Počítačové sítě. Studijní opory

Transkript

1 Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost PROJEKT Integrovaný systém modulární počítačové podpory výuky ekonomicko-technického zaměření CZ.1.07/2.2.00/ Počítačové sítě Studijní opory Zora Jančíková Robert Frischer Ostrava 2015

2 Recenze: Ing. David Seidl, Ph.D. Název: Autor: Počítačové sítě prof. Ing. Zora Jančíková, CSc., Ing. Robert Frischer, Ph.D. Vydání: první, 2015 Počet stran: 118 Jazyková korektura: nebyla provedena. Určeno pro projekt: Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost Název: Integrovaný systém modulární počítačové podpory výuky ekonomicko-technického zaměření Číslo: CZ.1.07/2.2.00/ Realizace: Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR Zora Jančíková, Robert Frischer Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava ISBN

3 POKYNY KE STUDIU Název předmětu Pro předmět Počítačové sítě 6. semestru studijního oboru Automatizace a počítačová technika v průmyslu jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. Prerekvizity Pro studium tohoto předmětu se nepředpokládá nutnost absolvování jakéhokoliv předešlého předmětu. Doporučením zůstávají znalosti nabyté z předmětu Počítačová technika I. Cíl předmětu a výstupy z učení Předmět se zabývá problematikou počítačových sítí LAN a WAN. Posluchači se seznámí se základními službami poskytovanými počítačovými sítěmi, se základními topologiemi a metodami přístupu k přenosovému médiu, s jednotlivými prvky síťového hardware a standardními typy současných síťových technologií. Ve cvičení je probírán síťový software Novell NetWare. Studenti se seznámí s prostředím sítě z hlediska uživatele a se základními službami, které síť Novell NetWare poskytuje. Po prostudování předmětu by měl student být schopen: výstupy znalostí: Student bude umět formulovat základní vlastnosti počítačových sítí. Student bude umět demonstrovat základní služby poskytované počítačovými sítěmi, základní síťové topologie, metody přístupu k přenosovému médiu a základní prvky síťového hardware. výstupy dovedností: Student bude umět analyzovat standardní typy současných síťových kabelových a bezdrátových technologií. Student bude schopen detailně navrhnout a propočítat IP adresy v sítích LAN. Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do bakalářského studia oborů Automatizace a počítačová technika v průmyslu studijního programu Ekonomika a řízení průmyslových systémů, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity. Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura. 3

4 Způsob komunikace s vyučujícím Student má možnost kontaktu s vyučujícím pomocí pracovního telefonu a u uvedeného v telefonním seznamu VŠB-TU, popřípadě osobně v rámci konzultačních hodin přednášejícího či cvičícího. 4

5 STRUKTURA KAPITOL Čas ke studiu Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný pro prostudování látky. Čas je orientační a může Vám sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu. Někomu se čas může zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto problematikou ještě nikdy nesetkali a naopak takoví, kteří již v tomto oboru mají bohaté zkušenosti. Cíl Ihned poté jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování této kapitoly konkrétní znalosti a dovednosti. Výklad Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení, vše doprovázeno obrázky, tabulkami, řešenými příklady, odkazy na animace. Čas k zamyšlení V rámci studia kapitol se setkáte s otázkami a problémy, které je vhodné si pro správné osvojení látky promyslet. Správná řešení navazují na položené otázky, proto nepokračujte ve čtení, dokud si vše dobře nepromyslíte. Příklad z praxe, Řešený příklad K lepšímu pochopení probírané látky využijte praktické příklady aplikace vysvětlovaných teoretických znalostí. Animace, Video Ke zvýšení názornosti studované látky doprovázejí výklad animace, k dokreslení a rozšíření znalostí pak videa. Shrnutí pojmů Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou. 5

6 Otázky otázek. Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických Použitá literatura Na úplný závěr kapitoly je uvedena použitá literatura, z které je možno čerpat další informace z dané problematiky. Klíč k řešení Na konci studijních opor naleznete klíč k řešení úloh a odpovědi na otázky. Úspěšné a příjemné studium s touto učebnicí Vám přeje autor výukového materiálu Prof. Ing. Zora Jančíková, CSc. Ing. Robert Frischer, Ph.D. 6

7 OBSAH POKYNY KE STUDIU... 3 STRUKTURA KAPITOL... 5 OBSAH POČÍTAČOVÉ SÍTĚ SÍTĚ LAN HARDWARE SÍTÍ LAN Aktivní prvky NÁVRH LOKÁLNÍ SÍTĚ A VIRTUÁLNÍ SÍTĚ STANDARDY SÍŤOVÉHO HARDWARE BEZDRÁTOVÉ SÍTOVÉ TECHNOLOGIE SÍŤOVÉ MODELY Referenční model ISO/OSI Fyzická vrstva (Physical Layer) Standardy fyzické vrstvy Kódování/Dekódování Signalizace Bandwidth Throughput Goodput L2. Linková (spojová) vrstva (Data Link Layer) Specifikace Framu Standardy vrstvy Data Link Deterministický přístup ke sdílenému médiu Nedeterministický přístup k médiu Metody přístupu pro nesdílené médium Logická vs. Fyzická topologie Topologie Point to Point Topologie Multi Access Kruhová topologie Ring Topology Frame Role hlavičky Frame - Adresace Frame - Trailer Frame Protokoly Data Link vrstvy Ethernet Frame Point to Point Frame WiFi Frame Síťová vrstva (Network Layer) Adresování Zapouzdření (Encapsulation)

8 7.3.3 Routing De-encapsulation Connectionless service (bez spojově orientovaná služba) Definice Best Effort Mediální nezávislost Zapouzdření L4 PDU Hlavička IP paketu IP adresy Převod ze soustav Router směrování paketů ARP request L4. Transportní vrstva (Transport Layer) L5. Relační vrstva (Session Layer) L6. Prezentační vrstva (Presentation Layer) L7. Aplikační vrstva (Application Layer) Model TCP/IP REJSTŘÍK

9 1 POČÍTAČOVÉ SÍTĚ Čas ke studiu 3 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět: definovat základní pojmy používané v počítačových sítích Výklad Zpracování dat bylo do konce 60. let soustředěno do centralizovaných počítačových systémů. Počítač se skládal z centrální jednotky, operační paměti a externích zařízení, např. externí paměti a čtečky děrných štítků. Zpracování dat probíhalo po dávkách (Batch Processing). Dávka dat, určená např. balíkem seřazených děrných štítků se vstupními daty, byla omezená velikostí operační paměti tehdejších počítačů. S pokračujícím technickým rozvojem došlo v 80. letech ke zvýšení výkonnosti a miniaturizaci procesorů a současně i k rozvoji víceprocesorových systémů. Kooperace malého množství procesorů byla výhodná, avšak při zvětšování množství procesorů spolupracujících nad společnou operační pamětí bylo zvětšování rozsahu propojovací sítě a koordinačních činností tak progresivní, že očekávaného zvýšení výkonnosti nebylo možné dále dosáhnout. Při koncepci výkonných centrálních počítačů se muselo u počítače střídat mnoho uživatelů, kteří se dělili o drahý strojový čas střediskového počítače. Víceprocesorový systém byl také citlivější na poruchy. Multiprocesorové systémy našly uplatnění při realizaci speciálních algoritmů, ale ne v univerzálních počítačích. Další pokles ceny hardware vedl k vývoji distribuovaných počítačových systémů založených na osobních počítačích, spojených do sítě. Počítačovou sítí se rozumí propojení a vzájemná spolupráce několika počítačů mezi sebou. Díky tomuto propojení je umožněno interaktivní přenášení informací mezi těmito počítači. Důvody zavádění počítačových sítí: Nejvýznamnějším důvodem zavedení počítačové sítě je možnost sdílení dat. Datové soubory, které mají být přístupny všem uživatelům sítě jsou umístěny na určitém konkrétním počítači v síti - serveru a ostatní počítače k nim mají přístup prostřednictvím sítě. Tyto datové soubory lze tedy zpracovávat na více počítačích současně. Dalším důvodem je možnost sdílení prostředků. Pracovní stanice tedy může využívat prostředky, které jsou nabízeny servery. Nejčastěji se jedná o diskové jednotky a tiskárny, ale sdílet je možné i jiné prostředky například modem. Je zřejmé, že sdílením prostředků je možno dosáhnout značného snížení finančních nákladů. Vlastní pracovní stanice v krajním případě nemusí být vybavena žádným diskovým zařízením, pak se i operační systém zavádí ze 9

10 serveru. Tím, že existuje možnost sdílet v síti jednotlivé prostředky, je snadno realizovatelný účinný systém jejich zálohování, což vede ke zvýšení spolehlivosti celého systému. Klasifikace sítí Jednotlivé počítače se v počítačových sítích nazývají stanice. Stanice lze rozdělit na : Pracovní stanici (Workstation - WS) Jedná se o PC běžného uživatele sítě. Zde probíhá vlastní běh uživatelských programů jako na zcela běžném PC, zásadní rozdíl spočívá v možnosti používat navíc služeb sítě. Obslužnou stanici (Server) Jedná se zpravidla o výkonný počítač s velkou kapacitou paměti. Server poskytuje klientům, tj. připojeným pracovním stanicím nebo jen terminálovým stanicím služby, jako např. programy, data, paměť a výpočetní výkon. Hlavní úlohou serveru je umožnit klientům přístup ke zdrojům. Uložení důležitých dat na serveru zlepšuje zabezpečení dat. Jedná-li se o počítač zcela vyhrazený pro zajišťování služeb sítě (Dedicated server), nemůžeme jej používat jako pracovní stanici. Možná je i varianta, kdy software pro řízení sítě běží na serveru na pozadí a na tomto PC je pak možno spouštět uživatelské aplikace (Nondedicated server). Tato varianta je však používána jen zřídka pro velmi malé sítě. Nevýhodou je snížení výkonu serveru a nestabilita sítě (uživatelský program zpracovávaný na serveru může nekorektním chováním narušit běh síťového operačního systému). Z pozice serveru je možno nastavit přístupová práva jednotlivých klientů k jednotlivým databázím i programům. Při přihlášení klienta server zjišťuje, zda má klient, např. k požadované databázi, povolen čtenářský přístup, nebo zapisovatelský přístup pro zadávání dat, nebo správcovský přístup pro jakoukoliv změnu. Úlohy, které musí servery v sítích řešit, jsou často velmi náročné a vyžadují specializované vybavení. Ve větších sítích jsou někdy rozděleny služby na více specializovaných serverů: Souborový server (File-Server) uchovává rozsáhlé soubory, a to programy, data nebo celé databázové systémy, z kterých mohou klienti čerpat informace nebo je v rámci svých přístupových práv doplňovat. Centrální uložení dat zvyšuje jejich bezpečnost. Tiskový server (Print-Server) zpřístupňuje klientům síťovou tiskárnu. Tiskový server přijímá požadavky na tisk a spravuje je, tj. plní tyto požadavky postupně tak, že shromažďuje potřebná data a provádí požadovaný tisk. Komunikační server (Communication server) řídí vysílání a příjem zpráv uvnitř sítě a také komunikační spojení s jinými sítěmi. Databázový server (Database server) server, na kterém jsou v síti zpracovávány databázové aplikace. Boot server umožňuje tzv. vzdálené zavádění operačního systému (Remote boot) na pracovní stanice sítě. různých kritérií. Pro základní orientaci v problematice je nutné seznámit se s dělením počítačových sítí dle 10

11 lokální počítačové sítě, tzv. sítě LAN (Local Area Network) O lokální počítačové síti mluvíme tehdy, je-li počítačová síť prostorově ohraničena. Jedná se zpravidla o stanice vzdálené maximálně stovky metrů až kilometrů. Tyto sítě propojují počítače rozmístěné v jedné místnosti, v jedné budově, resp. ve skupině blízkých budov v rámci např. jedné organizace (např. počítačová síť obchodní společnosti). globální počítačové sítě, tzv. sítě WAN (Wide Area Network) U těchto sítí se používají prostředky pro dálkový přenos dat a vzdálenost mezi počítači je neomezená. Takové sítě mohou propojovat počítače na území města (MAN Metropolitan Area Network), na území celého státu (CESNET), kontinentu (GÉANT), existují i sítě celosvětového rozsahu (INTERNET). Z hlediska druhů propojených počítačů lze sítě dělit na: homogenní počítačové sítě zde jsou všechny propojené počítače stejného druhu. Např. pouze počítače standartu IBM PC nebo pouze minipočítače VAX. heterogenní počítačové sítě zde jsou propojeny počítače různých druhů bez omezení. Např. jsou propojeny personální počítače, minipočítače a velké sálové počítače. Podle rychlosti přenosu informací sítě dělíme na: klasické (např. Ethernet, Token Ring, ARCNet) vysokorychlostní s rychlostmi nad 100 Mb/s (např. Fast Ehernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, FDDI, ATM) Z aplikačního hlediska dělíme sítě na: počítačové sítě v informačních systémech (PSIS) slouží pro vzájemné propojení různých počítačových systémů v rámci informačního systému dané organizace a poskytují podpůrné aplikační služby pro informační systém. počítačové sítě v průmyslových aplikacích (PSPA) slouží pro řízení výroby, technologických procesů, k propojení regulátorů, měřicích ústředen, manipulátorů, robotů s operátorskými stanicemi a vyšším informačním systémem. Základní součásti sítě Základními součástmi sítě jsou: hardware sítě 11

12 zahrnuje v širším slova smyslu veškeré servery, pracovní stanice, tiskárny apod. V užším slova smyslu pojmem hardware sítě rozumíme technické prostředky zabezpečující vlastní fyzické propojení jednotlivých počítačů. Jsou to síťové karty instalované v jednotlivých počítačích, které realizují přenosy dat z počítače na spojovací vedení a naopak. Tyto síťové karty jsou mezi sebou propojeny spojovacím vedením, a to buď drátovým vedením (kroucená dvojlinka, koaxiální kabel, optický kabel) nebo bezdrátovým (rádiové spoje, infračervený spoj, laserový spoj, spoj pomocí družic apod.) software sítě je programové vybavení, které v součinnosti se síťovým hardware realizuje funkce sítě. organizační zajištění činnosti v síti patří sem např. zajištění funkce správce, tzn. stanovení jednoho nebo skupiny pracovníků, kteří se starají o chod a řízení sítě. Shrnutí pojmů Tiskový server, Datový server, Komunikační server, Databázový server, Souborový server 12

13 2 SÍTĚ LAN Čas ke studiu 3 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět: definovat základní služby definované v počítačových sítích definovat jednotlivé typy topologií definovat metody přístupu k médiu Výklad Sítěmi LAN jsou v současné době nejčastěji označovány lokální homogenní sítě vystavěné na bázi personálních počítačů. Jedná se o prostorově ohraničené počítačové sítě (zpravidla jsou počítače od sebe vzdálené stovky metrů až kilometrů). Koncepce uložení dat v síti Lokální sítě je možno dělit podle vzájemného vztahu mezi počítači v síti (neboli podle způsobu uchování dat) na sítě typu: Client-to-server Jedná se o sítě podporující centralizované uchovávání dat na serveru. Na pracovních stanicích se pak provádí pouze zpracování dat. Z této koncepce plynou mnohé výhody. V prvé řadě se jedná o výrazně jednodušší správu dat centralizovaných na serveru. Dále pokud uživatel má na serveru umístěna i svá privátní data, může pracovat bez omezení z jakékoliv stanice v síti. Závada na serveru u tohoto typu sítě znamená pak ovšem ochromení činnosti celé sítě. Obrázek 1 Síť typu Client-to server 13

