Teorie datových sítí. Základní pojmy

Transkript

1

2 Úvod do počítačových sítí Co to počítačová síť? Jednoduše můžeme říci, že se jedná o dvě či více zařízení spolu navzájem propojená za účelem sdílení informací, zdrojů nebo obojího. Spojení může být uskutečněno pomocí kabelu nebo pomocí bezdrátových zařízení. Sdílenými informacemi a zdroji mohou být datové soubory, aplikační programy, tiskárny, nebo další hardwarová zařízení. Obr. 1 Počítačová síť Hlavní výhody propojení Možnost výměny dat mezi účastníky. Síť hlavně umožňuje vyměňovat si data v reálném čase = sdílení. Možnost sdílení různých periférií (modem, tiskárna, scanner, hardisk, CD Rom). Zvyšuje bezpečnost uložení dat - v síti lze možno ukládat data duplicitně. Centrální archivace dat efektivně. 1

3 Rozdělení sítí Dělení sítí dle fyzického tvaru LAN (Local Area Network) Lokální počítačová síť se vyznačuje tím, že počítače jsou propojeny na menším geografickém území (tedy v rámci firmy, budovy, místnosti, atp.). Síť je limitovaná na určitý prostor. Velikost sítí LAN se může velice výrazně lišit. Může se například skládat ze dvou počítačů umístěných několik metrů od sebe nebo může zahrnovat několik stovek počítačů rozptýlených na několika podlažích mrakodrapu. Větší LAN mohou být pro snazší administraci rozděleny na tzv. pracovní skupiny (Workgroups). LAN může být samostatná síť, které propojuje řadu zařízení, ale v dnešní době je většinou propojena do internetu, tedy WAN sítě. MAN (Metropolitan Area Network) Skládá se ze dvou a více sítí typu LAN, ale nepřekračuje hranice města či metropolitní oblasti. V rámci MAN se často používá bezdrátové spojení nebo optická vlákna. MAN může být vlastněna jednou organizací, ale většinou se jedná o propojení několika nezávislých objektů. Můžeme mít například několik poboček firmy v jednom městě propojených do MAN sítě. WAN (Wide Area Network) WAN je komunikační síť, která pokrývá rozsáhlé území, jako je spojení zemí či kontinentů. Obecně můžeme říct, že jednotlivé LAN sítě se propojují přes WAN síť, aby se zajistila komunikace na velké vzdálenosti. Tímto způsobem pracuje Internet jako nejrozsáhlejší a nejznámější WAN. Sítě WAN jsou v porovnání s LAN rychlejší. WAN můžeme dále rozdělit: Distribuovaná síť o Např. Internet, nemá žádný centrální kontrolní bod. Centralizované síť o Je závislá na centrálním serveru nebo serverech, na které jsou ostatní počítače napojeny VLAN (Virtual Local Area Network) Virtuální LAN je obdobou klasické lokální sítě s tím, že LAN závisí na fyzickém uspořádání a propojení, kdežto VLAN vzniká logicky uvnitř fyzické LAN. WLAN (Wireless Local Area Network) Bezdrátová lokální síť je opět obdobou běžné LAN, ale jednotlivé prvky nejsou fyzicky propojeny kabelem (metalickým či optickým), ale jsou propojeny bezdrátově. Využívají se rádiové vlny a určitá modulace pro přenos dat. Výhoda bezdrátu je jasná pro mobilní zařízení. Nevýhodou je například to, že se špatně omezuje šíření signálu, a případný útočník nemusí získat přímo fyzický přístup k zásuvce, jako v případě drátových sítí 2

4 Dělení sítí dle metody administrace Peer-to-peer Pracovní skupina počítačů, ve které pracuje každý počítač jak v roli klienta, tak serveru, přičemž každý uživatel provádí administraci zdrojů týkajících se jeho počítače. Klient / Server Klient je počítač, který odesílá požadavek počítači druhému, protože chce získat jeho data nebo zdroje. Počítač, který na tento požadavek odpovídá a sdílí ona data a zdroje se nazývá server. Na centrálním serveru probíhá veškerá administrace. Běží na něm speciální síťový operační systém (NOS). Výhody a nevýhody sítí peer-to-peer a klient/server Výhody sítě peer-to-peer Výhody sítě klient/server Méně finančně náročná na implementaci. Nabízí větší bezpečnost. Nevyžaduje NOS na serveru Při větší velikosti sítě mnohem snazší administrace, jelikož je centralizovaná Nevyžaduje zvláštního administrátora sítě. Všechna data mohou být zálohována na jedno místo. Nevýhody sítě peer-to-peer Nevýhody sítě klient/server Nehodí se příliš pro větší sítě, administrace by Vyžaduje speciální a drahý NOS. poté byla takřka nemožná. Každý uživatel musí být dostatečně zkušený, aby Vyžaduje nákladný a výkonnější hardware, který zvládl administrační úkony. bude fungovat jako server. Menší bezpečnost. Vyžaduje profesionálního administrátora. Všechny počítače, které sdílí zdroje, negativním Pokud je pouze jeden server, je právě jediným způsobem ovlivňují výkonnost sítě. slabým bodem. Uživatelská data nemusí být v případě výpadku serveru dostupná. Typy serverů Souborové servery Tiskové servery Aplikační servery Webové servery Poštovní servery Terminal servery Servery využívané pro telefonii Proxy servery DHCP servery 3

