POČÍTAČOVÉ SÍTĚ (učební texty)

Transkript

1 Evropský polytechnický institut, s.r.o. 1. soukromá vysoká škola na Moravě Osvobození 699, Kunovice tel./fax: 0632/549018, 0632/ POČÍTAČOVÉ SÍTĚ (učební texty) Prof. Ing. Imrich Rukovanský, CSc Ing. Oldřich Kratochvíl 2001 Kunovice

2 P ř e d m l u v a Tento text je učební pomůcka pro studenty bakalářského studia oborů EP a EI na Evropském polytechnickém institutu, s.r.o. v Kunovicích. Je určen pro předmět Počítačové sítě. Jelikož absolventi bakalářského studia jsou svým zaměřením a dosaženým vzděláním předurčeny pro přímé uplatnění v praxi, je jim určený učební text koncipován tak, aby poskytl pokud možno ucelený přehled o počítačových sítích na úrovni potřebné k jejich zavádění a efektivního využívání. Ke splnění tohoto cíle jsme předně provedli systematické vytřídění nejčastěji používaných termínů, pojmů a prostředků souvisejících se současnými trendy vývoje, zavádění a využívání počítačových sítí. Šlo především o průzkum různých odborných periodik, firemních podkladů a obchodních nabídek za poslední dva roky. Takto získané aktuální informace jsme při zpracování jednotlivých kapitol skloubili s osvědčenými, již klasickými informacemi uvedenými v monografiích věnovaných obecným principům počítačových sítí. Tímto postupem jsme chtěli pokrýt alespoň informativně vše co v současné době s počítačovými sítěmi souvisí. Ve snaze poskytnout ucelený přehled jsme se v důsledku řady limitujících faktorů museli zákonitě dopustit místy značných zjednodušení až nepřesností. Předně je třeba si uvědomit, že pro výuku dané problematiky je na vysokých školách magisterského studia vyčleněno mnohem více prostoru. Zpravidla celou problematiku pokrývá výuka několika samostatných předmětů, např. Distribuované systémy, Lokální sítě, Přenos dat, a další. Navíc ke studiu těchto předmětů jsou studenti lépe připraveni znalostmi získanými z dřívějších teoretických disciplin. Předpokládá se proto, že při výkladu učiva budou studenti průběžně u patřičných míst na nepřesnosti upozorňováni. Při probírání jednotlivých témat jsou studenti rovněž upozorňováni na další literaturu a jiné zdroje sloužící k samostatnému studiu. Tento postup je zvláště důležitý pro ty co chtějí pokračovat v magisterském studiu nebo se chtějí věnovat v praxi počítačovým sítím. Pro všechny však bez rozdílu doporučujeme v současné době dostupnou a metodicky i obsahově důkladně propracovanou monografii autorů Kállay - Peniak: Počítačové sítě a jejich aplikace. Tato monografie byla také vodítkem ke zpracování předložených učebních textů. K dalšímu 1

3 studiu mohou být rovněž učební texty od autorů Janeček - Bílý: Lokální sítě. Vedle studia principů výstavby počítačových sítí však je v současné době rovněž potřeba sledovat aktuální vývojové trendy ve všech oblastech popsaných v předložených skriptech. Nebývalý pokrok v oblasti sítí bude však znamenat nutnost přepracování těchto textů asi do dvou let. Předložený učební text se zabývá oblastí, ve které se objevuje mnoho pojmů v angličtině. I když při psaní textu jsme se snažili respektovat pravidla a duch češtiny, nemohli jsme se vyhnout použití anglických pojmů buďto proto, že jsou všeobecně u odborné veřejnosti již zavedené nebo proto, že zatím neexistuje v češtině normalizovaný ekvivalent. V některých případech se anglické pojmy uvádějí záměrně z výukových důvodů. Autoři děkují za cenné připomínky ke zpracování textu zejména Ing. J. Nesvadbovi, CSc, Ing. D. Bartoňkovi, CSc a Ing. J. Petruchovi. Děkujeme rovněž recenzentu Doc.Ing. P. Ošmerovi, CSc z FSI VUT v Brně. Za přípravu textu do tisku a grafické práce chceme poděkovat A. Šimonové, DiS, E. Němcové, DiS, B.B.S. a P. Kubalovi, DiS.. Autoři se současně omlouvají za případné nesrovnalosti a chyby v textu a uvítají veškeré připomínky k formě i obsahu předložených skript. Kunovice, prosinec 2001 autoři 2

4 OBSAH 1. ZÁKLADNÍ RYSY POČÍTAČOVÝCH SÍTÍ 1.1. Historie počítačových sítí 1.2. Klasifikace počítačových sítí 1.3. Aplikace počítačových sítí v oblasti informačních systémů Uzly počítačové sítě Multimediální služby v rámci počítačových sítí 1.4. Uplatnění počítačových sítí v průmyslových aplikacích 1.5. Internet 2. ARCHITEKTURA POČÍTAČOVÝCH SÍTÍ 2.1. Topologie 2.2. Přenosová média 2.3. Pravidla komunikace mezi koncovými uzly sítě Komunikace dle pravidel OSI Komunikace dle pravidel IEEE Komunikace dle pravidel TCP/IP 3. PŘÍSTUPOVÉ METODY 3.1. Přístupová metoda CSMA/CD 3.2. Přístupová metoda Token Passing Varianta Token Ring Varianta Token Bus 3.3. Přístupová metoda DPP 4. LOKÁLNÍ SÍTĚ ETHERNET A IBM TOKEN RING 4.1. Sběrnicová lokální síť Ethernet 4.2. Kruhová lokální síť IBM Token Ring 5. PROPOJOVÁNÍ LOKÁLNÍCH SÍTÍ 5.1. Mosty 5.2. Směrovače 6. ETHERNET 6.1. Specifikace fyzické vrstvy sítí Ethernet 6.2. Sběrnicové sítě Ethernet 10Base5, 10Base Sítě Ethernet 10BaseT 6.4. Sítě Ethernet 10BaseFX 6.5. Síť 100BaseT (Fast Ethernet) 6.6. Přepínaný Ethernet 6.7. Gigabitový Ethernet 3

5 7. VYSOKORYCHLOSTNÍ LAN, PÁTEŘNÍ A METROPOLITNÍ SÍTĚ 7.1. Počítačová síť 100 VG-AnyLAN 7.2. Metropolitní síť DQDB 7.3. Síť FDDI 7.4. Virtuální počítačové sítě VLAN 7.5. Počítačové sítě CzechBone, GTS a TEN Páteřní síť CzechBone Metropolitní síť GTS Vysokorychlostní akademická síť TEN-155 CZ 8. TECHNOLOGIE ATM 8.1. Synchronní a asynchronní režim přenosu dat Synchronní režim STM Asynchronní režim ATM 8.2. Vlastnosti sítě ATM Struktura sítě ATM Komunikace v síti Přepínače ATM Třídy komunikačních služeb 8.3. Architektura sítě ATM 8.4. Signalizace a adresace 8.5. Uplatnění sítí ATM Uplatnění v podmínkách WAN Uplatnění v sítích LAN Emulace LAN 9. BEZDRÁTOVÉ SÍTĚ 9.1. Bezdrátové lokální sítě WLAN 9.2. Rádiové spoje Příklady některých současných řešení Mobilní komunikační technologie 9.3. Optické spoje 9.4. Družicové spoje 10. KOMUNIKAČNÍ PROTOKOLY NetBIOS, NetBEUI Protokolová sada IPX/SPX Protokolová sada TCP/IP Protokol IP Protokol TCP a UDP Aplikační protokoly sady TCP/IP Směrovací protokoly a směrování Principy směrování na Internetu Vlastnosti směrovacích protokolů Interní směrovací protokoly Externí směrovací protokoly Protokoly pro audio a videokomunikaci 4