14 Peer-to-peer Jedná se o sítě, kde data jsou uložena na všech stanicích, žádná z nich neuchovává významně více dat než ostatní. V těchto sítích tedy nemá žádný z počítačů úlohu správce sítě. Každý uživatel sítě spravuje svůj počítač a rozhoduje sám o tom, která data či služby zpřístupní ostatním účastníkům. O zabezpečení dat se musí starat každý sám. Protože nejsou centrálně stanovena žádná přístupová práva, není ani stanoveno zabezpečení dat. Obrázek 2 Síť typu Peer-to peer V praxi se zcela vyhraněné varianty zpravidla nevyskytují, obvykle se jedná o jistý kompromis. Jen nejnutnější část uživatelského software je na vlastní pracovní stanici a na serveru je umístěna největší část software a privátní data uživatelů. Z toho plynou výhody možnosti pracovat z jakékoliv stanice se svými privátními daty a přes množství nabízeného uživatelského software nízké nároky na diskovou kapacitu pracovní stanice. Služby poskytované sítí V sítích LAN bývá k dispozici řada služeb, které budou nyní blíže popsány: předávání zpráv a přenosy souborů umožňuje přenos zpráv (souborů) libovolnému aktivnímu uživateli sítě nebo skupině uživatelů. Elektronická pošta umožňuje zasílání textové zprávy či souborů libovolnému i nepřihlášenému uživateli nebo skupině uživatelů. Každý uživatel, kterému je správcem sítě přiřazeno jedinečné uživatelské jméno má na serveru zřízenou tzv. poštovní schránku (mail box) do které se mu ukládají zprávy přicházející i v jeho nepřítomnosti. konverzace mezi uživateli sítě umožňuje organizovat v síti jistou formu bezprostřední vzájemné komunikace pro několik jejích uživatelů (tzv. konferenci, chat), kdy jsou průběžně v daném programu zobrazovány dotazy a odpovědi všech zúčastněných. Vyšší formou komunikace mezi uživateli sítě je tzv. videokonference, kdy se jednotliví zúčastnění mohou vzájemně vidět a slyšet. sdílení souborů okamžiku. umožňuje přístup více uživatelům k jedněm a týmž souborům, a to i ve stejném časovém tisk na sdílených tiskárnách umožňuje vybavit tiskárnami jen část stanic v síti a přitom zajistit možnost tisku všem uživatelům, tzn. dosáhnout ekonomických úspor. Pro realizaci síťového tisku se používá techniky tzv. tiskových front. vzdálené zavádění operačního systému 14

15 díky této službě je možné provozovat v síti i stanice, které nemají žádné diskové zařízení. Operační systém se zavádí do stanice ze serveru (Remote boot). ochrana dat proti náhodnému zničení je zabezpečena neustále automaticky udržovanými kopiemi důležitých systémových struktur diskových jednotek serveru, dále možností definovat diskové jednotky, které jsou neustále věrným duplikátem svých originálů. Nezbytným prostředkem proti náhodnému zničení dat je zdroj nepřetržitého napájení (UPS). Ochrana dat mezi jednotlivými uživateli je zabezpečena přístupovými právy uživatelů k souborům. Přidělování práv provádí privilegovaný uživatel - správce sítě. účtování služeb sítě umožňuje u komerčně využívaných sítí vypočítávat poplatky za využívání sítě s proměnnými sazbami závisejícími na vykonané činnosti, na dnu v týdnu a na denní hodině apod. spojení s jinými sítěmi umožňuje stanicím jedné sítě využívat služeb serveru sítě jiné a dokonce propojení sítí, ve kterých jsou stanice užívající různé operační systémy. Topologie počítačových sítí Topologie sítě charakterizuje způsob, jakým jsou mezi sebou propojeny jednotlivé stanice. Je určena použitým síťovým hardwarovým standardem. Všechny návrhy sítě vycházejí ze tří základních topologií: sběrnicová topologie (bus) hvězdicová topologie (star) prstencová (kruhová) topologie (ring) Pokud jsou počítače zapojeny v řadě za sebou podél jediného kabelu (segmentu), nazývá se tato topologie sběrnicová. Pokud jsou počítače zapojeny ke kabelovým segmentům, které vycházejí z jediného bodu (např. rozbočovače), nazývá se tato topologie hvězdicová. Pokud jsou počítače zapojeny ke kabelu, který tvoří smyčku, nazývá se tato topologie prstencová. Zatímco tyto tři základní topologie jsou samy o sobě jednoduché, v praxi používané varianty často kombinují vlastnosti více než jedné topologie a mohou být složité. Sběrnicová topologie Jde o nejjednodušší a nejčastější způsob zapojení počítačů do sítě. Skládá se z jediného kabelu nazývaného hlavní kabel (také páteř nebo segment), který v jedné řadě propojuje všechny počítače v síti. 15

16 Obrázek 3 Sběrnicová topologie počítačové sítě Komunikace ve sběrnicové topologii Počítače v síti se sběrnicovou topologií komunikují tak, že adresují data konkrétnímu počítači a posílají tato data po kabelu ve formě elektrických signálů. Data jsou posílána všem počítačům v síti, nicméně informaci přijme pouze ten počítač, jehož adresa odpovídá adrese zakódované v počátečním signálu. Protože ve sběrnicové síti může v daném okamžiku data posílat vždy pouze jeden počítač, závisí výkon sítě na počtu počítačů připojených ke sběrnici. Čím více počítačů je ke sběrnici připojených, tím více počítačů bude čekat, aby mohly poslat data po sběrnici, a tím bude síť pomalejší. Velikost zpomalení sítě nesouvisí pouze s počtem počítačů v síti. Závisí na mnoha dalších faktorech, jako je hardwarové vybavení počítačů v síti, druhu aplikací používaných v síti, typu používaných kabelů, vzdálenost mezi počítači atd. Sběrnicová topologie je pasivní topologií. Počítače ve sběrnicové síti pouze poslouchají, zda jsou v síti posílána nějaká data. Neodpovídají za přesun dat z jednoho počítače na druhý. Pokud jeden počítač selže, neovlivní to zbytek sítě. V aktivní topologii počítače obnovují signály a přesunují data dále po síti. Protože data neboli elektrický signál, jsou posílána po celé síti, cestují z jednoho konce kabelu na druhý. Kdyby mohl signál pokračovat bez přerušení, neustále by se vracel tam a zpět podél kabelu a zabránil by tak ostatním počítačům v odesílání jejich signálů. Proto je potřeba signál, který měl možnost dosáhnout cílové adresy, zastavit. Aby se zastavilo vracení signálu, umístí se na oba konce kabelu terminátor, který pohlcuje volné signály. Pohlcování vyčistí kabel tak, aby mohly data posílat i další počítače. Všechny konce kabelu v síti musí být do něčeho zapojeny. Konec kabelu může být například zapojen do počítače nebo do konektoru dalšího kabelu. Jakýkoliv volný konec kabelu (konec, který není do ničeho zapojen) musí být zakončen tak, aby se předcházelo vracení signálu. V případě, že je kabel fyzicky rozříznut na dvě části nebo se jeden konec odpojí, dojde k přerušení kabelu. V každém případě nebude mít jeden nebo více konců terminátor a signál se bude vracet. Následkem toho se přeruší činnost v síti. Tehdy se říká, že síť "spadla". Rozšíření sítě LAN S růstem plochy, na které je síť umístěna, musí růst i samostatná síť LAN. Kabely ve sběrnicové topologii je možné prodlužovat jedním ze dvou následujících způsobů: pomocí dílu zvaného I-konektor je možné spojit dva kabely a získat tak delší kabel. Tyto konektory však zeslabují signál a měly by se používat pouze v omezeném počtu. Je mnohem lepší koupit jeden souvislý delší kabel než 16

17 spojovat několik menších pomocí konektorů. Ve skutečnosti může použití příliš mnoha konektorů zabránit správnému příjmu signálu. pomocí opakovače opakovač (Repeater) zesiluje a obnovuje procházející signál, je lepší než konektor protože umožňuje přenášení signálu na větší vzdálenosti (viz. kap. 3) Hvězdicová topologie (strom) Ve hvězdicové topologii jsou počítače propojeny pomocí kabelových segmentů k centrálnímu prvku sítě (např. rozbočovač, přepínač - viz. kap. 3). Signály se přenáší z vysílacího počítače přes rozbočovač do všech počítačů v síti. Rozbočovač je pouhý opakovač, který předává vysílaný signál z jedné stanice ostatním stanicím stejně jako sběrnice. V případě inteligentního uzlu (přepínače) přebírá uzel požadavky na spojení a řeší je podobně jako ústředna se spojovacím polem. Obrázek 4 Hvězdicová topologie počítačové sítě Hvězdicová topologie nabízí centralizované zdroje a správu. Protože jsou však všechny počítače připojeny k centrálnímu bodu, vyžaduje tato topologie při instalaci velké sítě velké množství kabelů. Pokud ve hvězdicové síti selže jeden počítač nebo kabel, který ho připojuje k rozbočovači, pouze tento nefunkční počítač nebude moci posílat nebo přijímat data ze sítě. Zbývající část sítě bude i nadále fungovat normálně. Selže-li však centrální bod, přestane fungovat celá síť. Rozšíření sítě je jednoduché. Lokalizace chyby je rovněž jednoduchá. Větší spotřeba kabelů a nutnost použít rozbočovače (přepínače) není při nízké ceně těchto prvků podstatná. Prstencová topologie (kruh) Prstencová topologie propojuje počítače pomocí kabelu v jediném okruhu. Neexistují žádné zakončené konce. Signál postupuje po smyčce v jednom směru a prochází všemi počítači. Na rozdíl od pasivní sběrnicové topologie funguje každý počítač jako opakovač, tzn., že zesiluje signál a posílá ho do dalšího počítače. Protože signál prochází všemi počítači, může mít selhání jednoho počítače dopad na celou síť. Proto se počítače nepřipojují na sít' přímo, ale přes přemosťovací jednotky MAU, které 17

18 poznají, že je stanice odpojena nebo vypnuta. Obvykle se do kruhu zapojují tyto jednotky a stanice se k nim připojují jako ke středu hvězdy. V kruhové síti jsou počítače připojeny (k síťovým kartám rozhraní) na pozicích uspořádaných v kruhu a mají přiděleny své logické pozice v určitém pořadí tak, že za poslední stanicí v řadě následuje první. V kruhových sítích se používá deterministického přístupu k síti pomocí cyklicky předávaného Tokenu (známky, práva k vysílání), což je zvláštní datový rámec nesoucí s sebou právo přístupu k síti (viz. Metody přístupu k přenosovému médiu). Přenos dat probíhá v dalších rámcích za Tokenem po kruhu v jednom směru. Jeden z počítačů je zodpovědný za řízení sítě a při jeho nečinnosti přebírá řízení náhradní řídicí stanice. Zpráva, resp. soubor zpráv kolující po kruhové síti je v každé síťové kartě zpracován. Každá stanice si odebere jí adresované zprávy a přidá zprávy pro ostatní. Při výpadku síťové karty nebo poruše vedení je činnost sítě přerušena. Při nečinnosti stanice prochází data síťovou kartou přímo jako vedením. U sítí IBM Token Ring je kabel kvůli bezpečnosti zdvojován. Bezpečnost kruhové sítě lze zvýšit i tak, že se počítače nepřipojují na sít' přímo, ale přes přemosťovací jednotky MAU (Multistation Access Unit). Obvykle se do kruhu zapojují tyto jednotky a stanice se k nim připojují jako ke středu hvězdy (obr. 5). Při poruše jedné části této hvězdy (síťové karty nebo vedení) jsou vedení (příchozí i odchozí) nefunkční části propojena přímo a nefunkční část sítě je tak vyřazena. Obrázek 5 Kruhová (prstencová) topologie počítačové sítě Varianty hlavních topologií Dnes se v praxi používají různé topologie, které kombinují sběrnicovou, hvězdicovou a prstencovou topologii a dále topologie, které zajišťují redundantní spoje. Hvězdicově sběrnicová topologie Jedná se o kombinaci hvězdicové a sběrnicové topologie. Ve hvězdicově sběrnicové topologii je několik hvězdicových sítí navzájem propojených pomocí lineárně sběrnicových kabelů. Pokud selže jeden počítač, neovlivní to zbytek sítě. Další počítače budou i nadále schopny komunikovat. Pokud selže některý rozbočovač, žádný počítač na tomto rozbočovači nebude schopen 18

19 komunikovat. Pokud bude tento rozbočovač připojen k dalším rozbočovačům, selžou i tato spojení. Hvězdicově prstencová topologie Hvězdicově prstencová topologie (hvězda zapojená do kruhu) je podobná hvězdicově sběrnicové. Jak hvězdicově prstencová, tak hvězdicově sběrnicová topologie jsou soustředěny do rozbočovače, který obsahuje skutečný prstenec nebo sběrnici. Rozbočovače ve hvězdicově sběrnicové topologii jsou propojeny pomocí lineární sběrnice, zatímco rozbočovače ve hvězdicově prstencové topologii jsou hlavním rozbočovačem zapojeny do tvaru hvězdy. Mesh topologie Síťová topologie, ve které je většina síťových zařízení propojena navzájem. Vícenásobné redundantní spoje zajišťují vysokou míru spolehlivosti síťového spojení. Při tzv. full mesh topologii jsou stylem každý s každým propojena všechna zařízení. Tato topologie poskytuje vysokou míru spolehlivosti, ale pro svoji vysokou implementační cenu se používá jen ve zvláštních případech na síťové páteře. Výhody a nevýhody jednotlivých topologií sítí Souhrn poznatků je uveden v následujícím přehledu: Sběrnicová ekonomické využití kabelu, média nejsou drahá a snadno se s nimi pracuje, jednoduchá a spolehlivá, snadno se rozšiřuje, síť může při velkém provozu zpomalit, problémy se obtížně izolují, porušení kabelu může ovlivnit mnoho uživatelů. Hvězdicová snadná modifikace a přidávání nových počítačů, centrální monitorování a správa, selhání jednoho počítače neovlivní zbytek sítě, pokud selže centrální prvek, selže celá síť. Prstencová rovnocenný přístup pro všechny počítače, vyvážený výkon i při velkém počtu uživatelů, selhání jednoho počítače může mít dopad na zbytek sítě, problémy se obtížně izolují, rekonfigurace sítě přeruší její provoz. 19

20 Metody přístupu k přenosovému médiu Metody přístupu k přenosovému médiu lze rozdělit na deterministické a nedeterministické. Deterministické metody zaručují při bezporuchovém provozu vysílání zprávy do ukončení určitého časového limitu od okamžiku vzniku požadavku na přenos tzv. Token (Token ring, Token bus). (CSMA/CD). Nedeterministické metody dodržení tohoto časového limitu na vysílání zprávy nezaručují Obrázek 6 Schéma řízení přístupu stanic k síti CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection: mnohonásobný přístup s detekcí nosné a detekcí kolize) - metoda náhodného přístupu (IEEE 802.3) Stanice, která chce vysílat, zkontroluje, zda právě někdo vysílá. Jakmile se síť uvolní, začne nejdříve po 9,6 ps vysílat (mezirámcová mezera). Může se však stát, že současně začne vysílat i jiný počítač. Pokud dojde ke kolizi, přestanou vysílat obě stanice a za chvíli to zkusí znovu. Stanice, která zjistí kolizi, přeruší vysílání a vyšle na sběrnici signál JAM (jam = rušení) délky 32 bitů. Po zjištění tohoto signálu přeruší všechny vysílající stanice své vysílání. Doba odmlky je volena pseudonáhodně tak, aby se nestalo, že by obě stanice začaly zase vysílat ve stejný okamžik. Odmlka je také větší, jestliže je kolize již vícekrát opakovaná. Jestliže paket není odeslán ani po 16 pokusech, je hlášena chyba. Blokové schéma na obr. 7 ukazuje činnost algoritmu pro přístup stanice na sběrnici podle metody CSMA/CD. Výhodou této metody je jednoduchost a tedy vyšší rychlost při nižším zatížení sítě. Při velkém zatížení sítě se však kolize množí a může dojít k zahlcení (požadavky se začnou hromadit a pokaždé, kdy stanice začne vysílat, dojde ke kolizi). To může být nepřípustné pro některé časově kritické aplikace (video, zvuk, řízení procesů v reálném čase). Tato metoda se používá např. u standardu Ethernet (viz. kap. 4). Kolizní doména je část sítě, ve které dochází ke kolizím. Kolize se přenášejí i do dalších částí sítě, proto je nutné v některých místech šíření kolizí zabránit (implementací aktivních prvků pracujících na 2. vrstvě modelu OSI viz. kap. 5). Tím se sít' rozčlení na kolizní domény. V jedné doméně by nemělo být příliš mnoho počítačů. 20

