Prvky pracující na této vrstvě jsou můstky a přepínače. Tyto prvky rozšiřují broadcastovou doménu, ale rozdělují kolizní domény!
OBR/NAVIG/BOD.GIF" \* MERGEFORMATINET
Publikováno: 13. září 2000
Petr Odvárka
Síťová a vyšší vrstvy referenčního modelu ISO OSI
á vrstvaion" Aplikační vrstva
Síťová vrstva (Network Layer)
Zajišťuje adresaci v rámci síťového prostředí s více fyzickými segmenty. Používá logické adresy a prostřednictvím nich přenos dat z jednoho zařízení na druhé i z jedné sítě do jiné. Adresa zařízení má dvě části – část označující síť do níž zařízení patří (poštovní analogie – město + PSČ) a část označující konkrétní uzel (poštovní analogie např. ulice + číslo popisné).
Představme si, že kompletní adresa je interpretována dvěma čísly oddělenými tečkou ve formátu síť.uzel (např. 040.001). Část sítě musí být unikátní z globálního hlediska tzv. intersítě (neboli propojení několika lokálních sítí - subsítí). Pokud bude mít pardubická síť logickou adresu 040, žádná jiná lokalita spojená s Pardubicemi nemůže tuto adresu použít. Libovolný prvek může použít adresu uzlu 001, pak však tuto adresu uzlu nesmí použít žádný jiný prvek v dané lokalitě, ale v jiné lokalitě ji může použít bez problému – celková adresa 040.001 je totiž jiná než 02.001 !
http://www.svetsiti.cz/akttema/2000/zaklady/obr9.jpg" \* MERGEFORMATINET
Konkrétním příkladem protokolu třetí vrstvy OSI je protokol IP. Dalším příkladem je IPX.
Sítě jsou spojeny zařízeními pracujícími na této vrstvě. Jsou nazývány směrovače (routery) a mají přehled o okolních částech sítě. Síťová vrstva pak používá nejlepší cestu z jedné sítě do druhé – to je dáno buď konfigurací cest nebo použitím směrovacích protokolů (např. RIP – Routing Information Protocol).
Znalost logických a fyzických adres je bezpodmínenčně nutná – údaje všech vrstev musí být korektně vyplněny (viz. např. komunikace mezi dvěma uzli popsaná při vysvětlení pojmu odchozí brána). Protokoly 3. vrstvy musí tedy zajistit mechanismus vytvářející relaci mezi logickými a fyzickými adresami. U nejznámějších protokolů je to rozdílné. IPX má tuto relaci zajištěnu přímo - adresa uzlu na 3. vrstvě odpovídá MAC adrese. Protokol IP používá mechanismus nazývaný ARP.
Datové jednotky přenášené síťovou vrstvou jsou pakety (packet).
Síťová vrstva je technologicky (Ethernet, Token Ring, ATM, FDDI, …) nezávislá, ale je závislá protokolově (IP, IPX, Vines IP, XNS, ...) ! Technologická nezávislost je dána tím, že pro každou požadovanou technologii je ve směrovači příslušný adaptér.
Transportní (přenosová) vrstva (Transport Layer)
Účelem této vrstvy je zajistit spolehlivost a kvalitu přenosu jakou požadují vyšší vrstvy. Principielně nabízí tato vrstva dva typy služeb :
spojově orientované (connection-oriented) služby
nespojové (connectionless) služby
Spojově orientované služby zajišťují spolehlivý přenos navázáním virtuálního spojení, výměnou informací o průběhu přenosu (potvrzováním příjmu rámců) a ukončení spojení. Na základě potvrzování je vysílající uzel schopen zopakovat ztracené nebo opožděné rámce. Konkrétním představitelem tohoto typu protokolů jsou SPX nebo TCP.
Nespojové služby slouží k jednoduchému odeslání dat. Na této vrstvě neexistuje mechanismus kontroly spolehlivosti. Je ji nutno zajistit mechanismy vyšších vrstev. Typickým představitelem tohoto typu protokolů je UDP.
Datové jednotky přenášené přenosovou vrstvou jsou TPDU (Transport Layer Protocol Data Unit). U TCP protokolu je běžné označení TPDU segment, u UDP protokolu jde o user datagram.
Spojová vrstva (Session Layer)
Zajišťuje pravidla pro navazování a ukončování datových přenosů mezi uzly na síti. Dále zajišťuje služby typu překlad jmen na adresy nebo bezpečnost přístupu.
Poměrně zajímavou funkcí této vrstvy je synchronizace datových přenosů. Asi máte zkušenost se stahováním velkých objemů dat z Internetu. Uprostřed přenosu se rozpojí modem a nezbude než zanadávat na telekom a zkusit to znovu. Pak jsou dvě možnosti – buď používáte software, který je schopen navázat na již staženou část (samozřejmě umí-li to i server) nebo začínáte od začátku. Navazování je zajištěno pomocí značek, které vytváří právě spojová vrstva.
Příkladem protokolů spojové vrstvy jsou :
Network File System NFS)
Structured Query Language (SQL)
Remote Procedure Call (RPC)
AppleTalk Session Protocol (ASP)
Digital Network Architecture Session Control Protocol (DNA SCP)
Datové jednotky přenášené spojovou vrstvou jsou TPDU (Session Layer Protocol Data Unit).
Presentační vrstva (Presentation Layer)
Presentační vrstva je zodpovědná za formátování a syntaxi dat. Různé systémy používají různé kódy pro presentaci znakových řetězců, čísel s plovoucí čárkou, apod. Presentační vrstva tedy zajišťuje převod datových struktur mezi syntaxí používanou na příslušném systému a syntaxí obecnou. Další funkcí presentační vrstvy je ko