6 11. STANDARDIZOVANÉ GLOBÁLNÍ POČÍTAČOVÉ SÍTĚ Standardy ISO pro globální počítačové sítě Standardizované komunikační protokoly Protokoly aplikační vrstvy Protokol elektronické pošty Adresářové služby Systémy pro elektronickou výměnu dokumentů EDI 12. SÍŤOVÉ OPERAČNÍ SYSTÉMY Novell NetWare Komunikační protokoly v sítích Novell Síťové operační systémy Microsoft LAN Manager Windows NT Server Síťové operační systémy IBM Operační systém LINUX Význam Linuxu při řešení problému sdílení zátěže v počítačové síti 13. BEZPEČNOST POČÍTAČOVÝCH SÍTÍ Zabezpečení aplikačních programů a dat před zneužitím Šifrování elektronické pošty Ošetření FTP protokolu Šifrování HTTP protokolu Zabezpečení komunikace pomocí SSH Firewall Antivirová ochrana počítačové sítě Antivirové programy Zabezpečení složek počítačové sítě 5

7 1. ZÁKLADNÍ RYSY POČÍTAČOVÝCH SÍTÍ 1.1. Historie počítačových sítí Za posledních let dochází ve světě k informační explozi, která se projevuje obrovským nárůstem objemu informací. Každé odvětví lidské činnosti potřebuje pro své kvalitní fungování aktuální a relevantní informace. Donedávna standardní doba papírová je nenávratně pryč a namísto ní se úspěšně prosazuje používání jiných alternativních médií, vhodných pro použití výpočetní techniky, jež je jediná schopná pomoci člověku zdolávat informační nápor. Velmi rychle se překonalo období spojené s používáním izolovaných počítačů pro uchování a zpracování dat. Vývoj probíhal postupně v několika etapách. Na počátku, když síť neexistovala, se údaje přenášely mezi počítači na příslušných médiích (štítky, děrné pásky, diskety, disky apod.) Takovéto systémy jsou označovány jako nespražené (off-line). Uživatelé však volali po komunikaci v reálném čase prostřednictvím tzv. spražených (on-line) systémů. Pro tyto účely se velmi rychle začaly využívat sériové a paralelní porty pro dvojbodové propojení počítačů, což představovalo podstatně rychlejší způsob přenosu dat. Později byly budovány terminálové sítě, jež umožňovaly práci více uživatelů na jednom, obvykle sálovém počítači (mainframe). Neinteligentní terminály byly postupně nahrazovány emulovanými inteligentními terminály na bázi PC. Nevýhodou této koncepce však byla úplná závislost terminálů na ústředním počítači. Klasický princip komunikace v terminálové síti typu mainframe - terminál představoval hvězdicové uspořádání s centrálním uzlem. Postupná převaha lokálních úloh si později vyžádala vzájemný distribuovaný, decentralizovaný přístup uživatelů a budování počítačových sítí. Vývoj komunikace procházel postupně principem přepojování fyzických okruhů, dále přepojování zpráv a konečně přepojováním (přepínáním) paketů. Přepojování fyzických okruhů je nejméně efektivní, protože vyžaduje pronájem spojovacího kanálu na celou dobu od okamžiku vytvoření po dobu trvání dvojbodového spojení až do jeho ukončení. Přepojování zpráv přineslo efektivnější využití přenosových kapacit metodou tzv. odtrhávaní pásky, jež představuje přenesení ucelené zprávy ze vstupu spojovacího uzlu na výstup do požadovaného směru. Přitom přenos neprobíhal v reálném čase (princip telegramu). Nejefektivnější je přepojování paketů, které představují modifikaci systému přepojování zpráv s tím, že zpráva je rozčleněna na formátované fragmenty s definovanou délkou. Tím se docílí výrazného zkrácení doby odezvy i v rozsáhlých sítích, vysoké spolehlivosti a minimální zbytkové chybovosti. V praxi se využívají všechny způsoby. Kritérii pro jejich výběr jsou průměrná délka zpráv a poměr mezi cenou přepojovacích prostředků a cenou počítačových prostředků pro přepojování paketů. S myšlenkou přepojování paketů přišli v Anglii D. Davies (autor pojmu paket slabik) a v USA L. Roberts. V roce 1972 při příležitosti první mezinárodní konference o počítačové komunikaci (ICCC 72) ve Washingtonu byl vytvořen počítačový uzel ARPANET se 40 terminály, pomocí nichž bylo možno komunikovat s počítači po celých Spojených státech amerických. Přepojování paketů se přesvědčivé ukázalo jako životaschopné. Začaly se budovat sítě jako například GE - firma General Electric, CYBERNET - firma CDS a SITA, TYMNET - firma Tymnet Corp. V Evropě vznikla síť EIN, v 1976 COST11, ve Francii CYCLADES atd. Všechny uvedené sítě sloužily jen omezenému počtu uživatelů, zejména firmám. Avšak dosažené úspěchy položily základy pro budování veřejných datových sítí (VDS), jejichž provozovatelem se staly správy telekomunikací. Prvními VDS s komutací okruhů byly např. 6

8 DATEX, EDS v SRN, pozdější VDS s komutací paketů byly např. DATAPAC Kanada, PSS v Anglii, TELENET v USA a DX-2 v Japonsku. Počítačové sítě za relativně krátkou dobu své existence procházejí bouřlivým rozvojem, podporovaným vznikem nových technologií, komunikačních prostředků, zvyšujícími se nároky aplikačních požadavků, apod. Pokusíme se nyní postupně přiblížit problematiku počítačových sítí podrobněji Klasifikace počítačových sítí Počítačové sítě se nejčastěji třídí podle tří základních kritérií, mezi něž patří rozlehlost sítě, rychlost přenosu informací a konkrétní forma aplikace sítě. Nabízí se tedy následující forma klasifikace počítačových sítí: Podle rozlehlosti nebo územního dosahu počítačové sítě dělíme na: - LAN (Local Area Network) - lokální datové sítě pokrývající území dané lokality. Jejich dosah obvykle nepřesahuje 10 km (např. budova, závod apod.) - MAN (Metropolitan Area Network) - městské datové sítě pokrývající území města, tedy řádově desítky km, skládající se ze vzdálených sítí LAN. - WAN (Wide Area Network) - datové sítě pro největší vzdálenosti. Nejsou svým rozsahem omezené, přičemž pokrývají území států i celých kontinentů. Podle rychlosti přenosu informací třídíme sítě na: - klasické jako např. Ethernet, Token Ring a ARCNet - vysokorychlostní s rychlostmi nad 100 Mb/s (známé jako highspeed networks), např. ATM, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN apod. Z aplikačního hlediska třídíme sítě na: - PS v informačních systémech slouží jako komunikační subsystém informačního systému a poskytující podpůrné aplikační služby pro koncové uživatele informačního systému. - PS v průmyslových aplikacích aplikované jako komunikační systém pro řízení výroby, na procesní řízení, propojení robotů, manipulátorů s operátorskými stanicemi a vyšším informačním systémem. Velmi specifickou skupinu mezi počítačovými sítěmi tvoří známý Internet Aplikace počítačových sítí v oblasti informačních systémů Základní doménou počítačových sítí jsou právě informační systémy (IS) podniků, ve kterých počítače a počítačové sítě už tradičně plní funkcí komunikačního a zpracovatelského subsystému. Počítačové sítě kromě zabezpečení základní komunikace mezi komponenty informačního systému nabízí i celou řadu podpůrných funkcí a služeb využívaných v rámci celého informačního systému. Uplatňují se nejen při budování místních IS (sítě LAN), ale přímo podporují i tvorbu distribuovaných IS s neomezeným dosahem a globální působností (sítě WAN, GAN). K nejčastěji používaným službám počítačových sítí v informačních systémech patří: - Sdílené využívání technických prostředků v síti (tiskárny, disky, modemy, při němž je dané technické zařízení přístupné v rámci celé sítě více uživatelům. Službu si vynutily zejména ekonomické důvody. 7