21 Obrázek 7 Přístup na sběrnici typu CSMA/CD Token Ring (IEEE 802.5) Síť má kruhovou topologii. Přenos dat se uskutečňuje po kruhu v jednom směru. Stanice si mezi sebou předávají po kruhu Token (známka, právo k vysílání), což je zvláštní rámec - frame (obr. 8) nesoucí právo přístupu k síti. Token se posílá z jednoho počítače na druhý, dokud se nedostane do počítače, který má data k odeslání. Každá karta v kruhu zároveň signál zesiluje a tvaruje, působí tedy jako opakovač. Neprobíhá-li v síti Token Ring žádná výměna dat, krouží volný Token po kruhové síti stále v jednom směru. Volný Token je tvořen speciální bitovou sekvencí dlouhou tři byty (obr. 8) s tímto významem: Obrázek 8 Token 21

22 První byte SD (Start Delimiter) je úvodní omezovač označující začátek Tokenu. Podle struktury (0 na pozicích b0, b1, b2, b5) stanice poznají, že se jedná o Token. Druhý byte AC (Access Controll) je pole řízení přístupu na médium; je-li AC = 0, je Token volný a je-li AC = 1, je Token obsazený. Třetí byte ED (Ending Delimiter) je koncový omezovač (1 na pozicích b1, b2, b5). Obrázek 9 Volný Token v síti Token-Ring Na obr. 9 je zobrazena síť Token-Ring se 4 stanicemi připojenými přes síťové adaptéry. Síťový adaptér (síťová karta) má oddělený přijímač a vysílač. Při požadavku vysílání zprávy ze stanice B do stanice D, čeká stanice B, až přijme volný Token. Pak začlení do rámce Tokenu zprávu, změní AC na AC = 1 a celý datový rámec odeš1e. Celý datový rámec může obsahovat 11 B až 16 B dat a jeho struktura je na obr. 10. Za byty SD, AC Tokenu následuje identifikátor typu rámce FC (Frame Control). Následují cílová adresa a zdrojová adresa nastavené na síťových adaptérech stanic. V poli dat je uvedena též směrovací informace. Za daty je kontrolní pole délky 4 B pro zabezpečení dat hodnotou CRC. Následuje koncový omezovač Tokenu ED a status rámce FS (Frame Status), který informuje, jak byl rámec přijat cílovou stanicí. Obrázek 10 Datový rámec v síti Token-Ring 22

23 Obrázek 11 Stanice C předá nezměněný rámec dále Obrázek 12 Stanice D zkopíruje datový paket (vlevo). Stanice B přijme celý rámec, ale pošle dále jen volný Token (vpravo). Rámec s daty je předáván po kruhu ze stanice na stanici a každá stanice zjišťuje, zda jsou data adresována pro ni. Nejsou-li data adresována aktivní stanicí (obr. 11), je celý rámec poslán beze změny k další stanici. Adresovaná stanice rozpozná, že je zpráva určena pro ni, zkopíruje si ji do paměti, potvrdí její přijetí v bytu FS a pošle zprávu dál (obr. 12). Další stanice rozpozná přečtenou zprávu, neposílá ji dál a pošle dál případně jen samotný volný Token (obr. 13). Pokud však chce stanice vysílat, může sestavit nový rámec a ten vyslat, protože má právě Token, tedy oprávnění k vysílání. Popsaná síť Token-Ring je síť s jediným předávaným rámcem (Single-Frame-Ring). Volný Token je vygenerován teprve po akceptování dat, posílaných v jediném rámci. Jsou-li posílány jen krátké zprávy, nebo se jedná o rozsáhlé sítě s velkou přenosovou rychlostí, není síť Token-Ring efektivně využívána. Stanice s potřebou vysílání jsou nuceně nečinné, i když síť není vytížena přenosem zpráv. Metoda ETR (Early Token Release), tzv. metoda předčasně uvolněného Tokenu, využívá efektivněji původní přístupovou metodu Token-Ring. Po přeměně volného Tokenu na datový rámec s obsazeným Tokenem vytvoří stanice po krátké prodlevě nový Token, tzv. předčasný Token, nazývaný Early-Token. V kruhu je tedy přenášeno více datových rámců současně. V kruhu však obíhá jen jediný volný Token, ostatní rámce si nesou obsazený Token. Mohou nastat dva limitní případy. 23

24 Bud žádná stanice nepožaduje vysílání a v kruhu putuje jediný volný Token, nebo je v jednom úseku kruhu volný Token a ve všech ostatních úsecích probíhá mezi sousedními stanicemi přenos datových rámců. Počítačová síť Token-Ring je řízena jedním z připojených počítačů. Tento počítač je monitorovací stanicí sítě. Úlohou monitoru je rozpoznávání a odstraňování chyb v síti. Monitorovací stanice označuje všechny zprávy. Pozná-li monitor, že zpráva nebyla žádnou stanicí přijata, odstraní zprávu a pošle dál volný Token.. Tato metoda se používá u standardu IBM Token Ring (viz. kap. 4). Token Bus (IEEE 802.4) Tato metoda je variantou metody předchozí. Rozdíl spočívá v tom, že je určena pro sítě s jinou než kruhovou topologií, tzn. je používána pro topologie sběrnice a hvězda (obr. 14). U sítě Token Bus jsou všechny stanice připojeny na jednu sběrnici. Právo přístupu na sběrnici si stanice předávají pomocí s Tokenu stejně jako v síti Token-Ring. Stanice mají adresy (adresy MAC viz. kap. 3), které jsou seřazeny do logického kruhu, po kterém je Token cyklicky předáván, vždy na logicky sousední stanici v určitém směru. Při startu sítě vygeneruje stanice s nejvyšší adresou Token a síť je tím inicializována. Pokud stanice generující Token nechce vysílat data, pošle volný Token na logicky následující stanici. Stanice může po přijetí Tokenu vyslat na sběrnici datový rámec. Nemá-li data k vysílání, odešle dál samotný Token. Nemá-li žádná stanice data k vysílání, koluje mezi stanicemi jen samotný Token. Vzájemná geometrická poloha přípojek účastníků na sběrnici není pro funkci sítě rozhodující. Rozhodující jsou adresy těchto připojených míst. Při začlenění nové adresy nebo odebrání (stanice z kruhu) proběhne nová inicializace kruhu spojená s vyhledáním všech adres a jejich seřazením do logického kruhu. Tato metoda se používá u standardu ARCnet (viz. kap. 4). Obrázek 13 Síť Token Bus Srovnání metod přístupu k přenosovému médiu Metody Token Ring a Token Bus jsou výhodné pro technologické a průmyslové aplikace zejména pro svoji deterministickou přístupovou metodu, která zaručuje čas odezvy pod 20 ms. Tyto metody jsou bezkolizní, bohužel ale i u stanice, která nic nehodlá vysílat, zůstane právo stejně dlouho 24

25 jako u ostatních. A naopak stanice, která toho chce vysílat hodně, si právo nemůže déle podržet. Přenos je tedy synchronizován, naopak metoda CSMA/CD je asynchronní. Metody Token Ring a Token Bus jsou složitější než metoda CSMA/CD, a proto pomalejší. To se projeví především při nižším zatížení sítě, tehdy to však tak nevadí. Při vyšším zatížení mají tyto metody výhodu, že nemají sklon k zahlcení. Shrnutí pojmů Služby, Topolog ie,metody přístupu, Bus topology, Token Ring, Star topology 25

26 3 HARDWARE SÍTÍ LAN Čas ke studiu 6 hodin Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět: definovat základní typy síťového hardware definovat základní typy spojovacího vedení definovat aktivní prvky Výklad Hardware sítí představuje technické prostředky zabezpečující vlastní fyzické propojení jednotlivých počítačů. Jedná se o následující: síťové karty spojovací vedení aktivní prvky Síťové karty Síťové karty fungují jako fyzické rozhraní mezi počítačem a síťovým kabelem. Karty se instalují do rozšiřujícího slotu každého počítače a serveru v síti. Často se lze setkat se zkratkou NIC z anglického Network Interface Card. Obrázek 14 Síťové karty ve formě standardní zásuvné desky a ve formě adaptéru PCMCIA (notebooky) 26

27 Úkolem síťové karty je: připravovat data z počítače pro síťový kabel posílat data do jiného počítače kontrolovat tok dat mezi počítačem a kabelovým systémem. Síťová karta obsahuje hardware a firmware (softwarové rutiny uložené v permanentní paměti), který provádí funkce řízení logického spoje a řízení přístupu na média ve spojové vrstvě modelu OSI ( viz. kap. 5). U síťové karty je důležité, pro který standard síťového hardware je určena (ARCnet, Ethernet, IBM Token Ring, FDDI apod.). Všechny stanice propojené do sítě jedním segmentem musí být vybaveny síťovým hardwarem stejného standardu, jednotlivé segmenty se však již mohou hardwarovým standardem lišit. Např. s lokálními počítači je server spojen standardem Ethernet, s ostatními servery může být propojen rychlým páteřním vedením ve standardu FDDI. Dalším důležitým parametrem síťové karty je typ sběrnice matiční desky počítače, pro kterou je karta určena (ISA, EISA, PCI). Kromě standardních desek zasouvaných do některého slotu na základní desce počítače mohou mít síťové karty podobu adaptérů PCMCIA, které mají velikost kreditní karty a slouží k připojování notebooků do sítě. Důležité je také osazení síťové karty konektory. Většina karet má konektor pro připojení tlustého Ethernet kabelu (AUI). Ten se však již nepoužívá, proto je důležité, které další konektory se na desce nacházejí. Obvykle je to BNC konektor pro tenký koaxiální kabel Ethernet nebo konektor RJ- 45 pro kroucenou dvojlinku. Někdy se kombinují oba konektory, v tom případě se toto osazení nazývá Combo. Pro připojení optických kabelů se používají konektory typu SC, konektory typu MIC a bajonetové ST konektory. Síťové karty, které mají konektor pro připojení optického kabelu, jsou cenově dražší (málo se vyrábí), proto se pro připojení optického kabelu často používají levnější síťové karty bez konektoru pro optický kabel. Pro připojení optického kabelu se používá tzv. transceiver, což je zařízení, které se zapojuje do zdířky AUI na síťové kartě. Na druhém konci má konektor BNC, RJ45 nebo ST. Používá se tehdy, jestliže je nutné připojit kartu ke konektoru, který sama nepodporuje (viz. kap. Aktivní prvky). 27

28 Příprava dat Obrázek 15 Schéma síťové karty Síťovým kabelem musí data procházet v jediném toku bitů. Síťová karta vezme data přenášená paralelně jako skupinu a přestaví je tak, aby procházela přes jednobitovou sériovou cestu v síťovém kabelu. Toho se dosáhne převedením digitálních signálů počítače na elektrické a optické signály, které mohou být přenášeny síťovými kabely. Posílání a kontrola dat Předtím než síťová karta data skutečně pošle po síti, provede elektronický dialog s přijímací kartou, aby se obě karty dohodly na následujícím: maximální velikost skupin dat, které budou posílány množství dat, které bude odesláno před potvrzením časové intervaly mezi odesíláním potvrzení kolik dat mohou obě karty pojmout, než dojde k přeplnění rychlost přenosu dat. Pokud musí komunikovat novější, rychlejší a vyspělejší karta se starším a pomalejším modelem, musí obě karty najít společnou přenosovou rychlost, kterou obě zvládnou. Obě karty pošlou té druhé signály označující její parametry a přijmou nebo se přizpůsobí parametrům karty. Po stanovení všech detailů pro komunikaci zahájí obě karty posílání a přijímání dat. Volby konfigurace a nastavení Síťové karty mají často konfigurovatelné volby, které je potřeba nastavit, aby síťová karta správně fungovala. Zahrnují například: přerušení bázovou adresu vstupně/výstupního portu adresu bufferu v RAM identifikační číslo karty 28

29 Přerušení (IRQ) O tom, kdy se budou data z počítače vysílat, rozhoduje procesor. Naopak okamžik příchodu dat do počítače nelze předvídat, a proto požadavek na příjem dat vždy vyruší procesor od rozdělané práce. Při prvním přerušení odloží právě zpracovávanou úlohu. Pokud další přerušení přijde, ještě než dokončí operace požadované prvním přerušením, tak musí činnost související s prvním přesušením odložit a začít se zabývat dalším přerušením atd. Procesor je schopen obsloužit až 16 přerušení, pro každé přerušení má samostatný komunikační kanál IRQ (Interrupt Request - požadavek na přerušení). Síťové karty obvykle využívají IRQ 3, 5 nebo 10. Nastavení se u starších karet provádělo pomocí propojky, u novějších se provádí programově a desku není nutno při každé změně vytahovat z počítače. Bázová adresa vstupně/výstupního portu Bázová adresa vstupně/výstupního portu specifikuje kanál, přes který protékají informace mezi hardwarovým vybavením počítače (síťová karta) a jeho procesorem. Každé hardwarové vybavení v systému musí mít jiné bázové číslo vstupně/výstupního portu. Je to adresa několika málo bytů v paměti RAM stanice, přes které probíhá komunikace se síťovou kartou. Čísla portů jsou v hexadecimálním formátu (např. 300 až 30F nebo 310 až 31F). Adresa bufferu v RAM Je to opět adresa v paměti RAM stanice, tentokrát se však jedná o značně větší oblast, která je umístěna na vyšších adresách. Toto umístění využívá síťová karta jako vyrovnávací paměť a ukládá zde příchozí a odchozí pakety dat. Identifikační číslo Každá síťová karta má své jedinečné identifikační číslo, tzv. MAC (Media Access Control) adresa, adresa unikátní v rámci celého světa a v rámci určitého standardu. U karet standardu Ethernet je toto číslo zadané výrobcem (každý výrobce má přidělen určitý interval čísel, který může přidělovat), u standardu ARCnet a IBM Token Ring je možno identifikační číslo karty nastavit. Spojovací vedení (kabeláž) Přenos dat mezi počítači, periferními zařízeními a spojovacími prvky sítí probíhá po kabelech nebo pomocí bezdrátového spoje. Existují čtyři hlavní skupiny spojovacího vedení, sloužící k propojení většiny sítí: koaxiální kabel kroucená dvojlinka optický kabel bezdrátový spoj Možnosti využití jednotlivých kabelů jsou určeny jejich kvantitativními a kvalitativními parametry jako je především šířka přenášeného pásma, útlum a odolnost proti rušení (interference). Metalické vedení Nejběžnějším přenosovým médiem pro datovou komunikaci současnosti je metalické vedení. Tato kabeláž je většinou složena z několika individuálních vodičů, které tvoří elektrický okruh pro použitou metodu signalizace (viz. 1. vrstva OSI modelu). Tento typ vedení se používá k propojení jednotlivých uživatelů, nebo jejich spojení s centrálním uzlem (switchem). Obvykle jsou tyto vodiče 29