5 Dělení sítí dle síťového operačního systému (NOS) Sítě Windows Vychází z konceptu domény. Doména je uskupení počítačů a uživatelů, které slouží jako hranice administrativní autority. Sítě NetWare Novell NetWare je velice populární NOS, který poskytuje bezpečnost a nabízí funkce jako souborový a tiskový server. Sítě UNIX Jedná se o velmi výkonný NOS, avšak většina implementací UNIXu je pouze textová a relativně znalostně náročná. Linux je mladším bratrem UNIXu. Stejně jako on je založen na otevřeném standardu a existuje mnoho rozličných distribucí. Mezi nejpopulárnější NOS distribuce patří Debian, Gentoo, Slackware, RadHat, SuSE. V dnešní době je Linux velmi hojně zastoupen jako webový server a jeho popularita stále stoupá. Hybridní sítě Jsou sítě, ve kterých pracuje společně software od několika výrobců. Dělení sítí dle protokolu Sítě NetBEUI Vlastností protokolu NetBEUI je, že takováto síť nemůže být směrována. To znamená, že pokud máte síť rozdělenou na několik podsítí, budete muset použít jiného protokolu. Výhodou protokolu je jeho jednoduchost a malé nároky na výkon. Je rychlý a nevyžaduje žádnou náročnou a složitou konfiguraci. Sítě IPX/SPX Tento protokol využívá pro svůj protokol pro sítě LAN firma Novell. Je tedy vyžadován pro všechny sítě NetWare před verzí 5.0. IPX/SPX vyžaduje minimální konfiguraci a oproti TCP/IP nabízí vyšší rychlost. Často se využívá ve vnitřních sítích Microsoft, které nejsou napojeny na Internet, a to zejména z bezpečnostních důvodů. Sítě TCP/IP Nejrozšířenější protokol. Využívá flexibilní adresní schéma, které je dobře směrovatelné, a to i v rámci rozsáhlých sítí. Takřka všechny operační systému a platformy mohou s TCP/IP pracovat. Dostupná je celá řada nástrojů a pomůcek, některé jsou implementovány přímo v protokolu a některé jsou dodávány jako samostatné programy ulehčující práci s TCP/IP Je protokolem Internetu. Aby se systém mohl připojit do sítě Internet, musí na něm běžet protokol TCP/IP. 4

6 Dělení sítí dle topologie Lineární (sběrnicové) topologie sítě Byla používána v prvních dobách Ethernetu a realizovala se pomocí koaxiálního kabelu a BNC konektorů, na konci musel být vždy terminátor. Všechna zařízení jsou zapojena na společnou sběrnici. V sítích se od této technologie ustoupilo a dnes se používá převážně zapojení do hvězdy. V sítích tohoto typu se využívá většinou tenkého nebo tlustého koaxiálního kabelu a architektury Ethernet 10Base2 nebo 10Base5. Výhody sítě: Velice jednoduchá a snadno se implementuje. Levná. Hodí se spíše pro malé, přechodné sítě. Nevýhody sítě: Velký útlum signálu. Pokud se v některém místě přeruší kabel, je přerušena celá síť Obr. 2 Lineární (sběrnicová) topologie sítě Kruhové topologie sítě V kruhové topologii je každý uzel připojen ke dvěma sousedním a dohromady tvoří kruh. Standardně existuje pouze jedna cesta mezi dvěma uzly. Rozšířením je, že komunikace probíhá ve směru i proti směru hodinových ručiček. Používá se pro síťové technologie FDDI a Token Ring. Pro kruhovou síť se obecně užívá koaxiálního kabelu. Výhody sítě: Řešení problémů v síti je snadné. Levná. Nevýhody sítě: Složité zapojení všech počítačů. Pokud se v některém místě přeruší kabel, je přerušena celá síť. Obr. 3 Kruhová topologie sítě 5