9 - Sdílené využívání společných dat v síti. Jedná se například o přístup k velkým objemům společných dat informačních systémů (databáze IS), kdy PS zabezpečuje souběžné zpracování údajů a synchronizaci přístupu k nim za strany uživatelů. - Elektronická pošta ( ) je používána velmi často k off-line komunikaci uživatelů sítě prostřednictvím elektronických poštovních schránek (boxů). Umožňuje nejen zasílání a výměnu textových zpráv a oběžníků, ale i binárních souborů a programů. V IS se využívá pro bezpapírový koloběh dokumentů a zpráv. - Monitorování a vzdálené řízení (Remote Control) jiných stanic a prvků sítě. Často se používá při dálkovém přístupu do sítě, přímém ovládání a monitorování vzdálených prvků IS. - Hlasová a obrazová komunikace v síti, umožňující off-line komunikaci mezi uživateli sítě prostřednictvím hlasových a obrazových sekvencí přenášených sítí, obvykle ve formě binárních souborů příslušného formátu. - Interaktivní video je v dnešní době moderní služba zabezpečující přenos obrazu a zvuku v reálném čase (on-line) mezi uzly IS. Vyznačuje se vysokými nároky na šířku přenosového pásma sítě a požadavky na konstantní zpoždění přenosu Uzly počítačové sítě Počítačová síť vytváří prostředí pro vzájemné propojování jednotlivých počítačů - uzlů. Uzly počítačové sítě můžeme rozlišovat podle funkce, kterou vykonávají, podle jejich využití v rámci sítě a podle vzájemné závislosti. Každý počítač zapojený do sítě může být ve funkci: - obslužné stanice (Server) - pracovní stanice (Work Station) Server je zařízení poskytující služby jiným objektům v síti. Od pracovních stanic se nejčastěji liší programovým vybavením. Technickým vybavením se nemusí odlišovat od běžných počítačů, poněvadž však slouží více počítačům v síti, volí se pro server vyšší kvalita a rychlost počítače. Pracovní stanice je koncový uzel IS využívaný uživatelem. Zde běží procesy klientů zpřístupňující služby vybraných serverů. Využívá se zejména pro vysílání, příjem a prezentaci údajů a lokální zpracování úloh. Funkci pracovní stanice nebo serveru určuje speciální programové vybavení označované jako síťový operační systém NOS (Network Operating System). NOS zabezpečuje vlastní implementaci služeb serverů, komunikaci pracovních stanic se servery a kontrolu a řízení přístupu klientů k příslušným službám serverů. Podle uplatnění funkcí serverů v jednotlivých uzlech IS, rozlišujeme implementace NOS v režimu: - rovný s rovným (peer-to-peer) - vyčleněném, dedikovaném (dedicated ) V režimu "rovný s rovným" je podporován souběžný běh procesu serveru a klientů na kterémkoli uzlu IS, zatímco vyčleněný režim umožňuje běh procesu serveru jen na vybraných specializovaných uzlech. Výběr režimu závisí na volbě příslušného síťového operačního systému a konkrétní implementace sítě LAN, WAN. Servery můžeme rozdělit podle funkcí, které v síti zastávají na servery hlavní a pomocné. K hlavním serverům řadíme: souborové, databázové, aplikační a prezentační. Do skupiny pomocných serverů patří: tiskové, terminálové a komunikační. 8

10 Souborový server (File-Server) zabezpečuje přístup k údajům prostřednictvím systému souborů a adresářů. Nerozlišuje logický obsah a vnitřní strukturu souboru, proto na rozdíl od používaných aplikací je transparentní. Jeho funkcí je zabezpečit zápis a čtení souborů na disku serveru podle přidělených přístupových práv jednotlivých uživatelů. Specifikují se zejména práva na čtení a zápis do souborů, modifikaci souborů, apod. Server po analýze přístupových práv přístup buď zamítne, nebo vykoná příslušnou operaci a její výsledek odešle klientovi. Databázové servery jsou specializované uzly sítě zaměřené na databázové operace a funkce systémů řízení báze dat. Obvykle se jedná o operace zadávání, modifikace údajů, vyhledávání informací v databázi podle zvolených kritérií či třídění nebo indexování informací. Klienti databázových serverů formulují požadavky na operace s databází (SQL) a odesílají je prostřednictvím smluvených standardních rozhraní na databázové servery. Server vykoná požadovanou operaci a zašle na stranu klienta odpověď s výsledkem operace. Aplikační servery představují novou třídu serverů, specializovaných na distribuované zpracování. Poskytují aplikacím svoji výpočetní kapacitu (procesní čas, paměťové prostory) a podílejí se na vlastním zpracování úloh podle logiky příslušné aplikace. Přitom úzce spolupracují s databázovými a prezentačními servery. Z hlediska principu pracují aplikační servery obdobným způsobem jako databázové, jen s tím rozdílem, že nejsou omezeny jen na zpracování dat v databázi. Aplikační úlohy mohou probíhat buď přímo na aplikačních serverech komunikujících s uživateli prostřednictvím prezentačních serverů, nebo mohou pracovat distribuovaným způsobem. Prezentační servery se používají jako doplněk k jiným typům serverů, obvykle aplikačním a databázovým, poněvadž je odlehčují od bezprostřední interakce s uživatelem. Prezentační servery formátují výstupy pro aplikace, zabezpečují obsluhu a příjem vstupů, řídí způsob zobrazování v závislosti na konkrétním grafickém uživatelském prostředí. Pomocné servery jsou zaměřené na podpůrné služby IS. Obvykle jsou určeny pro souběžné využívání periferních zařízení sítě a pro podporu komunikačních a bezpečnostních funkcí. Nejpoužívanějšími servery jsou: Tiskové servery poskytují uživatelům sítě tiskové služby ve formě společných síťových tiskáren. Tiskové servery disponují tiskovými frontami, do nichž jsou přechodně ukládány tiskové úlohy uživatelů. Neustále kontrolují tiskovou frontu a při zaslání tiskové úlohy do tiskové fronty zabezpečí její vytisknutí na příslušné lokální nebo vzdálené síťové tiskárně. Mají schopnost řízení fronty, rušení tiskových úloh, případně změny priority. Terminálové servery zabezpečují komunikaci jednoduchých znakově orientovaných zařízení (terminály, modemy, sériové tiskárny) s asynchronním sériovým rozhraním přes počítačovou síť s aplikačními a tiskovými servery. Terminálový server na jedné straně obsluhuje sériové rozhraní znakově orientovaných zařízení, zatímco na druhé straně vytváří síťové spojení s příslušnými servery. Komunikační servery. Do této kategorie patří poměrně široká skupina serverů, mj.: modemové servery, multiprotokolové směrovače a další. Zvláštní význam v současnosti získávají bezpečnostní brány (firewall) které zajišťují oddělení lokální a veřejné sítě s cílem zamezit nedovolenému přístupu k důležitým síťovým informacím. K rozšířeným serverům můžeme řadit produkty firem Netscape Communications, Microsoft apod. Příkladem mohou být WWW servery, poštovní servery (mail server), servery pro správu síťových zdrojů (Directory server), servery pro filtrování přístupu a bezpečné oddělení sítě (Proxy server), a další. 9