30 zakončeny jednoduchou koncovkou (RJ-45, RJ-11, BNC ), která slouží pro snadné propojení jednotlivých síťových zařízení. Koncovka a typ vodiče vždy spadá do definované normy. Metalické vedení je náchylné na externí elektromagnetické rušení vznikající provozem ostatních spotřebičů v rozvodné síti, ale i na rušení, vznikající při přenosu dat po vlastním vedení. Data jsou vysílána jako elektrické pulsy. Tyto pulsy musí být v cílovém zařízení zachyceny a dekódovány tak, aby odpovídaly vysílané předloze. Časování a tvar odesílaných dat je náchylné na externí rušení, které způsobuje deformování tvaru pulsů, změnu amplitudy a v neposlední řadě může také způsobit falešné pulsy. Elektromagnetické rušení je často způsobováno spotřebiči denní potřeby jako například zářivkové osvětlení, mikrovlnné trouby, vrtačky, motory čerpadel a klimatizací, rádiovými vysílači, nebo jen silovým napájecím vedením umístěným v těsné blízkosti datových vodičů. Proto je vždy důležité zvolit správný typ datového vedení právě s ohledem na intenzitu lokálního zdroje rušení. Při nevhodné volbě nemusí dojít k absolutní neprůchodnosti dat skrz síť, ale může dojít ke znatelnému snížení přenosové rychlosti na uživatelské úrovni. Náchylnost metalického vedení na externí rušení může být omezena následujícími technikami: Výběr správného typu vodiče a jeho kategorie (například UTP cat5) Návrh síťové infrastruktury tak, aby bylo možné se vyhnout lokálním zdrojům rušení v rámci budovy Používat vhodné vyvazovací techniky a správné ukončovací terminály kabelů Koaxiální kabel Nejběžnějším typem metalického vedení býval koaxiální kabel. V současnosti se už pro své parametry v lokálních sítích LAN nepoužívá, nicméně jeho místo v datových komunikacích stále přetrvává. Základem je měděné jádro situované uprostřed vodiče. Kolem něj je silná izolační vrstva a následuje metalické opletení kvůli stínícímu účelu. Pro jeho široké používání existovalo několik důvodů. Koaxiální kabel je relativně levný a navíc je lehký, ohebný a snadno se s ním pracuje. V současné době se však již málo používá, především z důvodu malé přenosové rychlosti, kterou lze na koaxiálním kabelu dosáhnout - 10 Mb/s. V nejjednodušší podobě sestává koaxiální kabel z jádra vyrobeného z měděného drátu obklopeného izolací, opleteného kovovým stíněním a vnější izolací. Kombinaci jedné vrstvy izolační fólie a jedné vrstvy opleteného kovového stínění se říká dvojité stínění. Pro prostředí s vyšší interferencí je však k dispozici i čtyřnásobné stínění. Čtyřnásobné stínění se skládá ze dvou vrstev izolační fólie a dvou vrstev opleteného kovového stínění. Obrázek 16 Jednotlivé vrstvy koaxiálního kabelu 30

31 Koaxiální kabel je vůči interferenci a útlumu odolnější než kroucená dvojlinka. Útlum je pokles síly signálu, který nastává, jak se signál přenáší po měděném drátu. Splétaná ochranná vrstva dokáže pohlcovat chybové elektrické signály, takže tyto signály neovlivní data, která jsou posílána po vnitřním měděném kabelu. Existují dva druhy koaxiálního kabelu: tenký (Thinnet) tlustý (Thicknet) Tenký (Thinnet) Thinnet je ohebný koaxiální kabel o tloušťce cca 5 mm. Protože tento typ koaxiálního kabelu je ohebný a snadno se s ním pracuje, je možné ho použít pro instalaci téměř kteréhokoliv typu sítě. V sítích, které používají tenký kabel, se kabel připojuje přímo na sítovou kartu počítače. Tenký koaxiální kabel dokáže přenášet signál až na vzdálenost přibližně 185 metrů, než se na signálu začne projevovat útlum. Výrobci kabelů se dohodli na určitém značení různých druhů kabelu. Thinnet patří do skupiny označované jako RG-58 a má impedanci 50 ohmů. Impedance je odpor, měřený v ohmech, proti střídavému proudu protékajícímu drátem. Tlustý (Thicknet) Thicknet je poměrně tuhý koaxiální kabel o vnějším průměru 10 mm s impedancí 50 ohmů a čtyřnásobným opletením (větší odolnost proti rušení). Souvislý segment kabelu může mít délku až 500 metrů. Proto se tlustý kabel, díky schopnosti podporovat přenos dat na delší vzdálenosti, používal jako páteřní kabel pro propojení několika menších sítí používajících tenké kabely. Obrázek 17 Koaxiální kabel Thicknet a Thinnet Tenký koaxiální kabel se k tlustému koaxiálnímu kabelu připojuje prostřednictvím zařízení zvaného transceiver. Transceiver navržený pro tlustý Ethernet je vybaven konektorem známým jako napichovací konektor, kterým se uskutečňuje skutečné fyzické propojení s jádrem kabelu. Tento konektor prochází izolační vrstvou a zajišťuje přímý kontakt s vodivým jádrem. Propojení transceiveru 31

32 se síťovou kartou se provádí pomocí kabelu transceiveru (přípojného kabelu), který se připojí na port propojovacího rozhraní (AUI) na kartě. Port AUI pro tlustý koaxiální kabel se také označuje jako konektor DIX, a to podle tří společností, které ho vyvinuly a stanovily příslušné normy (Digital Intel Xerox ), nebo také jako konektor DB-15. Nevýhodou Thicknetu je malá ohebnost a obtížná instalace. V současné době je tenký koaxiální kabel plně nahrazován kroucenou dvojlinkou a tlustý koaxiální kabel optickým kabelem, protože již nevyhovují dnes požadovaným přenosovým rychlostem (100 Mb/s a více). Koaxiální kabely se v současnosti ještě používají pro domovní rozvody televizního signálu. Obecně byl koaxiální kabel adaptován pro mnoho cílových aplikací. Tento typ vedení se používá nejen pro datové komunikační účely, ale i ve spojovací a televizní technice. Jak již bylo napsáno výše, televizní signál je v budovách rozváděn právě tímto typem kabelu. Oproti datové variantě se však liší několika parametry. Hlavně tedy impedancí, kdy pro televizní techniku je většinou používán kabel s hodnotou 75Ω, kdežto pro datové účely je hodnota impedance 50Ω. Taktéž kabelové vedení k bezdrátovým anténám je provedeno koaxiálním kabelem. Jeho hlavní výhodou je velmi silná odolnost vůči elektromagnetickému rušení, která je způsobena skladnou jednotlivých částí vodiče a použitými materiály. Tato vlastnost z něj dělá v principu jedinou možnou variantu pro připojování jakéhokoliv radiofrekvenčního zařízení. V současné době je navíc nepřeberné množství variant konektorů, které se pro tyto účely používají. Běžný propojovací kabel mezi bezdrátovou síťovou kartou a vysílací anténou je uveden na (Obrázek 18). Takovémuto propojovacímu kabelu se běžně říká pigtail. Konektory jsou zlacené a uzpůsobené koncovému zařízení. Zde je vlevo vidět konektor typu MMCX a vpravo konektor RSMA. Propojovací kabel bývá vysoce kvalitní s měděným jádrem a měděným opletením. Kvalita kabelu se vyjadřuje útlumem signálu na 1m vedení vztažený k určité frekvenci. Kabel s nejnižším útlumem je nejlepší. Útlum výkonu 3dB/1m znamená, že na vedení dlouhém 1m vznikne úbytek výkonu rovnající se ½ vstupního výkonu. Tedy pokud mám 1W vysílač, tak do antény připojené tímto vodičem se dostane pouze ½W. Zbytek výkonu se obvykle ztratí v teple. Obrázek 18 běžně používaný propojovací kabel pro vysokofrekvenční účely Kroucená dvojlinka (TP Twisted Pair) V češtině se pro kabel ze zkroucených párů vžil název dvojlinka, přestože je v jednom kabelu dvojlinek více. V nejjednodušší podobě kroucená dvojlinka sestává ze dvou izolovaných do sebe zkroucených měděných drátů. U čtyřvodičového kabelu je každá dvojlinka použita pro jeden směr přenosu, tj. pro duplexní provoz mezi dvěma účastníky. Je-li pro přenos k dispozici jen jeden pár, mohou být data přenášena jen v jednom směru a mluvíme o simplexním provozu. Při střídavém 32

33 provozu v obou směrech, tzv. poloduplexním provozu, stačí rovněž jeden pár vodičů. Vzájemné elektromagnetické ovlivňování souběžných vedení se může projevit přeslechy nebo rušením. U kroucených dvojlinek jsou uvedené vlivy minimální. Zkroucením párů je minimalizováno i rušivé vyzařování kabelu do okolí. Oba kroucené páry jsou ještě stočeny vzájemně (obr. 19), což ještě zeslabí vzájemné elektrické vazby. Kroucení vodičů má efekt rušení nechtěných přeslechů. Pokud jsou dva vodiče jednoho elektrického okruhu umístěny podélně vedle sebe, je externí elektromagnetické způsobené procházejícím proudem minimalizováno (Obrázek 19). Obrázek 19 Efekt minimalizace vlastního elektromagnetického pole kroucením vodičů ve svazku Podmínkou toho je, aby byly oba vodiče co možná nejblíže. Pokud je tato podmínka splněna, jsou ve velké míře eliminovány nejen interní vlivy (přeslechy), ale i externí vlivy způsobené vnějšími zdroji rušení. Hlavním problémem při datové komunikaci skrz UTP je to, že komunikace probíhá přes všechny 4 páry. Pokud vysíláme periodické pulsy do jednoho páru vodičů, tyto vodiče působí jako anténa a vysílá radiofrekvenční signál vně vodiče. Souběžně vedoucí páry v tuto chvíli působí jako přijímací anténa a indukuje se v nich parazitní napětí. Toto napětí znehodnocuje užitečný datový signál a znemožňuje komunikaci na delší vzdálenosti. Tomuto jevu se obecně říká přeslech (crosstalk). Kroucení vodičů tedy není bez účelu, ale dramaticky zvyšuje komunikační rychlosti a efektivní dosah datového vedení. Z hlediska stínění existují dva typy kroucených dvojlinek: nestíněná kroucená dvojlinka (UTP Unshielded Twisted Pair) stíněná kroucená dvojlinka (STP Shielded Twisted Pair, FTP Folied Twisted Pair) 33

34 Nestíněná kroucená dvojlinka (UTP) Obrázek 20 Nestíněná a stíněná kroucená dvojlinka UTP používající specifikace 10BaseT je nejoblíbenější typ kroucené dvojlinky a rychle se stává nejoblíbenějším kabelem pro sítě LAN. Maximální délka jednoho segmentu kabelu je 100 metrů. UTP je specifikovaná normou pro elektrické instalace v obchodních budovách č. 568 Asociace pro elektrotechnický průmysl (Electronic Industries Association) a Asociace pro telekomunikační průmysl (Telecommunications Industries Association) - EIA/TIA. Specifikace EIA/TIA 568 vymezuje telekomunikační kabeláž používanou v komerčním prostředí. Vyjma optických kabelů zahrnuje také popis UTP kategorií 1-6: Cat. 1 - vztahuje se na klasický telefonní kabel UTP, který je schopen přenášet hlas, ale ne data. Většina telefonních kabelů použitých před rokem 1983 patřila do kategorie 1. Cat.2 - tato kategorie osvědčuje kabel UTP pro přenos dat až do 4 Mb/s. Sestává ze čtyř kroucených dvojlinek. Cat.3 - tato kategorie osvědčuje kabel UTP pro přenos dat až do 10 Mb/s. Sestává ze čtyř kroucených dvojlinek a tří zkrutů na stopu. Cat. 4 - tato kategorie osvědčuje kabel UTP pro přenos dat až do 16 Mb/s. Sestává ze čtyř kroucených dvojlinek. Cat. 5 - tato kategorie osvědčuje kabel UTP pro přenos dat až do 100 Mb/s. Sestává ze čtyř kroucených dvojlinek měděného drátu. Cat. 5e a Cat. 6 - tvoří ji svazek čtyř párů stíněný folií, garantována je přenosová rychlost 155 Mb/s. U kategorie 6 jsou navíc stíněné i jednotlivé páry. Je zde garantována rychlost 155 Mb/s i pro každý pár, tedy celý svazek dosahuje přenosovou rychlost 622 Mb/s. Kabel je tvořen čtyřmi páry krouceného drátu. Kroucení neboli twistování zajišťuje vyšší odolnost proti interferencím s okolními vlivy. Pokud dojde k jeho narušení např. nevhodným způsobem pokládání kabelu nebo jeho ukončení v panelu nebo zásuvce, může dojít ke zhoršení přenosových vlastností spoje (nelze pak použít např. pro vyšší komunikační rychlost). Kabely se vyrábějí v několika provedeních, které se odlišují stíněním a impedancí. Každý pár má barevné kódování definované doporučením EIA/TIA 568A nebo B (liší se pořadím páru 2 a 3), které má evropský ekvivalent v ISO/IEC V našich zemích se vyskytují spíše varianty 568B. Páry jsou odlišeny těmito barvami: modrá, zelená, oranžová a hnědá. V páru je vždy druhý drát bílý s 34

35 doplňkovým potiskem odpovídající barvy. Důvodem barevného odlišení je usnadnění osazování zásuvek a panelů, neboť jejich konektory mají odpovídající barevné značení. Většina telefonních systémů používá některý typ UTP. Jedním z důvodů, proč jsou kabely UTP tak oblíbené, je to, že v mnoha budovách je již předem nataženo vedení pro telefonní systémy používající kroucené dvojlinky. Jako součást tohoto vedení je často nainstalován jeden kabel UTP navíc, aby se vyhovělo budoucím potřebám. Pokud je předem nainstalovaná dvojlinka dostatečně kvalitní pro přenos dat, je možné ji použít pro počítačovou síť. Stíněná kroucená dvojlinka (STP, FTP) STP má měděný opletený plášť, který je kvalitnější a poskytuje lepší ochranu proti rušení než plášť nestíněné kroucené dvojlinky. STP má každý vodič krytý izolační fólií, a navíc je každý pár kroucených vodičů také samostatně opláštěn. Díky tomu má STP vynikající stínění, které chrání přenášená data před vnější interferencí. FTP má stínění hliníkovou folií, trochu horší parametry než STP, ale podstatně levnější. Obrázek 21 Stíněná kroucená dvojlinka 35

36 Obrázek 22 Barevné kódování definované doporučením EIA/TIA 568A/ 568B (v EU platná norma) Strukturovaná kabeláž V minulosti existovaly odlišné a nekompatibilní součástkové základny propojovacích kabelových systémů různých oblastí, jako telefonní síť, sítě Ethernet nebo sítě Token-Ring. Odlišnosti byly jak v parametrech kabelů, tak i v mechanických rozměrech propojovacích konektorů. Dnes se zavádí pro uvedené oblasti jednotná strukturovaná kabeláž stavebnicového typu splňující náročné požadavky na spolehlivost spojení. Strukturovaná kabeláž tvoří základní prvek infrastruktury moderních lokálních počítačových sítí. Kabelový systém umožňuje ne jen přenos dat, ale je používán pro propojení telefonů, zejména pak v nových budovách nebo v případě rekonstrukce starých telefonních rozvodů. Strukturovaná kabeláž je hierarchicky členěna (obr. 22). Strukturovaná kabeláž musí být: nezávislá na výrobci a použitelná pro různé topologie LAN nenáročná na údržbu a spolehlivá odolná proti vnějším vlivům. Navíc by měla strukturovaná kabeláž umožnit postupné začleňování nových instalací do stávajících sítí. Provedení strukturované kabeláže je určeno evropskou normou EN Propojování pomocí strukturované kabeláže se provádí podle předpisů, které stanovují jak např. propojit sítě s různými protokoly a různými topologiemi. Norma rozděluje kabeláž na tři hierarchické úrovně, primární, sekundární a terciární. 36