7 Hvězdicové topologie sítě Hvězda je dnes nejpoužívanější topologie pro Ethernet. Je zde centrální prvek, který realizuje propojení zařízení, a do něj jsou připojena jednotlivá zařízení. Jako centrální prvek slouží rozdělovač nebo přepínač, ale z jiného pohledu se může jednat i o směrovač. Obdobná je Rozšířená topologie hvězda, která vznikne, když několik samostatných hvězd propojíme dohromady přes centrální prvky. V praxi se dnes často používá třívrstvá topologie (případně dvouvrstvá, kdy se jedna vrstva vynechá) využívající propojení do hvězdy. V nejvyšší vrstvě je jeden nebo dva (pro redundanci) přepínače, tzv. jádro (core). Druhá vrstva obsahuje několik přepínačů připojených do jádra a zvaných distribuční (distributed). Poslední vrstva, připojená do distribuční, je přístupová (access) a do ní se připojují stanice a servery. Některé důležité servery se mohou připojit přímo do distribuční vrstvy. Zapojení, kdy zdvojíme centrální prvek, se také označuje jako Dvojitá hvězda. Výhody sítě: Pokud je přerušen jeden kabel, nijak to nenaruší chod celé sítě. Velmi jednoduchá rekonfigurace. Nevýhody sítě: Vyšší náklady. Obr. 4 Hvězdicová topologie sítě Členité topologie sítě (Mřížka) V této topologii jsou uzly propojeny s více sousedy. Každý uzel je spojený se všemi ostatními, takže může komunikovat s každým přímo a v případě výpadku nějaké linky může jednoduše nalézt cestu. Ale při více uzlech se jedná o složité a drahé zapojení. Obr. 5 Členitá topologie sítě Hybridní topologie sítě Jsou sítě kombinující více topologií najednou (např. hybridní členitá, hvězdicová lineární nebo kruhová lineární 6

8 Dělení sítí dle architektury Sítě Ethernetu V dnešní době ta nejpopulárnější architektura. Sítě Ethernetu jsou konfigurovány jako lineární nebo hvězdicové a používají metody přístupu k médiím CSMA/CD. 10Base2 10Base5 10BaseT 100BaseT Topologie Sběrnice Sběrnice Hvězda Hvězda Typ kabelu Tenký koax Tlustý koax UTP CAT 3, 4, 5 UTP CAT 3, 4, 5 Typ konektoru BNC konektor AUI/DIX Modulární RJ-45 Modulární RJ-45 Maximální délka 185 m 500 m 100 m 100m segmentu Maximální délka sítě 925 m 2500 m Hvězdicová sběrnice Hvězdicová sběrnice Sítě Token Ring Je to velice spolehlivá architektura vyvinutá firmou IBM. V této síti je použita logická kruhová topologie. Síťové komponenty jsou obecně více finančně nákladné. Výhodou této topologie je, že když se Token Ring zahltí, je jeho výkon degradován pozvolna, nespadne ihned. AppleTalk Architektura vyvinutá firmou Apple Computers pro sdílení souborů a tisku na počítačích Macintosh. Sítě AppleTalk mohou být členěny na skupiny nazývané zóny podobně jako členění velkých sítí do pracovních skupin. ARCnet Starší architektura, která byla nahrazena Ethernetem a Token Ring. Metody síťové komunikace Multiplexing Multiplexing představuje metodu odesílání více toků informací na lince v jeden okamžik v podobě samostatných složitých signálů. Oddělené toky jsou poté na druhém konci složeny. Dělit lze jak analogové tak i digitální signály. Multiplexingu lze dosáhnout pomocí metod: Multiplexing dělením frekvence (FDM) Multiplexing dělením času (TDM) Multiplexing dělením hustoty vln (DWDM) 7