11 Multimediální služby v rámci počítačových sítí Multimediální služby mají na rozdíl od přecházejících služeb podstatně vyšší nároky na přenos dat, neboť předpokládají přenos hlasové a obrazové formy informace s mnohem přísnějšími požadavky na komunikační systém. Ten se pak musí vyrovnat nejen s požadavkem konstantního zpoždění přenosu a šířky pásma sítě, ale též citlivějším vyhodnocováním přenosu na straně koncových systémů. Z multimediálních aplikací používaných v prostředí počítačových sítí jsou nejpoužívanější : přenos hlasu, video a audio konferenční služby a vzdělávání na dálku. Aplikace požadující přenos hlasu nekladou vysoké nároky na šířku pásma sítě, požadují však striktně konstantní zpoždění přenosu a konstantní přenosovou rychlost. Kolísání zpoždění přenosu způsobuje zkreslení přenášeného hlasu, což vede k jeho nesprávnému vyhodnocování. Přenos obrazu patří z hlediska šířky pásma sítě k nejnáročnějším službám. Při přenosu jsou předávány snímané obrazy (tzv. rámce) s opakovací frekvencí minimálně 30 rámců za sekundu. Minimální opakovací frekvence vychází ze setrvačných vlastností lidského oka. Při přenosu obrazu v prostředí PS se obvykle používají kodéry transformující obraz do datové formy. Nároky na požadovanou šířku pásma sítě kolísají v závislosti na velikosti obrazu a barevného rozlišení. V současné době je k dispozici celá řada systémů zajišťujících multimediální služby v počítačových sítích. Příkladem mohou být systémy View Station SP a View Station SP 384 od firmy Polycom / Polyspan. Vyznačují se schopností optimalizovat zpracování pohyblivého obrazu pro přenos po linkách s nízkou šírí pásma a tím zaručují dobrou kvalitu obrazu. Oba systémy obsahují funkce zabudovaného webového serveru, což umožňuje realizovat prezentace, správu systému a diagnostiku kdykoli a odkudkoliv. Prezentace lze jednoduše a rychle nahrát do View Station z lokálního nebo vzdáleného PC a okamžitě jsou k dispozici pro prohlížení v průběhu videokonference Uplatnění počítačových sítí v průmyslových aplikacích V průmyslu se počítačové sítě (místní sítě) začínají stále intenzivněji uplatňovat při automatizaci a řízení technologických procesů. Síť propojuje konkrétní výrobní procesy s řídícími středisky, jež umožňují sběr informací, jejich ukládání, archivaci apod. Jednotlivé uzly takové sítě je možné rozčlenit na podvrstvy se stejným stupněm inteligence. Například nejnižší vrstvu mohou tvořit jednoúčelové řadiče robotů a manipulátorů tvořící tzv. procesní úroveň. Do vyšší vrstvy můžeme zařadit uzly s vyšší inteligencí vykonávající koordinaci činnosti řadičů. Tuto vrstvu nazýváme technologická úroveň. Nejvyšší vrstvy mají funkci centrálních dispečerských prostředků spojených s integrovaným informačním systémem a jsou formulovány jako dispečerská úroveň. Takový systém představuje integrovanou architekturu řízení a informací. Pro tuto architekturu je typické překrývání distribuovaného (v rámci jedné vrstvy) a centralizovaného charakteru řízení(směrem od vyšší vrstvy k nižší) Internet Zvláštní postavení v oblasti počítačových sítí náleží síti Internet. Jde o globální počítačovou síť zhruba s 200 milióny účastníků, která poskytuje různé služby, zejména přístup k hypertextovým dokumentům, elektronickou poštu, audiovizuální přenos, atd. 10

12 Počátky Internetu jsou spojeny s projektem ARPANET, který v roce 1972 spojoval kolem 40 počítačů, v roce 1983 již přes 200 počítačů rezortu obrany, školství a významných výzkumných institucí v USA. Pojem Internet se datuje z první poloviny 80. let. Koncem 80. let obhospodařovala síť vládní agentura National Science Foundation instituce odpovědná za financování vědeckých projektů v USA. Do počátku 90. let byla tato síť doménou amerických univerzit a vědeckých institucí teprve o několik let později se začala využívat komerčně. V roce 1991 byla v Kalifornii založena služba CYX, která svým členům nabízela výměnu komerčních informací mezi firmami. V této době se definuje hypertextový přenosový protokol HTTP a vzniká jazyk HTML. Vzniká rovněž první software pro webového klienta a server. Od roku 1994 probíhá trvale vývoj společných standardů WWW pod řízením mezinárodní organizace W3C. Explozivní rozvoj Internetu začal v roce 1995 značným přispěním zejména produktů firem Netscape a Microsoft. Internet se skládá z přenosových prostředků, počítačů (servery a pracovní stanice) a programů, umožňujících přenos různých typů informací v elektronické formě. Páteř sítě je tvořena telekomunikačními linkami (telekomunikační družice, optická vlákna, speciální kabely), které se spojují v uzlových bodech tvořených speciálními počítači (směrovači). Přenosová rychlost mezi směrovači se pohybuje v desítkách Mb/s. Na směrovače navazuje sekundární síť linek, která vede k jednotlivým primárním poskytovatelům Internetových služeb (ISP Internet Service Provider). Tyto linky pracují s přenosovými rychlostmi o jeden až dva řády nižšími, tedy stovkami kb/s. Vlastní uživatelé Internetu jsou pak spojeny s ISP telefonními linkami, rádiovými spoji, apod. Internet je volně organizovaná mezinárodní spolupráce propojených autonomních sítí, která umožňuje komunikaci připojených počítačů díky dobrovolnému přijetí a dodržování standardních protokolů a procedur. O rozvoj Internetu dbá několik organizací, mezi které můžeme řadit Internet Society (ISOC), Internet Engineering Steering Group (IESG), Internet Engineering Task Force (IETF) a další. Mezinárodní nevládní organizace založená na kolektivním a individuálním členství přes 150 organizací a přes 6000 členů Internet Society je zaměřená na standardizaci, vzdělávání, rozvoj a využívání Internetu. Vedle sítě Internet se objevuje řada dalších rozsáhlých sítí. Za zmínku stojí superrychlá panevropská internetová síť celoevropského projektu Géant. Jeho cílem je propojit jednotlivé národní akademické a vědecko-výzkumné sítě zhruba třiceti zemí s možností propojit tuto infrastrukturu k sítím podobného zaměření, které jsou na jiných kontinentech (příkladem může být síť Abilence amerického projektu Internet 2). Počítačová síť projektu Géant provozně naváže na síť projektu Quantum, která má název TEN-155. Českou republiku v tomto projektu reprezentuje sdružení Cesnet. Toto sdružení je pak řešitelem vysokorychlostní akademické sítě TEN-155.CZ. K síti Internet se připojují i další počítačové sítě poskytující datové, hlasové a internetové služby v rozsahu regionu, velkých měst apod. Říkáme jim metropolitní sítě. Sítě tohoto druhu fungují např. v Londýně, Vídni, v Mnichově apod. V našich podmínkách pracuje metropolitní síť GTS, která především propojuje lokální sítě velkých institucí, zajišťuje širokopásmové připojení k síti Internet, propojuje počítačové sítě bankovních institucí, jakož i bankomatů on-line, apod. Široké používání technologií Internetu vedlo logicky k myšlence jejich použití i v prostředí lokálních sítí, které ani nemusí být k Internetu připojeny. Dochází k průniku protokolů, standardů a souvisejících služeb Internetu do jednotlivých firemních sítí. Vznikají tím 11