37 Obrázek 23 Princip strukturované kabeláže Primární úroveň kabeláže Primární úroveň kabeláže zahrnuje kabelové spoje v rozsahu nějakého území, tj. územní rozvod. Primární kabeláží jsou např. propojeny budovy nějakého podniku. K oblastnímu nebo místnímu rozváděči jsou hvězdicovitě připojeny rozvaděče v budovách. Tyto spoje mají délku maximálně m a jsou zpravidla realizovány optickými kabely. Na územní kabeláž jsou kladeny tyto požadavky: potencionálové oddělení uzemnění v jednotlivých budovách, tj. země jednotlivých domovních rozvodů nesmějí být galvanicky spojeny přepěťová ochrana (proti blesku) velká přenosová rychlost zabezpečení proti výpadku, tj. možnost přepojení na jinou kabelovou trasu opatření zabraňující rušivému vyzařování zabezpečení proti odposlechu instalace oprávněnými osobami Sekundární úroveň kabeláže K sekundární kabeláži patří spojení mezi patry nebo jinými většími částmi budovy. Jedná se tedy o hlavní domovní rozvod. Vzdálenost patrových rozváděčů od domovního rozváděče nesmí přesáhnout 500 m. Propojení je realizováno prostřednictvím tzv. vertikálních (páteřních) rozvodů. Většinou bývají optické, mohou však být i metalické. Propojovací systémy, často nazývané propojovací panely (patch panel), jsou připevněné na zdi nebo v 19" rozváděčových skříních. Zadní část propojovacích systémů slouží pro ukončení kabelů horizontálních rozvodů (na obr. 23 jsou označené modře). Přední část propojovacích systémů je osazena buď konektory RJ45 pro snadné propojení s aktivními prvky (označeny zeleně) nebo speciálními zářezovými konektory závislými na výrobci (používají se pro možnost rozebrání kabelu na jednotlivé páry). Na obr. 24 je vidět osazená 19" skříň (rack) s aktivními prvky, propojovacími panely a vodícími lištami pro propojovací kabely. Lišty jsou nejen horizontální (skryty za plechy se čtyřmi rychloupínači), ale i vertikální (dobře viditelné po okrajích panelů, držící oranžové propojovací kabely). 37

38 Obrázek 24 Sekundární a terciární úroveň kabeláže K požadavkům na sekundární kabeláž patří přístupnost, umožňující rychlou a snadnou údržbu, aby bylo možné při poruše v těchto rozvodech najít rychle závadu. Domovní a patrové rozváděče mají být přístupné, aby bylo možné provádět snadno změny v síti. Sítě primárních a sekundárních rozvodů mají hvězdicovou, kruhovou nebo smíšenou topologii. Obrázek 25 Rozvaděčová skříň s aktivními prvky 38

39 Terciární úroveň kabeláže K patrovým rozváděčům je připojena terciární kabeláž, rozvedená po patrech budov. Rozvod je tvořen vedeními k účastnickým zásuvkám. Tato vedení jsou tvořena kroucenými dvojlinkami, resp. kabely kroucených párů maximální délky 100 m. Jeden jejich konec je zapojen na propojovacím panelu, druhý je ukončen v zásuvce. Zásuvky nabízejí prostřednictvím konektoru RJ45 možnost připojit prakticky libovolný koncový prvek (telefon, tiskárnu, počítač,...). Topologie těchto patrových rozvodů je hvězdicová (ke každé zásuvce jedno vedení). Předností hvězdicové sítě je, že porucha vedení ohrozí provoz jen jedné stanice. Kabeláž na pracovišti Spojení mezi účastnickou zásuvkou a koncovým zařízením patří ke kabeláži na pracovišti. Délka připojení zařízení k zásuvce nesmí přesáhnout 10 m. Kabeláž na pracovišti není instalována při instalaci sítě, ale mění se podle potřeby zároveň s koncovými přístroji. Tato kabeláž má umožnit připojení požadovaných zařízení a může k tomu využít např. malého rozbočovače. Pro připojování koncových prvků k zásuvce a propojování portů aktivních prvků s propojovacím panelem se používají propojovací kabely (patch cable nebo patch cord). Jsou tvořeny ohebnými kabely s kroucenou dvojlinkou. V nových projektech by se již neměly vyskytovat koaxiální kabely (pro tenký či tlustý Ethernet). Jak propojovací panely, tak i zásuvky mají možnost popisu. Ten by měl být v rámci jednoho kabelu na obou koncích totožný. Systém popisování je většinou spojen s číslováním místností v rámci budovy a s pořadím zásuvky. Spojit číslování přípojných míst s číslem místnosti je nejvhodnější, neboť v mnoha případech dochází, ve snaze o úspory, k poddimenzování počtu přípojných míst a tím i k pozdějšímu dodělávání nových přípojných míst. Narušení posloupnosti čísel zásuvek je pak zbytečně matoucí. Obrázek 26 Připojení koncového prvku na zásuvku 39

40 Typy UTP kabelů UTP kabeláž s koncovkami RJ45 je nejběžnější spojovací médium v sítích LAN a slouží k propojení klientů se síťovými aktivními prvky, popř. mezi aktivními prvky mezi sebou. Pro každé spojení dvou různých typů zařízení je vyžadováno jiné zapojení vodiče. Tím je myšleno, že pro spojení dvou klientských PC bude vyžadován jiný kabel (myšleno zapojení pinů v konektoru), než pro spojení klientského PC s aktivním prvkem typu Switch. Podle schématu zapojení koncovek RJ45 dělíme propojovací vodiče na 3 základní typy: Ethernet přímý Ethernet křížený Tzv. Rollover Přímý kabel je nejběžnější. Je používán k propojení dvou různých typu zařízení, např. klientské PC se switchem, síťová tiskárna se switchem, klientské PC a bezdrátový přípojný bod apod. Barevné schéma vodičů v konektoru je na obou stranách propojovacího kabelu stejné. Naopak křížený kabel se používá všude tam, kde je zapotřebí propojit dvě zařízení stejného typu, tedy klientské PC s jiným klientským PC, switch s jiným switchem apod. Barevné schéma vodičů v konektorech je rozdílné. Na jedné straně je barevné schéma definované normou TIA/EIA 568A a na straně druhé normou TIA/EIA 568B (Obrázek 27). Kabel typu Rollover (český ekvivalent v podstatě neexistuje) se používá pro konfigurační účely a v běžné datové komunikaci jej nenalezneme. Obrázek 27 Ukázka barevných schémat pro normu TIA/EIA 568A a TIA/EIA 568B Optický kabel Optický kabel (Fibre Optic Cable) je vhodný pro přenos velkých objemů dat velmi vysokou rychlostí, a to díky čistotě signálu a absenci útlumu. Data nejsou přenášena kovovými vodiči, ale procházejí ve formě světelných impulsů průsvitnými vlákny. Číslicová data jsou reprezentována přítomností (logická 1) nebo absencí (logická 0) světelného impulsu. Impulsy generuje laser nebo světelná dioda (LED). Vlákna jsou z křemičitého skla a jsou tenčí než lidský vlas. Optický kabel umožňuje přenos dat jen jedním směrem. Jednovláknové vedení proto umožňuje jen simplexní provoz, pro normální duplexní komunikaci jsou potřebná dvě optická vlákna. 40

41 Útlum světla ve vláknu je velmi nízký, proto je možné optickým kabelem propojovat místa vzdálená několik kilometrů. Protože jsou data přenášena pomocí světla, jsou optické kabely naprosto odolné proti elektromagnetickému rušení. Proto se někdy používají v silně zarušených prostorech (např. tovární haly), i když se jedná o malý objem dat a malé vzdálenosti. Optický kabel také nelze odposlouchávat, protože nelze použít zařízení, do kterého by se indukovaly přenášené informace. Pro účely odposlechu by bylo nutné kabel přerušit a odposlouchávací zařízení vložit mezi, což je obvykle snadno odhalitelné. Obrázek 28 Optický přenosový systém Optický kabel se používá pro spojení rozbočovačů, mostů a směrovačů (viz níže) v páteřních sítích, přímé připojení stanic není běžné. Kabel se používá se ve vnitřním a venkovním provedení. Vnitřní optický kabel je levný, drahé jsou však všechny ostatní komponenty. Optický kabel pro vnější použití vydrží větší výkyvy teplot, případně je i mechanicky odolnější. Mechanicky odolný kabel je již velmi drahý (až 400 Kč/m). Pozn.: Optický kabel se nepoužívá ve sběrnicové topologii (neexistuje optický T kus), používá se vždy v architektuře Point-To-Point (bod-bod). Fyzikální princip Vlastní jádro vlákna z křemičitého skla má vyšší index lomu světla než plášť, který je také vyroben z křemičitého skla. Pokud světlo do kabelu vstupuje téměř rovnoběžně s osou jádra, dochází na rozhraní k totálnímu odrazu světla. Dnešní konstrukce optických vláken nepoužívají náhlou skokovou změnu indexu lomu na rozhraní jádra a pláště, ale dotováním příměsí je dosaženo postupného přechodu indexu lomu (jako by zde bylo mnoho desítek jednotlivých vrstviček skla s různým indexem lomu). Dochází tak k pozvolnému ohybu paprsku. Taková vlákna se označují jako gradientní. Obecně se jako aktivní materiál pro vedení světelného paprsku používá sklo, nebo plast. Jednotlivé bity jsou zakódovány do posloupnosti světelných pulsů. Použitá frekvence světelného paprsku nemusí být nutně z viditelného rozsahu. Velmi často se používá světla o vlnové délce delší než červená barva, prostým okem neviditelné, nazývané infračervené. Proto je nutné vždy dodržovat bezpečnostní předpisy a v žádném případě se nedívat do optických vláken, která nejsou zapojená. Vysoká intenzita světelných pulsů a fakt, že nejsou vidět, může nevratně poškodit lidské oko. Optické kabely mají velmi vysoký teoretický bandwidth, tedy šířku pásma (viz dále) a maximální odolnost proti elektromagnetickému rušení (EMI). Díky tomu je throughput, tedy propustnost dat velmi vysoká a blíží se teoretické hodnotě bandwidth. 41

42 Pokud bychom měli srovnat optické vlákna a metalické vedení, pravděpodobně nenalezneme jasného vítěze. Každá technologie má své klady a zápory. Optické vlákna nevedou elektrický proud, tedy nevytvářejí rušivé elektromagnetické pole a jsou proto vysoce odolné proti EMI. Navíc zde odpadají problémy s rozdílnými zeměmi u koncových přípojných bodů. U metalického vedení jdou tyto rozdíly příčinou vzniku parazitních proudových toků a snižují užitné vlastnosti datového vedení. Optická vlákna mají velmi malý útlum signálu, oproti metalickému vedení. Je tedy možné vytvářet spoje dlouhé až 80km. U metalických vedení je maximální délka datového segmentu omezena většinou na hodnotu 100m. Optická vlákna jsou na druhou stranu velmi nákladná, ve srovnání s metalickým vedením. U optických vláken je velmi složitá manipulace s koncovkami a je potřeba drahých, specializovaných přístrojů a technických dovedností k propojení dvou datových bodů. Optická vlákna si nenechají tolik líbit v porovnání s metalickým vedení. Jsou náchylná na ostrý ohyb a lineární tah. Při překročení povolených mezi je jádro kabelu porušeno a vzniká ztráta konektivity s koncovým bodem. Obecně můžeme optická vlákna nalézt v podnikových páteřních rozvodech, kde suplují funkci vysokorychlostní komunikační dálnice propojující jednotlivá datová, nebo budovy společnosti. Počet vláken U kroucené dvojlinky jsou dva páry vodičů. Jeden pár pro jeden směr informace (dva si můžeme představit jako nulák a fázi), druhý pár pro druhý směr. Optický kabel má pro každý směr jen jedno vlákno, celkem tedy dvě vlákna. Proto mají optické kabely sudý počet žil, v jednom kabelu může obvykle být 2, 4, 8, 12, 20, 68, 100, 1500 vláken. Nevyplatí se zde šetřit, vždy by se měl použít kabel s větším počtem vláken, než je v dané situaci potřebné. Náklady na kabel jsou obvykle mnohem nižší než náklady na položení kabelu. Pokud by se pak stalo, že by některé vlákno ztratilo dobré optické vlastnosti, tak se může použít volný pár. Obrázek 29 Princip vedení světla Optický kabel má uvnitř dvě skleněné vrstvy, na jejichž rozhraní dochází k bezztrátovému odrazu světla. Optická vlákna se dělí podle způsobu vedení paprsku: 42

43 multi mode (mnohovidový) - paprsek se odráží od pláště vlákna. Index lomu pláště vlákna není konstantní a vlivem jeho změn je původní paprsek rozložen na více světelných paprsků, tzv. vidů. Na konci kabelu se všechny vidy sejdou, ovšem s časovým odstupem, a tak je přenášený údaj zkreslen. Tento typ kabelu má sice horší optické vlastnosti, ale je za to levnější a lépe se s ním pracuje. U LAN sítí se používají převážně tyto kabely. single mode (jednovidový) - díky malému indexu lomu mezi jádrem a pláštěm prochází kabelem jen jeden paprsek teoreticky bez lomu a ohybů. Jednovidové kabely mají lepší optické vlastnosti a tím i vyšší přenosovou kapacitu. Dokáží přenést signál na delší vzdálenosti (řádově km) než mnohovidové, ale jsou dražší. Své využití nacházejí obvykle jako páteřní vedení mezi jednotlivými provozy podniku apod. Obrázek 30 Mnohovidové optickévlákno Obrázek 31 Jednovidové optické vlákno Jednovidové a mnohovidové optické vlákno se liší tloušťkou vnitřního vlákna, kterým prochází světlo. Průměr tohoto vlákna u single mode je 8 μm, u multi mode 62,5 nebo 50 μm. Standard 62,5 μm se rozšířil z USA a v současné době převažuje, protože má podstatně menší závislost útlumu na ohybu. Ve vláknu multi mode se většina světelných paprsků neustále odráží od stěn, v tenkém vláknu typu single mode jsou již jen přímé paprsky, které se proto neodrážejí od stěn. Díky tomu jsou u single mode menší ztráty, a proto je možné tento kabel použít až do vzdálenosti 40 km, multi mode do 2 km. Aktivní prvky na single mode optické vlákno jsou drahé, navíc jejich cena závisí silně na tom, zda garantují dosah celých 40 km. Pozn.: V telekomunikacích se používají výhradně vlákna single mode, protože je nutno překonávat velké vzdálenosti. Konektorování Komplikované je konektorování optických kabelů. Používají se hlavně konektory typu ST (pro single mode konektor SC a konektor MIC). Kontakt dvou vláken musí být co nejtěsnější, aby se snížily 43