9 Asynchronní a synchronní přenosy Teorie datových sítí Asynchronní přenosy Asynchronní přenosy signálu umisťují na začátek každé zprávy počáteční bit. Jakmile zařízení na druhé straně přijme tento počáteční bit, dokáže synchronizovat interní hodiny s hodinami odesílatele. Synchronní přenosy U synchronních přenosů koordinuje hodiny příjemce a odesilatele zabudovaný časovací mechanismus. Informace o načasování mohou být umístěny přímo v datovém signálu. To se nazývá synchronizací s garantovanou změnou stavu. Ta patří mezi nejčastější synchronizační metody. Simplex, poloviční duplex a plný duplex Simplex přenosy Je jednoduchý jednosměrný přenos. Signál putuje pouze jedním směrem. Typickým příkladem simplex komunikace je televizní přenos. Přenosy s polovičním duplexem (Half Duplex) Přenosy s polovičním duplexem mají oproti simplexu několik vylepšení. Data mohou putovat oběma směry. Spojení však není dostatečně široké, aby uspokojilo oba protichůdné signály současně. To znamená, že v jednu chvíli může odesílat data pouze jedna strana. Typickým příkladem tohoto přenosu jsou vysílačky. Přenosy s plným duplexem (Full Duplex) U přenosů s plným duplexem mohou data putovat oběma směry současně. Typickým příkladem komunikace s plným duplexem je obyčejný telefonní hovor. Přístupová metoda k médiím CSMA/CD Když je více zařízení, připojeno ke sdílené sběrnici, tak v jednu chvíli může komunikovat pouze jedno a ostatní mohou pouze naslouchat. Problém nastane, když více zařízení začne komunikovat najednou. V té chvíli dojde ke kolizi. Pro vysílání (přístup k médiu) se používá Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection (CSMA/CD) jako síťový kontrolní protokol. Obr. 6 Připojená zařízení na společnou sběrnici 8

10 Algoritmus CSMA/CD 1. zařízení, které chce vysílat, poslouchá, zda je linka volná 2. pokud je volná, začne vysílat rámec 3. odesílatel poslouchá, zda nedošlo ke kolizi 4. pokud zjistí, že došlo ke kolizi, pošle jam signál 5. po ukončení jam signálu si stanice, které vysílaly, nastaví náhodný čas, po který čekají 6. po uplynutí času se začne bodem 1. Kolizní doména Kolizní doména (collision domain) je část sítě, kde může dojít ke kolizi vysílání několika stanic. Tedy skupina zařízení, která jsou připojena na sdílené médium. To je v praxi příklad starých síťových rozvodů pomocí koaxiálního kabelu. Nebo používání rozbočovačů, které přijatý paket přeposílají na všechna rozhranní mimo toho odkud přišel. Obr. 7 Kolizní doména Dříve se pro rozdělení sítě na více kolizních domén (a jejich zmenšení) provedlo to, že se síť rozdělila na více segmentů a ty se propojily pomocí směrovače. Pak se ale objevily přepínače, které z principu své funkce, vytvářejí samostatné kolizní domény na každém rozhranní. Přepínač totiž posílá přijatý paket pouze na jedno rozhranní (v naučeném stavu) a provádí přepínání paketů. Obr. 7 Oddělení kolizních domén pomocí přepínače Pokud je do přepínače připojeno koncové zařízení nebo jiný přepínač a linka je plně duplexní, tak na této lince nemůže dojít ke kolizi. Prakticky to totiž znamená, že máme dvě komunikující zařízení na lince, a každé zařízení posílá data po vlastním páru vodičů. 9

11 Fyzické komponenty sítě Síťová karta Základní hardware potřebný k propojení několika PC. Síťové karty jsou většinou uváděné jako zařízení fyzické vrstvy. Síťová karta překládá paralelní signál, produkovaný počítačem, na signál sériový, který je posílán síťovým kabelem. Nuly a jedničky binární komunikace jsou převáděny na elektrické impulsy, světelné vlny, radiové vlny nebo jakékoli jiné signální schéma používané tím kterým síťovým médiem. Každá síťová karta má celosvětově unikátní fyzickou adresu zařízení MAC. Síťová přenosová média Médiem se v tomto případě rozumí prostředí, kterým jsou přenášeny signály z jednoho síťového zařízení do nějaké jiného. Nejčastějším druhem média je kabel, ale v dnešní době se stále častěji využívá bezdrátová média. Kabely Blíže si kabely probereme v části Strukturovaná kabeláž Koaxiální kabely o Tenký Koax o Tlustý Koax Kroucená dvojlinka o UTP kabel o STP kabel o FTP kabel Optické kabely Bezdrátová média Laser Infračervené světlo Rádiové vlny Rádio s rozprostřeným spektrem Zařízení zajišťující konektivitu sítě Konektory BNC konektory o Tyto konektory se používají v sítích s koaxiálním kabelem. RJ konektory o Tyto konektory se používají v sítích s kroucenou dvojlinkou. 10