13 počítačové sítě zvané intranet. Zřejmou výhodou intranetu je přitom jednotnost s Internetem nejen pro uživatele, ale i vývojáře informačních systémů. O t á z k y a ú k o l y 1. Uveďte, jaké důvody vedly ke vzniku počítačových sítí. 2. Jaké jsou zvláštnosti terminálových a počítačových sítí? 3. V čem spočívá princip přepojování fyzických okruhů, přepojování zpráv a přepojování paketů? 4. Podle čeho můžeme klasifikovat počítačové sítě? 5. Uveďte hlavní oblasti aplikace počítačových sítí. 6. Vyjmenujte nejčastěji používané služby počítačových sítí v informačních systémech. 7. V jakých funkcích vystupují uzlové počítače v počítačové síti? 8. Vyjmenujte typy serverů podle přidělených funkcí v počítačové síti. 9. Jaké zásadní vlastnosti musí splňovat počítačové sítě v multimediálních aplikacích? 10. Jaké jsou požadované základní vlastnosti na počítačovou síť v průmyslových aplikacích? 11. Uveďte základní rysy počítačové sítě Internet. 12. Co mají společného sítě intranet s Internetem? 12

14 2. ARCHITEKTURA POČÍTAČOVÝCH SÍTÍ Počítačová síť představuje obecně systém vzájemně propojených počítačů, terminálů a periferních zařízení, komunikujících prostřednictvím komunikačního subsystému sítě, přenosových médií a aktivních komunikačních prvků. Architektura počítačové sítě pak zahrnuje celkové uspořádání sítě, tj. její topologii, formu komunikace, použité komunikační protokoly a základní služby poskytované komunikujícím uzlem Topologie V praxi se setkáváme s topologií sběrnicovou, hvězdicovou, stromovou a kruhovou viz obr Některé sítě jednotlivé topologie kombinují (např. ARCNet nebo dnešní Ethernet). V poslední době se rozšiřují topologie pro bezdrátové sítě. stanice stanice stanice stanice stanice sběrnicová síť stanice stanice stanice kruhová síť stanice stanice stanice stanice stanice stanice stanice stromová síť stanice stanice stanice základna stanice polygonální síť stanice stanice stanice bezdrátová síť Obr Topologie počítačových sítí 13

15 Základním prvkem sběrnicové sítě je úsek přenosového média - segment sběrnice, ke kterému jsou připojeny počítače, obecně zde nazývané též uzly nebo stanice sítě. Přenosovým médiem je nejčastěji koaxiální kabel, symetrické vedení (kroucený dvoudrát), nebo optické vlákno. Sběrnicové sítě se vyznačují pasivním médiem, snadným připojováním stanic a odolností proti výpadkům stanic. Pro řízení sběrnicových sítí se využívá řada deterministických i nedeterministických metod, které využívají skutečnosti, že signál vysílaný jednou stanicí je přijímán ostatními stanicemi jen s velmi malým zpožděním. Stanice sítě typu hvězda jsou připojeny k centrálnímu uzlu samostatnými linkami. Centrální uzel označovaný jako hub (v překladu "střed loukoťového kola") rozděluje signál přicházející z jedné linky do ostatních linek hvězdy. Rozlišujeme pasivní hub, ve kterém se signál pouze dělí (odporovým děličem) a aktivní hub (vícevstupový opakovač), ve kterém je přijatý signál upravován tak, aby měl na výstupních linkách požadovanou úroveň a časování. Vlastnosti topologie "hvězda" lze shrnout takto: - dvoubodové spoje mezi stanicemi a centrálním uzlem lze snadno realizovat - síť je odolná proti výpadku jednotlivých stanic a linek - síť je citlivá na poruchu centrálního uzlu Sítě s topologií "hvězda", jak jsme si ji právě popsali, se tím, že signál jedné stanice mohou přijímat současně stanice ostatní, blíží sítím sběrnicovým a lze u nich použít i obdobné metody řízení. Stromová topologie je přirozeným rozšířením topologie typu "hvězda". Setkáváme se s ní u širokopásmových sítí a u sítí využívajících pro přenos světlovody. Vlastnosti stromové topologie jsou: - odolnost sítě proti výpadkům jednotlivých stanic a linek - citlivost na výpadky uzlů (hubů), - snadná rozšiřitelnost, - dvoubodové spoje. Stromové (hvězdicové) sítě používají podobných metod řízení jako sítě sběrnicové. U kruhových sítí jsou komunikační stanice propojeny spoji, které jsou využívány pouze jednosměrně. Signál vyslaný jednou stanicí je postupně předáván ostatními stanicemi kruhu (základním prvkem stanice je krátký posuvný registr) a po oběhu sítí se vrací ke stanici, která jej odeslala. Vlastnosti kruhových sítí lze shrnout do těchto bodů: - dvoubodové jednosměrné spoje lze snadno realizovat i na světlovodech - v síti lze kombinovat různá média (pro krátké spoje elektrická vedení, pro dlouhé spoje světlovody), - síť je citlivá na výpadek libovolného prvku (stanice nebo spoje). U kruhových sítí se pravidelně používá deterministických metod řízení. Uvedené dělení sítí na sítě sběrnicové, stromové a kruhové je opřeno o elektrickou topologii (signálovou topologii), tedy o způsob vzájemného propojení stanic. Z hlediska vlastností sítě má velký vliv i topologie fyzická (způsob vedení kabelů) a topologie logická (metoda spolupráce stanic u deterministických metod). Topologií se lokální sítě liší od 14