44 ztráty a odraz zpět do vysílače. Často se používá předem připraveného kousku vlákna (cca 1 m) s již továrně připojeným konektorem (tzv. pigtail). Jeho cena je nižší než při konektorování na pracovišti, díky vyšší sériovosti. Pak je nutno pigtail ještě spojit s kabelem. Spoj může být svařovaný (je bezútlumový) nebo mechanický (více používaný). Svařují se kabely single mode a dlouhé kabely. Bezdrátový spoj (Wireless Connection) Jako poslední typ spojovacího vedení je zde uveden bezdrátový spoj. Je nejmodernější z uvedených spojovacích prostředků. V tomto případě se k propojení dvou míst nepoužívá (jak naznačuje název) žádný kabel, ale informace je přenášena vzduchem. V současnosti se zpravidla jedná o přenos informací prostřednictvím rádiového a mikrovlnného spoje, či pomocí úzce směrovaného infračerveného nebo laserového paprsku. Pod pojem bezdrátové připojení lze v současnosti zahrnout široké spektrum komunikačních technologií, lišících se zejména možnou vzdáleností komunikace a s ní související délkou elektromagnetického vlnění (viz. kap. 4.2). 3.1 AKTIVNÍ PRVKY Forma a konkrétní typy aktivních prvků závisí na typu použitého síťového hardwarového standardu. V této oblasti lze, i přes nesmírnou různorodost těchto zařízení vysledovat jejich jisté obecné rysy, podle kterých se dají aktivní prvky klasifikovat. Jedná se o zesilovač, převodník, transceiver, rozbočovač, koncentrátor, most, přepínač, směrovač a bránu. Toto přehledné dělení aktivních prvků se však v praxi značně komplikuje. Tato zařízení totiž vyrábí značný počet výrobců, a to ve velmi široké paletě typů a variant. U jednotlivých výrobků pak často dochází ke slučování funkcí jednotlivých aktivních prvků, k jejich částečnému překrývání nebo k případným modifikacím. Zesilovač (Opakovač - Repeater) Toto zařízení slouží ke zvětšení dosahu sítě. Přenosová média mají povolenou maximální délku s ohledem na útlum signálu. Při přenosu na větší vzdálenost je třeba použít opakovače, který zesiluje a případně i regeneruje signál (signál přečasuje, tj. obnoví ostré vzestupné a sestupné hrany - obr. 30). Často to bývá pouze malá krabička, na které jsou po obou stranách dva stejné konektory, takže k němu lze připojit jen kabely stejného typu. Zesilovači se také někdy říká opakovač (repeater). Obrázek 32 Funkce opakovače při průchodu signálu zleva doprava 44

45 Obrázek 33 Repeater v modelu OSI Opakovač je zařízení na úrovni L1, tj. fyzické vrstvy modelu OSI (viz. kap. 5). Ztrátu bitu při přenosu číslicového signálu opakovač opravit neumí. Chová se neutrálně a nijak neovlivňuje připojené stanice. To znamená, že z obou stran opakovače musí být připojeno médium se stejným protokolem fyzické vrstvy (obr. 31). Pomocí opakovače nelze propojit odlišné sítě (např. jako pomocí mostu). Délka vedení mezi dvěma opakovači je dána útlumem kabelu. Omezení přenosové vzdálenosti, vyplývající ze zpoždění signálu, však nelze pomocí opakovače kompenzovat. Není tedy možné spojovat pomocí opakovačů libovolné množství segmentů sítě. Opakovač propouští kolize dále. Propouští i zátěž, i když je paket určený stanici v téže části segmentu, kde je i vysílající stanice. Převodník (Media Converter) Převodník signál nejen zesiluje, ale také převádí mezi dvěma typy kabeláže. Proto mívá na obou stranách různé konektory, např. BNC (tenký Ethernet) a ST (optický kabel). Převodník na rozdíl od opakovače většinou neprovádí přečasování signálu. Transceiver Transceiver je zařízení, které se zapojuje do zdířky AUI na síťové kartě. Na druhém konci má konektor (např. BNC, RJ45 nebo ST). Transceiver se používá tehdy, jestliže je nutné připojit síťovou kartu ke konektoru, který sama nepodporuje. Obrázek 34 Transceivery pro převody AUI / BNC, AUI / RJ-45, AUI / ST 45

46 Prostřednictvím transceiveru se provádí také připojování tlustého koaxiálního kabelu k dalším síťovým prvkům (ke stanicím, k tenkému koaxiálnímu kabelu apod.). Transceiver navržený pro tlustý Ethernet je vybaven konektorem známým jako napichovací konektor, kterým se uskutečňuje skutečné fyzické propojení s jádrem kabelu. Tento konektor prochází izolační vrstvou a zajišťuje přímý kontakt s vodivým jádrem. Propojení transceiveru se síťovou kartou se provádí pomocí přípojného kabelu transceiveru (AUI kabelu), který se připojí na port propojovacího rozhraní (AUI) na kartě. Rozbočovač (Hub) Rozbočovač je rozbočovací zařízení, které větví přenášený signál a tím umožňuje rozšiřování sítě o další pracovní stanice. Vše co mu přijde na jeho vstupy, ihned odesílá na všechny výstupy. Rozbočovač stejně jako opakovač pracuje na úrovni L1, tj. fyzické vrstvy modelu OSI. Je určen pro vytváření sítí s topologií hvězda. Huby jsou už nyní výhradně aktivní. To znamená, že přenášený signál je také zesílen a hrany signálu jsou upraveny do pravoúhlého tvaru. Tím je možné dosáhnout větší délky kabelů. Aktivní hub ke své práci potřebuje napájení. Selhání hubu ve hvězdicové topologii způsobí "spadnutí" sítě u stanic k němu připojených. Je proto vhodné ho chránit před výpadkem elektrického proudu zdrojem UPS. Nejčastěji sledovaným údajem u hubů je, kolik má portů. Počet portů se může pohybovat od 8 do 48. Osmiportové huby mají většinou podobu malých krabiček, jsou určeny pro malé sítě nebo jako doplnění, jestliže několik portů chybí. 24 a víceportové huby se již prodávají ve standardní velikosti pro zamontování do 19 palcové skříně (racku). Na přední straně rozbočovačů je umístěno několik indikačních LED diod. Tyto diody dávají základní informace o tom, zda počítač připojený k hubu je aktivní a jakou rychlosti komunikuje se serverem (10/100 Mb/s). Některé huby mají také indikátor zatížení v procentech. Pokud se zatížení neustále pohybuje přes 50%, měla by se síť rozdělit na více oddělených segmentů. Datová rychlost hubu je dalším sledovaným parametrem. Dnes se nejčastěji setkáváme s tzv. dualspeed huby, které podporují rychlost 10/100 Mb/s. Lze se ale také setkat se staršími 10 Mb/s huby. Hub může komunikovat s jiným zařízením pouze v tzv. half-duplex režimu, tzn., že může buď přijímat, nebo vysílat (komunikace v režimu full-duplex znamená, že zařízení dokáže zároveň přijímat i vysílat). 46

47 Huby je možné spojovat pro větší počet portů: Obrázek 35 SOHO Hub 3COM kaskádováním - z jednoho portu prvního hubu je přiveden síťový kabel na přímý vstup druhého hubu. Většinou mají huby tlačítko, které přepíná jeden port buď jako normální nebo pro spojení s jiným hubem. Pokud toto tlačítko chybí, lze použít tzv. crossover (překřížený) kabel. zestohováním - některé huby lze mezi sebou propojovat pomocí SCSI kabelu. Výhodou je vysoká datová propustnost propojení dosahující téměř hodnot propustnosti datové sběrnice hubu (2-4 Gb/s). Takovéto huby, které lze stohovat, jsou dražší, ale najdou své místo tam, kde je předpokládáno rozšiřování přípojných míst. Most (Bridge) Jestliže aktivita předešlých prvků spočívala pouze v zesilování nebo v převodu signálu, je most prvním inteligentním prvkem, který se zajímá o přenášená data. Most plní dvě funkce. První funkcí je filtrace paketů podle cílové MAC adresy. Most propouští paket jen do té části sítě, v níž je obsažen cíl paketu. Filtrováním se snižuje zatížení sítě, protože pakety neputují zbytečnými cestami. Druhou funkcí mostu je propojení dvou sítí různých standardů. Pracuje totiž v linkové vrstvě (L2) modelu OSI, nad úrovní dvou adaptérů na úrovni fyzických vrstev sítí (obr. 34). Most je dvouportové zařízení, které rozděluje síť na dvě kolizní domény. Umožňuje stanicím v kterékoliv síti přistupovat na zdroje v druhé síti. Pomocí mostů je možné prodlužovat délku sítě, zvětšovat počet uzlů v síti a redukovat úzké profily vzniklé z přílišného počtu připojených počítačů (obr. 35). Obrázek 36 Bridge v modelu OSI 47

48 Obrázek 37 Dva síťové segmenty propojené mostem Princip filtrace paketů Most je schopen rozeznat rámec (frame) a má vlastní paměť. Zprávu, kterou obdrží, uloží do své paměti. Zjistí, jestli není poškozená, pokud ano, zahodí ji. Pokud je zpráva v pořádku zjistí MAC (Media Access Control) adresu zprávy. Most si udržuje tabulku s MAC adresami. Pro každý port je to až několik tisíc adres. Most je inteligentní v tom smyslu, že se naučí, kam posílat data. Jak mostem prochází provoz, ukládají se do jeho paměti RAM informace o adresách počítačů. Most si poté pomocí informací v RAM sestavuje tabulku MAC adres. Při koupi mostu je tabulka prázdná. Jak uzel přenáší pakety, kopíruje se do tabulky zdrojová MAC adresa. Pomocí těchto informací se most naučí, které počítače jsou na kterých segmentech v síti. Jakmile most obdrží paket, srovná se zdrojová adresa s tabulkou. Pokud tam zdrojová adresa není, přidá se do tabulky. Most potom porovná cílovou adresu s databází v tabulce: pokud je cílová adresa ve směrovací tabulce a je na stejném segmentu jako zdrojová adresa, pak se vyřadí. Toto filtrování pomáhá snižovat provoz v síti a izolovat segmenty sítě. pokud je cílová adresa ve směrovací tabulce a není na stejném segmentu jako zdrojová adresa, odešle most paket z příslušného portu, tak aby dorazil na cílovou adresu. pokud není cílová adresa ve směrovací tabulce, odešle most paket na všechny své porty, s výjimkou portu, ze kterého přišel. Tabulka je provedena většinou hardwarově, po připojení dalšího počítače si most sám tabulku aktualizuje. Číslo karty nového počítače zjistí most tak, že jednou za čas pošle tzv. broadcast (viz. kap. 6), všechny počítače odpoví a most z paketu zjistí MAC adresu odesílatele. Pokud ještě tuto adresu v tabulce nemá, tak ji doplní. Most může být realizován mnoha způsoby. Velmi často bývá integrován do hubů, které pak kromě rozbočování také filtrují přenášené pakety. Druhá realizace mostů je softwarová. Funkci mostu plní síťový operační systém, který filtruje pakety mezi několika síťovými kartami. Dnes se již most používá málo, nahrazuje jej mnohem rychlejší přepínač (switch). Přepínač (Switch) Přepínač je zařízením vrstvy L2 modelu OSI, přepíná podle MAC adres a udržuje si tabulku s MAC adresami stejně jako most, ale filtraci paketů provádí mezi jednotlivými porty. Komunikace pak může probíhat mezi více páry síťových karet (portů switche) současně. Ve výkladu pojmu přepínač je určitá nejednoznačnost. Podle klasické definice pracují přepínače na linkové vrstvě, a to do značné míry podobným způsobem jako mosty. Při této definici je 48

49 jediný rozdíl mezi mostem a přepínačem to, že most pracuje jako zařízení pro ukládání a odesílání rámců, zatímco přepínač nikoli. Jestliže přepínač dokáže dekódovat cílovou adresu, zahájí přenos rámce přes odpovídající port. Tento proces může přitom proběhnout i během příjmu zbytku rámce. Velký rozdíl mezi přepínačem a mostem je v rychlosti přepínání. Přepínání cest paketů v mostu je řízeno programem a potřebuje relativně více času než hardwarové (polovodičové) přepínání v přepínači. Úlohou přepínače je rozdělení vstupních paketů podle cílové adresy a přepínání jejich cest přímo na vedení směrem k cílové stanici (jako ve spojovacím poli ústředny). K tomu účelu je přepínač vybaven rychlou vnitřní sběrnicí, přes kterou probíhá výměna dat mezi porty, tedy i více výměn současně (při časovém sdílení rychlé sběrnice). Přepínač může komunikovat s jiným zařízením v tzv. režimu full-duplex (dokáže zároveň přijímat i vysílat). Přepnutí trvá asi 100 s u pomalejších přepínačů a až 20 s u nejrychlejších. Obrázek 38 Přepínače CISCO Moderní definice přepínače je poněkud odlišná, a to zejména v souvislosti s Internetem. Dnešní přepínač již není pouze přepínačem v lokální síti LAN; provádí také přepínání v sítích WAN. Přepínač je nicméně i nadále zařízením, které pracuje především na linkové vrstvě, provádí však také určité omezené funkce na síťové vrstvě (L3) modelu OSI. Díky této širší množině funkcí můžeme dnešní přepínače přirovnávat spíše ke směrovači (viz. dále) než k mostu. Z uvedeného vyplývá, že klasický přepínač je rychlejším konkurentem a rychlejší náhradou mostu a moderní přepínač se stává rychlejší náhradou směrovače. Moderní přepínač zjistí dekódováním datového paketu adresu pro síťovou vrstvu. Tato adresa pro síťovou vrstvu se mapuje na konkrétní port přepínače. Další datové pakety, které posílá stejný zdrojový uzel do stejného cílového uzlu, se již nepřepínají v síťové vrstvě, v níž tuto operaci zabezpečují směrovače, nýbrž ve spojové vrstvě. Přepínače se dále neúčastní žádných směrovacích protokolů. Z hlediska funkce lze rozdělit přepínače na přepínače typu: Cut-Through přepínač začíná přenášet paket do cílové podsítě už v okamžiku příchodu prvních byte hlavičky paketu a detekce adresáta. Základem je tzv. přepínací matice, která umožňuje přepínání s minimálním zpožděním. Store-and-Forward - každý přenášený paket je před svým odesláním uložen v mezipaměti, analyzován a kontrolován. Ověřuje se úplnost a bezchybnost každého paketu a teprve potom je odeslán do podsítě. Také dokáže odstraňovat přímo ze sítě kolizní (poškozené) pakety. Přepínání má větší zpoždění než u předchozího typu. 49

50 Přepínač nepodporuje koaxiální kabel, je určen pro strukturovanou kabeláž nebo pro optický kabel. Jsou různé typy přepínačů pro různé hardwarové standardy (ATM, FDDI, Ethernet). Směrovač (Router) Směrovač je zařízení na úrovni vrstvy L3 modelu OSI (obr. 37). Je inteligentnější než most nebo přepínač, dokáže nejen rozeznat paket určený některému ze sousedních segmentů, ale také jej nejvýhodnější cestou nasměrovat k cílovému segmentu. Má v sobě zabudovanou filtraci paketů, kterou doplňuje o inteligentní směrování (routing). U sítí LAN se s ním nesetkáme často, typické je použití při připojování sítí k Internetu. Umí propojit sítě různých topologií, může také připojovat sítě různých hardwarových standardů (obr. 38). Obrázek 39 Router v modelu OSI Díky tomu, že směrovač shromažďuje informace o všech spojených sítích, o způsobu jejich propojení a o všech pracujících směrovačích a serverech, je schopen určit každému paketu jeho optimální cestu k cíli. Kritériem optimality může být minimalizace délky spojení nebo též minimalizace nákladů na spojení. Směrovač je schopen při hledání optimální cesty pro pakety spolupracovat s ostatními směrovači v síti. Pracuje na úrovni síťové vrstvy s adresami ve tvaru: číslo sítě + číslo stanice (logická IP adresa). Každý port směrovače má jinou IP adresu. V lokálních sítích má zároveň segment připojený na každý port jiné číslo. Jakmile přijde paket do směrovače, směrovač zjistí např., že se jedná o server na stejném segmentu se stanicí, tedy nepustí paket dále. Pokud adresa odesílatele není na stejném segmentu jako adresát, vyhledá směrovač ve své tabulce, na kterém portu je zmíněná adresa. Pokud se jedná o vzdálenou adresu, kterou nemá ve své tabulce, má každý směrovač definován svůj tzv. default gateway a tam paket pošle. Například vnitřní směrovače uvnitř organizace nemusí mít v tabulkách směrovače ve světě. Gateway (viz. dále) je opět směrovač, který postupuje stejně. Pokud by se adresa nenašla, pak by se přes několik default gateway paket po nějaké době mohl v kruhu vrátit zpět. Teoreticky by paket mohl kolovat věčně. Aby se to nestalo, má každý paket v sobě počitadlo přeskoků mezi směrovači (hop count). Pokud toto počitadlo překročí hodnotu 15, pak se paket zničí a zdrojovému směrovači se pošle chybová zpráva. 50