12 Segmentovací a podsíťovací zařízení Most (Bridge) o Spojuje dva segmenty sítě a provádí filtrování provozu pomocí MAC adres. Směrovač o Úkolem směrovače je vzájemně propojit dvě samostatné a oddělené sítě. Nebo naopak rozdělit větší síť LAN na několik menších v takovém případě se jednotlivé sítě nazývají podsítě. o Filtruje provoz za pomocí logické síťové adresy IP. Přepínač o Je to zařízení, jehož úkolem je vybrat trasu, po které jsou posílána data do místa určení. Existují různé typy přepínačů, které jsou kategorizovány v závislosti na vrstvě referenčního modelu OSI, na které pracují. Největší síť: Internet Vlastnosti Internetu Za hlavní účel Internetu můžeme považovat komunikaci. Komunikace může být jednosměrná nebo obousměrná, pro obchod nebo pro zábavu, uskutečňována v reálném čase nebo ne. Co vše můžou uživatelé Internetu jeho prostřednictvím uskutečňovat? Surfovat po WWW pro informace nebo zábavu a vytvářet webové stránky. Posílat a přijímat ové zprávy. Stát se členem existující diskusní skupiny nebo sami tyto skupiny vytvářet. Přenášet soubory (dokumenty, grafika, zvuk, ) pomocí FTP Sdílet soubory. Poslouchat rádio nebo sledovat streamované video. Chatovat v reálném čase s jednou nebo více osobami ve vzdálených místech. Uskutečňovat telefonní hovory. Vytvářet zabezpečené virtuální soukromé sítě průchodem přes Internet. World Wide Web (celosvětová síť) HTTP Je protokolem webu. Je to sada pravidel, která řídí, jak se soubory na webu vyměňují. Webový server Je počítač, který je připojen na Internet, na kterém běží software internetového serveru, jako je Apache (pro Linux), internetový informační server (IIS) (pro Microsoft), Domino (pro Lotus), atd. Webový server je hostitelem webových dokumentů. Webový server musí mít spojení na Internet a veřejnou IP adresu, dle které může být identifikován. 11

13 Systém názvů domén (DNS) Jde o server DNS, který převádí URL adresu na IP adresu. Webové prohlížeče Webový prohlížeč je počítačový program, který slouží k prohlížení World Wide Webu (WWW). Program umožňuje komunikaci s HTTP serverem a zpracování přijatého kódu (HTML, XHTML, XML apod.), který podle daných standardů zformátuje a zobrazí webovou stránku. Textové prohlížeče zobrazují stránky jako text, obvykle velmi jednoduše formátovaný. Grafické prohlížeče umožňují složitější formátování stránky včetně zobrazení obrázků. Pro zobrazení některých zvláštních součástí stránky, jako jsou Flash animace nebo Java applety, je třeba prohlížeč doplnit o specializované zásuvné moduly. Mezi nejznámější webové prohlížeče patří grafické (seřazeny podle počtu uživatelů) Windows Internet Explorer, Mozilla Firefox, Safari, Google Chrome, Opera a textové Links a Lynx. Oblíbenost prohlížečů v prosinci 2008 Windows Internet Explorer: 68,15% Mozilla Firefox: 21,34% Safari: 7,93% Google Chrome: 1,04% Opera: 0,71% Netscape: 0,57% Ostatní: 0,24% Je jednou z nejvyužívanějších služeb na Internetu. Je to způsob odesílání, doručování a přijímání zpráv přes elektronické komunikační systémy. Termín se používá jak pro Internetový systém elektronické pošty založený na protokolu SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), tak i pro Intranetové systémy, které dovolují posílat si vzájemně zprávy uživatelům uvnitř jedné společnosti nebo organizace (tyto systémy často používají nestandardní protokoly, mívají ovšem bránu, která jim dovoluje posílat a přijímat y z Internetu). Telnet Telnet (Telecommunication Network) je protokol na aplikační vrstvě používaný v počítačových sítích. Uživatelé mohou touto cestou přistupovat k programům, které jsou součástí hostitelského počítače. Uživateli také umožňuje ovládat vzdálené zařízení pomocí terminálu s příkazovým řádkem. Telnet je také klient emulující takovýto terminál využívající protokolu Telnet. Telnet neumožňuje přenos souborů. Protokol přenáší osmibitové znaky oběma směry (duplexní spojení) a je velmi jednoduchý. Jeho hlavní nevýhodou je absence šifrování přenášených dat, a proto je v současnosti využíván jen minimálně. Jeho částečným nástupcem je protokol SSH. 12