16 rozsáhlých počítačových sítí. Ty se opírají o přepojování paketů nebo zpráv - postupné předávání zpráv mezi uzly po dvoubodových spojích (technika "store-and-forward") a jsou polygonální. Lokální sítě využívají přímého propojení komunikačních stanic sdíleným kanálem, signál vyslaný jednou ze stanic je přijímán ostatními stanicemi sítě. Tyto lokální sítě jsou někdy označovány jako "broadcast" sítě Přenosová média Jedním z důležitých prvků, který charakterizuje konkrétní počítačovou síť, je přenosové médium. Kromě malého počtu historických sítí, které používaly paralelní přenos po vícevodičových kabelech, jde u naprosté většiny dnešních sítí o přenos sériový. Nejčastěji se setkáváme s nesymetrickým (koaxiální kabel) a symetrickým (kroucený dvoudrát - twisted pair) vedením. Řada sítí se opírá o optická vlákna a ta jsou alternativním médiem i pro klasické technologie. V poslední době se hodně rozšiřují počítačové sítě využívající vysokofrekvenčních radiových, vzdušných světelných a družicových spojů. Koaxiální kabely Nesymetrická vedení (koaxiální kabely) dovolují využití pásma MHz v základním pásmu (kódovaný datový signál) a pásma MHz v přeloženém pásmu (modulovaný signál). V základním pásmu lze dosáhnout přenosové rychlosti v rozmezí 1-50 Mb/s, v přeloženém pásmu lze vytvořit skupinu přenosových kanálů s přenosovou rychlostí až 20 Mb/s. Při přenosu v základním pásmu omezují elektrické vlastnosti vedení překlenutou vzdálenost na stovky metrů, proto jsou často používány drahé speciální kabely (jako je tomu např. u sítě Ethernet). Přeložené pásmo lze využít pro přenos na kilometrové vzdálenosti, podstatnou výhodou je možnost použít kabely a další prvky určené pro kabelovou televizi. Koaxiální kabel byl po dlouhou dobu typickým médiem lokálních sítí, má relativně dobrou odolnost proti rušení. 15

17 Symetrická vedení - UTP,STP Symetrické vedení ve formě krouceného dvoudrátu (twisted pair), jak ho známe z telefonních kabelů, je nejlevnějším přenosovým médiem. Ve většině případů jde o stíněný (STP - Shielded Twisted Pair) nebo nestíněný (UTP - Unshielded Twisted Pair), jednoduchý nebo dvojitý dvoudrát, který dovoluje bez problémů přenášet signály rychlých sítí jako jsou Ethernet 100BASE-T, FDDI a ATM na vzdálenost 100 m, přenosové rychlosti jsou zde do 155 Mb/s. Vlastnosti kabelů s kroucenými páry jsou definovány normami, nejpoužívanější standard EIA/TIA 586 (z roku 1991) definuje vlastnosti kabelů UTP se čtyřmi dvoudrátovými vedeními. V současné době se převažně používají kabely odpovídající UTP Cat.5. Kabely UTP Cat.5 dovolují přenos signálu do kmitočtu 100 MHz. Kabely UTP se stávají i alternativou ke kabelům STP (Shielded Twisted Pair) pro kruhové sítě IBM Token Ring. V poslední době se objevují čtyřpárové kabely se společným stíněním označované jako FTP (Foiled Twisted Pair - fólií stíněné zkroucené páry) nebo S (FTP) (Screened Foiled Twisted Pair - FTP s ochranným opletením) odolnější proti vlivu vnějšího rušení a omezující vyzařování přenášených signálů. Kabely UTP (a jejich modifikace FTP a S(FTP)) se dnes považují za univerzální materiál pro kabeláže, které kombinují přenos dat s přenosem telefonních signálů (strukturované kabeláže). Neustálý růst požadavků na vyšší přenosové rychlosti způsobuje adekvátný rozvoj nových kabeláží. Pro dokonalejší přenos u gigabitového Ethernetu na celkovou vzdálenost 100 m dochází ke zpřísnění parametrů kabeláže Cat.5 a vzniká její modernizované provedení pod označením Cat.5E. Maximální využitelná šířka pásma zůstává na 100 MHz. Další zvýšení přenosové rychlosti poskytuje kabeláž UTP Cat.6 u níž je zaručena šířka přenosového pásma 200 MHz. Vyžaduje mimořádně vysoké nároky na instalaci a montážní postupy (větší prostory na uložení kabelů, dodržovat maximální dovolené poloměry ohybů, namáhání v tahu, apod.). I moderní komunikační jednotky s vysokorychlostními přenosy jsou v mnoha případech vystaveny zvýšenému riziku poruch, zejména však v průmyslových areálech, v blízkosti elektrických trakcí vn a vvn vedení a v objektech s častým působením atmosférických výbojů. Těmto podmínkám vyhovují například odolné kabeláže proti všem druhům rušení, přepětí a rázů označené FTP Cat 5E Power Cat 250 MHz a FTP/SFTP Cat MHz systém. Šířka přenosového pásma v rozsahu 600 MHz zaručuje kabeláž označovaná Cat.7. Celý systém je již značně komplikovaný co se týče náročnosti instalace. Kabel Cat.7 má až o polovinu větší průměr než kabel Cat.6. Zatím však tento systém nelze dnes reálně instalovat. Chybí mj. vhodné měřící přístroje v rozsahu 700 MHz, a zatím též chybí příslušné normy a standardy. Světlovodná vlákna Světlovodná vlákna využívají infračervené a viditelné oblasti světelného spektra pro přenos dat rychlostmi přes 2,5 Gb/s na kilometrové vzdálenosti. Výhodou optických vláken je vysoká přenosová kapacita při nízké ceně média a velká odolnost proti rušení, nevýhodou je vysoká cena prvků rozhraní, konektorů a náročné spojování kabelů. 16