51 Obrázek 40 Rozšíření sítě pomocí routeru Routery jsou modulární, šasi s osazenými moduly, které mají různé interface, mohou oddělovat různé architektury, např. Ethernet a FDDI. Vzhledem ke schopnosti filtrovat pakety může být použit router jako firewall (zábrana průniku nežádoucích paketů). Výkon směrovače v malé síti není podstatný, v páteřních sítích Internetu jsou však směrovače vybaveny až dvěma procesory a 64 MB RAM. Ve srovnání s přepínačem je směrovač 10 až 100 krát pomalejší a mnohonásobně dražší. Srovnání funkcí routing (směrování) a switching (přepínání) routing - přepojování na úrovni síťové vrstvy - bere do úvahy topologii celé sítě - směruje na základě logických IP adres - vyžaduje náročnější rozhodování o dalším směru přenosu dat - obecně složitější a pomalejší -řeší se většinou softwarově switching - přepojování na úrovni linkové vrstvy - bere v úvahu jen nejbližší okolí uzlu - přepíná na základě MAC adres - rozhodování o dalším směru přenosu je jednoduché - obecně jednodušší a rychlejší - lze řešit přímo hardwarově. Brána (Gateway) Brána (gateway) pracuje až na nejvyšší úrovni L7 modelu OSI, tedy v aplikační vrstvě. Slouží k připojování síti LAN na cizí (heterogenní) prostředí, např. k sálovým počítačům IBM (serverům velkých sítí) nebo k veřejným telekomunikačním sítím. Pakety přijaté branou mohou být změněny na tvar vyžadovaný zařízením nebo sítí s úplně odlišnou strukturou dat i adres. Gateway je již poněkud historická záležitost. Routery umí komunikovat s protokoly IPX, TCP/IP atd., ale neumí pracovat s firemními protokoly, např. SNA firmy IBM. Gateway přijme paket z cizorodého prostředí, rozbalí jej až na data (proto musí pracovat v nejvyšší úrovni ISO/OSI) a znovu 51

52 zabalí (jako např. IPX). Někdy gateway nejen rozbalí vše až na data, ale také s daty pracuje (jednotlivé uzlové počítače mohou používat odlišnou vnitřní reprezentaci dat, např. střediskové počítače firmy IBM používají znakový kód EBCDIC, zatímco většina ostatních pracuje s kódem ASCII). Gateway pak zajišťuje potřebné konverze přenášených dat. Proto gateway musí být vždy počítač, hardwarové řešení nestačí. Dnes se již firemní protokoly používají málo. Termín gateway se používá také pro místa, kde se stýkají různé infrastruktury, např. Eurotel a Paegas. V počítačové síti je mnoho poskytovatelů Internetu. Jejich sítě jsou oddělené, stýkají se jen v několika málo bodech, nebo jen v jednom. Těmto bodům se říká také gateway. Gateway se může použít také na vstupním bodě do organizace, aby se povolila např. síťová pošta, ale ne přenos souborů. Tuto činnost nezvládne router, protože ten pracuje jen na úrovni síťové vrstvy a nepozná, která data jsou poštovní a která jsou soubory. Shrnutí pojmů NIC, IRQ, MAC adresa, Koaxiální kabel, UTP, STP, FTP, Optický kabel, WiFi, Repeater, HUB, SWITCH, BRIDGE, ROUTER, GATEWAY 52

53 4 NÁVRH LOKÁLNÍ SÍTĚ A VIRTUÁLNÍ SÍTĚ Čas ke studiu 6 hodin Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět: definovat základní problémy při návrhu lokální sítě Výklad Pro budování lokálních sítí se s nástupem přepínačů ustálila jednoduchá hierarchická struktura sítě. Lokální síť je tvořena od nejnižší vrstvy rozbočovači nebo přepínači, na střední úrovni přepínači a na vrcholku pyramidy servery (obr. 39). Takto vybudovaná lokální síť tvoří jednu doménu z hlediska šíření všesměrového vysílání (broadcast) a je z hlediska vyšších úrovní protokolů (IP, IPX, Netbios) jedinou sítí. To má své výhody (není třeba směrovat), ale také nevýhody, protože se dá jen těžko zavádět jakékoli omezení (filtrace provozu, dělení podle organizační struktury apod.). Nicméně vzhledem k dostupné technologií přepínačů a hlavně jejich ceně (ve srovnání se směrovači), je tato koncepce často používána a doporučována. Řeší základní problém dnešních sítí, cenově přijatelnou dostatečnou přenosovou kapacitu počítačové sítě. Použití přepínačů místo rozbočovačů je sice finančně náročnější, ale je třeba uvážit, že za cenu přibližně dvojnásobnou se celková přenosová kapacita sítě zvýší většinou až o řád. Přepínače zároveň přináší další nezanedbatelné výhody: odolnost vůči poruchám, oddělení provozu, zabránění nežádoucího odposlechu, variabilitu topologie sítě podle zátěže, možnost monitorování chodu sítě a vytváření virtuálních sítí LAN (VLAN). 53

54 Obrázek 41 Tradiční struktura lokální sítě Dokud neexistovaly virtuální sítě, bylo rozdělení počítačů do samostatných sítí dáno fyzickým umístěním jednotlivých uzlů. Dnes však již existují i taková řešení, která umožňují rozdělovat jednotlivé uzlové počítače do konkrétních sítí bez ohledu na to, kde se fyzicky nachází, a dokonce je pouhým konfiguračním zásahem i logicky "přesouvat" z jedné sítě do druhé, aniž by se přitom příslušný počítač fyzicky pohnul z místa. Výsledkem pak jsou takové sítě, kterým se říká virtuální sítě LAN - virtuální proto, že jejich existence je dána pouze obsahem konfiguračních tabulek. Termín virtuální síť se používá pro skupinu síťových zařízení, které jsou libovolně propojeny počítačovou sítí a chovají se stejně, jako by byly na společném fyzickém médiu odděleném od zbývající části sítě. Virtuální sítě tak umožňují propojit vzdálená zařízení a zároveň je oddělit od jiných virtuálních sítí. Segmenty lokální sítě, ve kterých se šíří všesměrové vysílání, tak nejsou omezeny fyzickými spoji, ale mohou být definovány libovolně dle potřeby. Virtuální sítě segmentují velké sítě do logických celků, které vystupují jako nezávislé lokální sítě. Rozdělením sítě se dá jednak omezit šíření všesměrového vysílání, jednak je to často nutné z bezpečnostních a administrativních důvodů. Vhodným dělením sítě na menší celky lze také snadněji zvládnout celkový provoz a zátěž sítě. Uživatelé jednotlivých VLANů se tedy navzájem nevidí a v rámci jednotlivých VLANů se uplatňuje funkce filtrace paketů. Virtuální sítě nelze vytvářet bez odpovídajících aktivních prvků, přepínačů a směrovačů. Tradiční koncepce výstavby lokálních sítí spočívala ve vytváření samostatných segmentů a jejich propojení směrovači. Tradiční směrovače jsou však založeny na běžných mikroprocesorech a programovém směrování, čímž je jednak limitována propustnost, jednak jsou výkonné směrovače poměrně drahé. V současné době se proto pro tvorbu VLANů používají vzhledem k jejich ceně a větší rychlosti (oproti směrovačům) často přepínače. U nich je možné sdružit jejich porty tak, že vzniknou oddělené logické sítě v rámci jediné fyzické sítě (obr. 40). 54

55 Obrázek 42 Virtuální sítě propojené switchem CISCO Představa VLAN router router objekt B virtuální síť virtuální síť objekt A J. Peterka, Obrázek 43 Příklad virtuálních sítí objekt C Shrnutí pojmů VLAN, Server, Broadcast, Unicast 55

56 5 STANDARDY SÍŤOVÉHO HARDWARE Čas ke studiu 6 hodin Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět: definovat základní standardy používané v síťových topologiích definovat typy dálkových spojení Výklad Kabelové síťové technologie ARCnet Přenosová rychlost je 2,5 Mb/s, tedy 4 krát pomalejší než Ethernet. Malou výhodou je, že díky nízké rychlosti je méně citlivý na rušení, např. nevadí chybějící zakončovací odpor (terminátor). Metodou přístupu je Token Bus. Lze použít koaxiální kabel (ve sběrnicové i hvězdicové topologii) i kroucenou dvojlinku ve hvězdicové topologii. Koaxiální kabel není totožný s kabelem pro Ethernet, má označení RG-62 a impedanci 93 Ohm, tutéž impedanci mají i BNC konektory a terminátory. Tento standard se v současné době používá jen málo. Ethernet Standard Ethernet vyvinula v roce 1976 firma Xerox. V současnosti se jedná o nejrozšířenější standard (spolu s Fast a Gigabit Ethernetem) v lokálních počítačových sítích, a to i v prostředí operačního systému Unix. Přenosová rychlost je 10 Mb/s. Metoda přístupu k síti je nedeterministická CSMA/CD (viz. kap. 2), která nezaručuje přenos dat během určitého časového intervalu. Proto není Ethernet vhodným standardem pro časově kritické aplikace (řízení procesů v reálném čase, přenos videa, zvuku apod.). Z definice Ethernetu vyšlo doporučení komise IEEE. Rámec Ethernetu Podvrstva MAC (viz. kap. 5) používá pro síť Ethernet dva typy rámců. ETHERNET II a IEEE (obr. 42). Síťové karty uzlů musí být sestaveny tak, aby rozpoznaly zvolený typ rámce. Maximální délka rámce činí 1518 B, minimální 64 B. Význam jednotlivých polí rámce podle IEEE je následující: 56

57 Obrázek 44 Formát rámce Ethernetu podle normy IEEE Startovací pole - obsahuje preambuli (délky 7 B) pro synchronizaci přijímací stanice a příznak začátku rámce SFD (Start Frame Delimiter) délky 1 B. Cílová adresa DA (Destination Address) a zdrojová adresa SA (Source Address) - zdrojová a cílová MAC adresa je členěna na dvě logické části, první část (3 byty) identifikuje výrobce síťového adaptéru a druhá část (3 byty) vyjadřuje pořadové číslo od konkrétního výrobce, čímž je zabezpečena jedinečnost adres. Délka L (Length) - určuje počet bytů (oktetů, slabik) v datovém poli (délka 2 B). Datové pole - délky do 1500 B. Je-li zpráva kratší než 46 B, je doplněna výplní PAD (Padding - výplň). Přijme-li stanice zprávu kratší než 46 B, delší než 1500 B nebo zpráva (či rámec) není celistvým počtem bytů (tj. celistvým násobkem 8 bitů), vyšle chybový signál JAM. Minimální délka zprávy je nutná pro správnou detekci kolizí. Kontrolní pole FCS (Frame Check Status) - pro kódové zabezpečení CRC délky 4 B, vzniká jako zbytek po dělení obsahu rámce generačním polynomem, určeným normou. Specifikace fyzické vrstvy Jako spojovací vedení lze použít koaxiální kabel, kroucenou dvojlinku a optický kabel. Sítě Ethernet se stále vyvíjejí a novější normy pro vyšší přenosové rychlosti se přizpůsobují možnostem novějších přenosových médií. Označení použitého kabelu je i informací o přenosové rychlosti, maximální délce sítě a dané přenosové médium. Obrázek 45 Přenosová média sítě Ethernet je tento: Označení kabelů typu 10 Base je uvedeno na obr. 43. Význam jednotlivých symbolů označení číslo 10 označuje přenosovou rychlost 10 Mb/s. slovo Base označuje typ přenášeného signálu, a to základní pásmo obsahující jeden jednosměrný přenosový kanál. Je-li v označení kabelu namísto slova Base slovo Broad (široký), jedná se o širokopásmový přenos více kanálů po jednom médiu. 10 Base 2 představuje tenký Thin Ethernet s dosahem 185 m. 10 Base 5 představuje tlustý ThickEthernet s dosahem 500 m. 57

58 10 Base T představuje Twisted Pair Ethernet, tedy kroucenou dvojlinku s dosahem 100 m. 10 Base F představuje optický kabel Ethernet s dosahem 2 km. Fast Ethernet Jedná se o standard s přenosovou rychlostí 100 Mb/s, odpovídá doporučení IEEE 802.3u. Protože Fast Ethernet používá stejnou přístupovou metodu CSMA/CD jako Ethernet, může být snadno implementován do většiny stávajících Ethernet sítí bez nutnosti podstatných změn v kabeláži, navíc se schopností koexistence se stávajícím standardním Ethernetem. Kabeláž se dá využít z běžného Ethernetu: kroucená dvojlinka a optický kabel, nedá se použít koaxiální kabel.. Přechod z Ethernetu na Fast Ethernet v zásadě znamená: výměnu síťových karet, existují kombinované síťové karty (10/100 Mb/s), samy poznají, jakou rychlostí mají komunikovat výměnu aktivních síťových prvků (opakovačů, switchů), k propojení nestačí opakovače, jsou nutné alespoň switche, existují kombinované switche 10/100 Mb/s (některé porty10 Mb/s, některé 100 Mb/s), díky vlastnostem kroucené dvojlinky 100BaseT je možná koexistence 10 Mb/s a 100 Mb/s segmentů, možná strategie: servery se připojí na 100 Mb/s segmenty, stanice na 10 Mb/s segmenty. Specifikace fyzické vrstvy Obr. 44 znázorňuje srovnání mezi existujícími médii standardu Ethernet a Fast Ethernet. Standard Fast Ethernet zahrnuje tři specifikace: 100Base-TX - podporuje 100 Mb/s Ethernet po UTP kabeláži Cat. 5 a STP Type 1 s využitím dvou párů. 100Base-FX - používá dvě multimodová optická vlákna. 100Base-T4 - vychází vstříc stávajícím instalacím s UTP kabely kategorie 3 a 4. Je ale nutné mít volné všechny 4 páry, protože jsou všechny využity pro přenos. Signál se přenáší třemi páry s nosnou frekvencí 25 MHz a čtvrtý je využit pro detekci kolizí. Tím je umožněno využití i starších, méně kvalitních kabelů. 58

59 Obrázek 46 Specifikace Ethernetu a Fast Ethernetu Jednotlivé prvky Fast Ethernetu mají přibližně dvojnásobnou cenu proti Ethernetu (prvky FDDI mají cenu přibližně desetinásobnou, také oproti ATM je cena podstatně nižší). Jedinou nevýhodou Fast Ethernetu je to, že je kolizní. Tam, kde není požadavek na zaručenou rychlost přenosu (videopřenosy, řízení v reálném čase), je Fast Ethernet dobrou volbou za rozumnou cenu. Gigabit Ethernet Fyzická vrstva gigabitového Ethernetu používá kombinaci osvědčených standardů původního Ethernetu a specifikace ANSI X3T11 Fibre Channel. Název vychází z přenosové rychlosti 1 Gb/s. Metoda přístupu k přenosovému médiu je CSMA/CD. Tato síť je určená pro vytváření páteřních sítí (Backbone) založených na Ethernetu.. Sítě pro 10 a 100 Mb/s Ethernet pracují obvykle se strukturovanou kabeláží, tzn. kroucenou dvojlinkou kategorie 5 a výše. Na většině takových kabeláží lze bez problémů provozovat i Gigabit Ethernet (do vzdálenosti cca 100 m). Při stavbě nové sítě, kde je požadován provoz Gigabit Ethernetu na větší vzdálenosti, je však vhodné použít optických kabelů. Specifikace fyzické vrstvy Byly přijaty celkem čtyři specifikace pro fyzická média, které jsou definovány ve dvou standardech z (1000Base-X) pro optické kabely a 802.3ab (1000Base-T) pro metalickou kabeláž. Ve specifikaci 1000Base-X jsou tak specifikovány tři přenosová média: 1000Base-SX 850 nm laser - pro mnohavidová optická vlákna 1000Base-LX 1300 nm laser - pro jednovidová a mnohavidová optická vlákna 1000Base-CX pro stíněné kabely typu "twinax" STP těchto kabelů. V tabulce 1. jsou uvedeny maximální délky segmentů, které je možné dosáhnout při použití 59