18 Mnohavidová optická vlákna Mnohavidová optická vlákna jsou tvořena vnitřním jádrem o průměru do 100 µm a vnějším obalem z materiálu o nižším indexu lomu. Na rozhraní obou materiálů dochází k poměrně dokonalému odrazu přenášeného signálu. Materiálem jádra je převážně speciální sklo, obalem bývá sklo nebo plastická hmota. V technologických aplikacích jsou používána vlákna s plastovým jádrem i obalem. Vlákna jsou označována jako mnohavidová, protože světelný paprsek se médiem šíří s více úhly odrazu (více vidy). Takových diskrétních hodnot jsou u mnohavidových vláken tisíce. Důsledkem odlišných úhlů odrazu je rozdíl v absolvované délce cesty vláknem a z toho vyplývající rozptyl světelného výkonu v čase na výstupu z vlákna. Mluvíme o vidové disperzi, ta je hlavním limitem překlenutelné vzdálenosti. Např. běžně vícevidové optické vlákno 62,5/125 µm má šířku pásma 160 MHz/km při vlnové délce 850 nm a šířku pásma 500 MHz/km při vlnové délce 1300 nm. Jednovidová optická vlákna Jednovidová optická vlákna se vyznačují tím, že se při šíření světelného signálu uplatňuje jediný mód (nebo chceme-li být přesní, jde o dva módy lišící se polarizací). Potřebného snížení počtu módů lze dosáhnout zvýšením vlnové délky světla (na 1300 nebo 1550 nm), snížením poměru mezi indexy lomu jádra a obalu a snížením průměru jádra. Spojování vláken poněkud komplikuje instalaci optických spojů, přesně zakončená vlákna lze spojovat vzájemným přiložením konců, jejich slepením ve speciálních držácích nebo svařením. Je potřeba speciálních zařízení, realizované spoje je nutné proměřit (změřit útlum a případně odrazy ve spojích). Pro rozebíratelná spojení přesně zakončených vláken existují konektory, potřebná úprava konce vlákna a montáž konektoru je náročnou operací. Jako zdroje světla pro světlovodné kabely jsou používány světloemitující diody LED (Light Emitting Diode)nebo rychlejší laserové diody ILD (Injection Laser Diode). Jako přijímače jsou používány fotodiody PIN nebo citlivější lavinové diody APD (Avalanche Photo Diode). Postupně s vývojem optických miniaturních konektorů, nižší cenou optických vláken a kabelů se stává cena optické sítě srovnatelná s cenou metalické stíněné kabeláže Cat.6. Objevují se proto tzv. optické kabeláže až na stůl FTTD (Fiber To The Desk). Optické sítě nabízejí ve srovnání s metalickými systémy obrovskou šířku přenosového pásma a vysokou morální životnost 20 až 25 let. Kódování a modulace Neupravený datový signál není vhodný pro přímý přenos datovým kanálem. Obsahuje stejnosměrnou složku, jejíž přenos je v některých případech obtížné zajistit. Stejnosměrné složky se můžeme zbavit a doplnit o změny usnadňující jeho příjem vhodným kódováním. Kód NRZI se používá u sítí pracujících v základním pásmu a ve spojení s modulací i v sítích širokopásmových. Fázovou modulaci NRZ (označovanou též jako kód Manchester)používá například síť Ethernet. Zajištění vzájemné synchronizace vysílače a přijímače mají za úkol metody bitové synchronizace. Tu lze zajistit několika způsoby. Mohli bychom například vedle vlastního datového signálu přenášet signál hodinový, který označuje místa, ve kterých máme vzorkovat. Rozumnější je však vybavit přijímač samostatným generátorem hodin a tento generátor fázově synchronizovat s přijímaným signálem. 17

19 Sdílení přenosového média Pokud přenosové médium poskytuje větší šíři pásma (větší přenosovou rychlost) než je potřebné pro realizaci jediného přenosového kanálu, lze médium sdílet více přenosovými kanály. V lokálních sítích se používá jak kmitočtový (frekvenční) multiplex, tak časový multiplex (obr. 2.2). U moderních radiových sítí se setkáme s multiplexem kódovým (CDMA - Code Division Multiple Access). f f t rámec t Obr Princip kmitočtového a časového multiplexu Kmitočtový multiplex (FDMA - Frequency Division Multiple Access) využívá skutečnosti, že pro přenos dat s danou přenosovou rychlostí vystačíme s určitou šíří frekvenčního pásma. Je-li šíře pásma, kterou nám poskytuje přenosový kanál, větší, lze kanál rozdělit na více podkanálů a každý z nich použít nezávisle. Pro převod datového signálu do daného frekvenčního pásma a zpátky používáme modemů vybavených selektivními filtry. Kmitočtový multiplex je základem širokopásmových lokálních sítí. Při časovém multiplexu (TDMA - Time Division Multiple Access) přidělujeme přenosový kanál postupně jednotlivým stanicím. Každé stanici je vyhrazen časový úsek (slot), ve kterém může vyslat paket určité délky. Časové úseky jednotlivých stanic se pravidelně střídají s periodou, kterou obvykle označujeme jako rámec (frame). Nevýhodou pevného rozdělení kapacity sdíleného kanálu TDMA (synchronní časový multiplex) je neschopnost přizpůsobit využití kanálu nárazovému charakteru požadavků jednotlivých stanic. Časový multiplex je dnes snadněji realizovatelný než multiplex kmitočtový, a jeho adaptivní formy (sdílení datového kanálu takovým způsobem, aby bylo maximálně využito jeho kapacity) jsou principem převážné většiny lokálních sítí a sítí integrovaných služeb ISDN (Integrated Services Digital Network) Pravidla komunikace mezi koncovými uzly sítě Realizace datové komunikace mezi koncovými uzly sítě vyžaduje vykonání určité sekvence činností, respektive funkcí ze strany sítě. Typickým příkladem může být navazování spojení, rozklad přenášených informací do bloků, přenos bloků, jejich zabezpečení proti chybám apod. Výrobci komunikačních zařízení v minulosti preferovali zejména vlastní specifická řešení a firemní architektury omezené pouze na vzájemnou komunikaci prvků jednoho výrobce. 18

20 Mezinárodní standardizace v oblasti komunikačních systémů a přenosu dat však musely logicky vycházet z jiné koncepce, která by umožnila všeobecnou komunikaci koncových zařízení nezávisle na jejich konkrétním výrobci Komunikace dle pravidel OSI Pro přepojovací počítačové sítě, ze kterých se na počátku osmdesátých let vyvinuly dnes provozované veřejné datové sítě, byl vytvořen standardní model síťové architektury označovaný jako ISO/OSI (ISO Industrial Standard Organization/ Open Systems Interconnection). Model OSI popisuje komunikaci zajišťovanou počítači, jako hierarchii sedmi vrstev technických a nebo programových prostředků, kde každá z vrstev zajišťuje funkce potřebné pro vrstvu vyšší a využívá služeb vrstvy nižší. Mezi jednotlivými vrstvami jsou (formou standardů a doporučení) definována rozhraní (mezivrstvové protokoly), mezi prvky stejné vrstvy jsou definována pravidla komunikace (vrstvové protokoly). Architekturu vrstev modelu OSI ilustruje obr Koncový uzel 7 aplikační 6 prezentační 5 relační 4 transportní 3 síťová 2 linková 1 fyzická protokoly 3 síťová 2 linková 1 fyzická Koncový uzel 7 aplikační 6 prezentační 5 relační 4 transportní 3 síťová 2 linková 1 fyzická mezilehlý uzel Obr Sedm vrstev modelu OSI Na tomto obrázku jsou zobrazeny nejen jednotlivé prvky modelu, konkrétní vrstvy a jejich členění, ale i způsob komunikace koncových a mezilehlých systémů prostřednictvím protokolů a spolupráce sousedících vrstev. Aplikační vrstva představuje nejvyšší 7. vrstvu architektury. Při komunikaci poskytuje koncovým aplikačním procesům specifické aplikační služby a podpůrné aplikační služby. Služby jsou obvykle vázány na určitý okruh činností, například k přenosu souborů, elektronické poště, terminálovému přístupu atd. Prezentační vrstva určuje a upravuje tvar dat, v jakém jsou dostupné uživateli (abstract syntax) a jakým se přenášejí sítí (transfer syntax). Do její působnosti spadá formalizace údajových struktur, kryptografické metody a vlastní komprimace přenášených údajů. 19

21 Relační vrstva vytváří tzv. relace, tj. časové intervaly, v nichž probíhá vlastní komunikace mezi aplikačními procesy. Vrstva řídí synchronizaci přenosu, přiděluje pověření k přenosu (příznak pověření). Funkce synchronizace vytváří kontrolní body, od nichž je možno pokračovat v přenosu při poruchách. Transportní vrstva je poslední vrstvou, která řeší komunikaci koncových prvků systému. Přijímá data z relační vrstvy, rozkládá je na menší časti - pakety, potvrzuje správnost přijetí a odevzdává je síťové vrstvě. Zabezpečuje, aby se všechny části zprávy dostaly správně k příjemci a byli uspořádané ve správném pořadí. Vrstva vytváří síťová spojení, multiplexuje a demultiplexuje data mezi transportními spoji koncových procesů, sestavuje nebo ruší několik spojení současně. Síťová vrstva zabezpečuje adresování a směrování dat (paketů) v síti od zdroje k cíli přes několik mezilehlých prvků. Směrování se může vykonávat dynamicky na bázi aktuálního stavu komunikačního systému, kdy se přenosová cesta dynamicky mění při průchodu paketů jednotlivými mezilehlými prvky, tzv. datagramová služba (CNLS). V jiném případě se na začátku spojení nejprve vytvoří virtuální cesta přes mezilehlé prvky, kterou se potom v průběhu spojení přenáší pakety, tzv. spojově orientovaná služba (CONS). Linková vrstva poskytuje funkce zabezpečení spolehlivého spojení, kterou se přenášejí data po fyzických přenosových médiích mezi komunikujícími prvky. Vrstva formátuje přenášené údaje (zprávy, pakety) do datových rámců (frame) obsahujících potřebné informace pro adresování uzlů na lince zabezpečení přenosu proti chybám. Vlastností vrstvy je rozpoznávání rámců. Proto každý rámec obsahuje na začátku i na konci speciální kódy určené k synchronizaci a rozpoznání začátku rámce (Preamble). Linková vrstva variantně zabezpečuje řízení toku na lince, respektive obsluhu chybovosti, číslování rámců a opakování přenosu poškozených rámců. Rámec je tedy nejmenší ucelená jednotka a představuje fragment vysílané zprávy na úrovni nejnižší fyzické a linkové vrstvy. Fyzická vrstva umožňuje přenos jednotlivých bitů komunikačním kanálem bez ohledu na jejich význam. Zabezpečuje též synchronizaci fyzického vysílače a přijímače. Ve fyzické vrstvě jde hlavně o definici fyzických signálů používaných na reprezentaci log 0 a log 1 na konkrétním fyzickém médiu. Vrstva rovněž předepisuje požadované vlastnosti přenosového média, mechanické a elektrické charakteristiky rozhraní. V průběhu komunikace vykonává každá vrstva vlastní služby v kooperaci s navazujícími sousedními vrstvami. Každá vrstva se člení na množinu dále nedělitelných aktivních částí, tzv. entit. Entity jedné vrstvy jsou při komunikaci v přímé interakci s entitami sousedních vrstev, jejichž služby využívají. Spolupráci odpovídajících entit mezi komunikujícími vrstvami vykonávají specializované vrstvové protokoly. Kooperaci entit v sousedících vrstvách vykonávají mezivrstvové protokoly. Tedy obecně protokol je množina dohodnutých pravidel pro komunikaci mezi jednotlivými navzájem si odpovídajícími entitami uzlů sítě. Protokoly jsou tradičně přiřazovány k jednotlivým vzájemně spolupracujícím vrstvám, na jejichž úrovni probíhá vlastní komunikace prostřednictvím protokolu. Dodržení protokolu umožňuje kompatibilitu a spolupráci rozdílných prvků a prostředků sítě bez ohledu na jejich implementaci a konkrétního výrobce. 20

22 Uplatnění uvedeného sedmivrstvového členění u počítačů zapojených do sítě můžeme ilustrovat na příkladě odeslání zprávy elektronické pošty. Uživatel počítačové sítě prostřednictvím poštovního programu svého počítače předá zprávu spolu s adresou adresáta a odesílatele aplikační vrstvě síťového protokolu. Ta ji předá prezentační vrstvě, ta relační vrstvě a ta transportní vrstvě. Transportní vrstva zprávu rozdělí do paketů, které označí adresami odesílatele a příjemce. Takto vytvořené pakety se předají síťové vrstvě, která rozhodne o nejbližším počítači, kterému budou pakety odeslány tak, aby se dostaly blíže k cílovému počítači. Pakety jsou pak rozloženy na rámce a odeslány síťovou kartou ven z počítače. Na nejbližším počítači se kontroluje, jestli není cílovým počítačem. Pokud ne, je určen nejbližší počítač ve směru cílového počítače a celý proces se opakuje, dokud pakety nedojdou ke svému cíli. Transportní vrstva cílového počítače z paketů seskládá zase původní zprávu. Ta je předána relační vrstvě, odtud putuje přes prezentační vrstvu až k aplikační vrstvě, která oddělí ze zprávy přílohy a předá ji poštovnímu programu příjemce zprávy Komunikace dle pravidel IEEE Nyní se podíváme na používané varianty komunikace v počítačových sítích tak, jak byly specifikovány na úrovni fyzické a linkové vrstvy RM-OSI normalizačními organizacemi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a ANSI (American National Standardisation Institute). Standardy organizace IEEE pokrývají fyzickou vrstvu a linkovou vrstvu rozdělenou na samostatné podvrstvy: MAC a LLC. - LLC (Logical Link Control) - podvrstva řízení logického spoje - MAC (Medium Access Control) - podvrstva řízení přístupu na médium Podvrstva řízení logického spoje LLC tvoří vrchní část linkové vrstvy modelu OSI. Svým horním rozhraním komunikuje se síťovou vrstvou. Je nezávislá na fyzické interpretaci sítě a její úlohou je řízení spoje, tj. vytváření, rušení a kontrola linkových spojení mezi uzly sítě. Obsahuje též funkce, jež rozpoznávají chyby přijatých dat a řídí jejich výměnu mezi uzly sítě. Vrstva tedy řídí bezpečný přenos dat mezi dvěma uzly sítě bez jejich přímého fyzického propojení. Podvrstva LLC je nezávislá na použité přístupové metodě. Je popsána normou IEEE Podvrstva řízení přístupu na médium MAC tvoří spodní část linkové vrstvy, má společné rozhraní s fyzickou vrstvou a proto zabezpečuje hlavně ty funkce linkové vrstvy, které jsou závislé na topologii sítě a použité přístupové metodě. Tato vrstva řídí přístup na médium, určuje časový multiplex, kontroluje správnost přenášených rámců, hodnotí blokování sítě, využívání jinými účastníky apod. Vrstva inicializuje vysílání a příjem dat pro fyzickou vrstvu. Typy rámců používané v podvrstvě MAC jsou pro všechny sítě přesně definovány. Např. pro sítě Ethernet je norma IEEE 802.3, pro sítě Token Ring je norma IEEE 802.5, atd. V tabulce 2.1. jsou přehledně uvedeny jednotlivé normy IEEE 802 podle významu. Z tabulky vyplývá, že návaznost na vyšší vrstvy specifikuje norma IEEE 802.1, podvrstvu LLC zastřešuje norma IEEE 802.2, zatímco jednotlivé normy IEEE specifikují podvrstvy MAC u konkrétních sítí LAN/MAN. 21