60 Tabulka 1 Specifikace 1000Base-X Vzdálenost Vlnová délka zdroje jednovidové vlákno (9 mikronů) 5000 m 1300 nm (LX) mnohavidové vlákno (50 mikronů) 525 m 550 m 850 nm (SX) 1300 nm (LX) mnohavidové vlákno (62,5 mikronů) 275 m 500 m 850 nm (SX) 1300 nm (LX) STP kabely 100 m Druhá specifikace pro metalickou kabeláž 1000Base-T byla vyvíjena samostatnou skupinou 802.3ab pro UTP kabeláž kategorie 5 standardních horizontálních rozvodů budov (100 m). 1000Base- T je standard pro gigabitový Ethernet po metalickém vedení typu UTP (100 ohmů). Cílem bylo dosáhnout délky segmentu 100 m pro čtyřpárový kabel kategorie Gigabit Ethernet 10 Gigabit Ethernet IEEE 802.3ae představuje 10 Gb/s full-duplexní přenos dat prostřednictvím optického kabelu. V současné době zatím nepodporuje metalické spojovací vedení. Jelikož podporuje jen full-duplexní média, nepoužívá již přístupovou metodu CSMA/CD (neřeší kolize). Je určen především pro připojování vysoce výkonných zařízení, pro vytváření sítí zatěžovaných přenášením velkých objemů dat, s časově kritickými aplikacemi (CAD/CAM, multimediální aplikace, řízení procesů v reálném čase apod.) a pro realizaci značně zatížených segmentů páteřních vedení. V průběhu roku 2006 by měla IEEE ratifikovat nový standard 10 Gigabit Ethernetu provozovaný na klasických metalických rozvodech typu UTP. IBM Token Ring V porovnání s ostatními sítěmi se síť IBM Token Ring dostala na trh až velmi pozdě, a to až díky podpoře firmy IBM v roce Tento standard používá firma IBM pro propojení svých sálových a osobních počítačů. Přenosová rychlost je 16 Mb/s (původně 4 Mb/s). Metoda přístupu k síti je deterministická, Token Ring (viz. kap. 2). Tento standard je složitější než Ethernet, mimo jiné proto, že je třeba vyřešit přemosťování vypnutých stanic (vypnutá stanice nemůže dál poslat Token ke komunikaci se sítí). Proto se počítače nepřipojují na sít' přímo, ale přes přemosťovací jednotky MAU (Multistation Access Unit), které poznají, že je stanice odpojena nebo vypnuta. Obvykle se do kruhu zapojují tyto jednotky a stanice se k nim připojují jako ke středu hvězdy. Standard je definován doporučením IEEE U nás se příliš neujal, především kvůli vysoké ceně a větší složitosti. 60

61 Specifikace fyzické vrstvy Uzly kruhové sítě se propojují kabely, které se dělí do sedmi kategorií. Pro sítě Token-Ring se používají hlavně kabely kategorií 1, 2, 5 a 6: kabel kategorie 1 je stíněný kroucený čtyřpár typu STP Je univerzálním přenosovým médiem v případech, kdy nejsou kladeny na přenos zvláště vysoké nároky. kabel kategorie 2 odpovídá kategorii 1. Má však mimo stínění ještě čtyři jednoduché dvojlinky, používané pro přenos signálů sloužících ke sledování funkce sítě. kabel kategorie 5 může mít rozdílné provedení vhodné pro vysoké přenosové rychlosti do 100 Mb/s, tedy musí mít malé ztráty. Může se jednat o koaxiální kabel, kabel UTP, kabel STP nebo optický kabel. kabel kategorie 6 je stejného typu jako kategorie 1, je však flexibilní (ohebný). Používá se ke spojům na malé vzdálenosti a slouží k propojení mezi kruhovou sítí a přípojkami pro koncové uživatele i k připojení koncových uživatelů k zásuvkám uživatelských přípojek. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) FDDI (Fiber Distributed Data Interface - distribuovaná datová rozhraní propojená optickými vlákny) je vysokorychlostní síť s přenosovou rychlostí 100Mb/s. Původním záměrem bylo vytvořit rozhraní, které umožňuje propojení počítačů s distribuovanými periferními zařízeními pomocí optických kabelů. Později s rozvojem LAN se začaly sítě FDDI díky svému výkonu a deterministickému přístupu k médiu využívat jako vysokorychlostní páteřní sítě (obr. 45), které mohou propojovat sítě s různými topologiemi. Sítě FDDI jsou využívány také v multimediální oblasti. Jsou vhodné nejen k přenosu dat ale i k přenosu digitalizovaných hovorů a obrazů. Tlak uživatelů si později vynutil i specifikaci sítě s využitím metalických médií pod názvem CDDI (Copper Distributed Data Interface - distribuovaná datová rozhraní propojená měděnými vodiči). Jako spojovací vedení se používá kroucená dvojlinka kategorie 5 a výše. Obrázek 47 Síť FDDI použitá jako páteřní síť Uvedený standard používá kruhovou topologii, která je ke zvýšení spolehlivosti realizována ve formě dvou protisměrných kruhů. Při normálním provozu je využíván pouze kruh primární, v případě, že se na něm vyskytne závada, začne být automaticky používán i okruh sekundární. Jednotlivá síťová 61

62 zařízení se k tomuto okruhu připojují dvojím způsobem. Jednak přímo, pak jsou označovány jako stanice DAS (Dual Attached Stations dvojitě připojené stanice), kdy jsou jednotlivá zařízení připojena v dvojitém kruhu, tzn. zdvojeně. Tímto způsobem je vhodné připojovat výkonná zařízení, tzn. rozbočovače, přepínače, směrovače, servery a sálové počítače. Druhá možnost pak představuje připojení nepřímé prostřednictvím příslušného centrálního prvku do hvězdy. Tato varianta je označována jako stanice SAS (Single Attached Stations jednoduše připojené stanice). Takto se většinou připojují běžné pracovní stanice. Přístup k přenosovému médiu je podobně jako u IBM Token Ring pomocí postupného předávání práva vysílat (tokenu). Na rozdíl od kruhu Token ring jsou do kruhu připojeny pouze rozbočovače, směrovače a servery, ostatní stanice jsou k nim připojeny do hvězdy. Právo na přístup k síti se tedy předává v logickém, ne ve skutečném kruhu modifikovaný Token Ring. Standard FDDI se začal prosazovat začátkem devadesátých let především díky v té době vysoké přenosové rychlosti, v současné době je lepší alternativou Fast Ethernet, který je podstatně levnější, variantnější a lépe se s ním pracuje. ATM (Asynchrouous Transfer Mode) V telekomunikacích ATM existuje již dlouho, do oblasti počítačových sítí tento standard pronikl asi v roce Dosahuje přenosové rychlosti až 155Mb/s (při čtyřech paralelních linkách dokonce 622 Mb/s), používá se především pro časově kritické aplikace (přenos hlasu, videa), protože dokáže zaručit synchronní přenos dat. Technologie ATM je založena na switchování (přepínání). Protokol je bezkolizní a nepoužívá ani token, má svou inteligenci přepínání (deterministická metoda). ATM není vázána na žádnou konkrétní přenosovou rychlost (ta závisí především na možnostech použité úrovně fyzické), nemá rychlostní limit, má několik rychlostních hladin, jedna z nich je 155 Mb/s. Prodávají se i prvky pro rychlost 25, 34 nebo 50 Mb/s. V jednom přepínači mohou být interface různých přenosových rychlostí. ATM není vázána na žádnou konkrétní topologii (podporuje všechny možné topologie) ani na žádnou konkrétní přenosovou technologii na úrovni fyzické vrstvy. Ve standardu ATM se vytváří virtuální spojení dvou bodů, jedná se o tzv. spojovaný přenos dat. Nejprve se pošle požadavek přepínači, který má zabudovanou určitou inteligenci, ten vytyčí trasu přes všechny potřebné přepínače až k cíli a zjistí, zda je cesta volná. Pak pošle paket průzkumník", který ve všech uzlech po cestě vytyčí virtuální spoj. Vlastní bloky dat, které se pak posílají po síti, nenesou adresu odesílatele ani příjemce, ale jen označení virtuálního spoje. Pro odlišení se proto takovým datům neříká pakety, ale buňky (cells). Každý uzel po cestě se pak jen podívá do tabulky jím procházejících virtuálních spojů a pošle data dál. Toto spojení je mnohem rychlejší než nespojovaný přenos, kdy se přenášená data musí rozdělit na pakety a každému přidělit adresu (těmto paketům se také říká datagramy). Každý router na cestě pak musí zdlouhavě vyhledávat ve svých rozsáhlých tabulkách, kam má dále paket poslat a toto provést s každým paketem. Navíc směrovače mohou jednotlivé pakety posílat podle aktuálního vytížení sítě různými cestami, takže pak dojdou v různém pořadí. Některé pakety vůbec nedojdou a musí se žádat o opětovné poslání. V ATM je důležitým pojmem tzv. kvalita služeb (Quality of Services). Některý přenos potřebuje CBR (Constant Bit Rate), tedy zaručenou určitou stálou přenosovou rychlost. Jiným přenosům kolísání přenosové rychlosti nevadí, stačí jim ABR (Available Bit Rate), tedy dostupná 62

63 přenosová rychlost. Přidělování spojení musí řídit management, tedy program, který sít' řídí (Ethernet žádné řízení nepotřebuje). Všechny výhody ATM se projeví, pokud se jedná o čistou sít' ATM, tedy sít' ve které není Ethernet nebo FDDI, kde je tedy ATM dovedeno až k počítači. To znamená, že videosekvence nebude ničím přerušována na úrovni páteřního nebo mezikontinentálního přenosu, ale k přerušení bude docházet, jakmile data projdou kabelem Ethernetu v lokální síti, kdy narazí na kolize. V současné době se tato technologie v lokálních počítačových sítích již málo používá především z důvodu značné složitosti a vysoké ceny jednotlivých komponent. Lepší alternativou je jednodušší a levnější Fast Ethernet., příp. ještě rychlejší Gigabit Ethernet. Kabelové technologie - shrnutí Tabulka 2 Kabelové technologie Standard Přenosová rychlost Metoda přístupu Topologie ARCnet 2,5 Mb/s Token Bus sběrnicová, ARCnet Plus 20 Mb/s hvězdicová Ethernet 10 Mb/s CSMA/CD sběrnicová, hvězdicová IBM Token Ring Kabeláž koax. kabel UTP tlustý koax. kabel tenký koax. kabel UTP, optický kabel UTP, STP optický kabel UTP, STP optický kabel optický kabel Fast Ethernet 100 Mb/s CSMA/CD sběrnicová, hvězdicová Gigabit 1 Gb/s CSMA/CD sběrnicová, Ethernet hvězdicová 10 Gigabit 10 Gb/s nepoužívá sběrnicová, Ethernet CSMA/CD, full- hvězdicová duplex media 16 Mb/s Token Ring kruhová UTP, STP optický kabel FDDI 100 Mb/s modifikovaný Token Ring ATM 155 (622) Mb/s inteligence přepínání dvojitý kruh není vázána na konkrétní topologii optický kabel UTP, STP není vázána na konkrétní přenosové médium Shrnutí pojmů ARCnet, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, IBM Token Ring, FDDI, ATM Frame Relay 63

64 6 BEZDRÁTOVÉ SÍTOVÉ TECHNOLOGIE Čas ke studiu 3 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět: definovat základní bezdrátové standardy používané v mobilních zařízení Výklad Jednotlivé bezdrátové komunikační technologie se liší zejména možnou vzdáleností komunikace a s ní související délkou elektromagnetického vlnění, dosažitelnou přenosovou rychlostí a mírou zabezpečení. IrDA a Bluetooth V kategorii tzv. osobních sítí PAN (Personal Area Networks) jsou běžně realizovány přenosy pomocí infračerveného světelného spektra IrDA (Infrared Data Association) nebo velmi rozšířené rádiové technologie Bluetooth. Komunikují tak zejména mobilní zařízení typu notebooků, mobilních telefonů, handheldů apod. Infračervený přenos se prosadil v noteboocích jako způsob, jak si bezdrátově vyměňovat informace s organizéry, přenášet data pomocí mobilu v sítích GSM, či synchronizovat diáře a kontakty, eventuálně i tisknout. Z původně poměrně pomalé verze SIR (Slow Infra Red) s rychlostí pouze 115 kb/s se vyvinul až do aktuální varianty FIR (Fast Infra Red), která přenáší 4 Mb/s. Nevýhodou infračerveného přenosu je především krátký dosah, nízká bezpečnost, nutnost přímé viditelnosti, rušení různými změnami světelných podmínek a nemožnost komunikace více zařízení mezi sebou. Infrared Data Association schválila nedávno nový protokol IrSimple, pomocí něhož budou moci zařízení komunikující prostřednictvím infračerveného záření přenášet data až rychlostí 100 Mb/s. Navíc je IrSimple zpětně kompatibilní se současnou generací IrDA zařízení. Nový protokol by měl disponovat dvěma módy VFIR a UFIR. První mód VFIR (Very Fast Infra Red) nabízí zatím jen přenosovou rychlost 16Mb/s. Druhý mód UFIR (Ultra Fast Infra Red) bude podporovat již výše zmiňovaných 100Mb/s. Bluetooth je bezdrátová technologie, jež má umožňovat přímou komunikaci mezi zřízeními libovolného typu (klávesnice, myš, tiskárna, telefon, notebook), ty se však musejí nacházet v dosahu zpravidla do 10 metrů. Slouží především k nahrazení datových kabelů mezi jednotlivými zařízeními v okolí uživatele a umožňuje tak vznik bezdrátové osobní sítě. Protože jsou zde nosičem informace rádiové vlny, je eliminována nutnost přímé viditelnosti. Spojení může probíhat i mezi vícero účastníky, než jsou jen základní dva, a s pomocí této technologie lze vybudovat skutečné sítě. Podle 64

65 vyzařování a síly signálu zvládají Bluetooth zařízení přenosy na 10, 50 či 100 metrů (podle vyzařovací třídy). Většina miniaturních zařízení operuje jen do vzdálenosti 10 metrů, přístupové body a některé USB adaptéry však již dnes zvládají i desetinásobně větší vzdálenosti. 10 či 100 metrů je maximální dosah při optimálních podmínkách, přičemž jakékoliv překážky (stěny, oblečení, brašna) dosah zmenšují. Maximální datový průtok je cca 1 Mb/s, reálně však adaptéry dosahují nejvýše asi 70% hodnot. Tato šířka pásma je dostatečně široká pro většinu osobních aplikací jako tisk, synchronizace, přenos dat z klávesnice a myši apod. Bluetooth operuje v nelicencovaném frekvenčním pásmu 2,4-2,48 GHz. V tomto pásmu však pracují i bezdrátové telefony, spotřební elektronika a v neposlední řadě i bezdrátové sítě WLAN. Podle organizace Bluetooth Special Interest Group, která zaštiťuje technologii Bluetooth, se na rok 2008 chystá nová generace této bezdrátové technologie na krátké vzdálenosti. Měla by údajně přinést značné zrychlení, a to až do výše 100 Mb/s. Takto vysoké rychlosti by měly podle výše uvedené organizace bezproblémově zajistit přenos velkých objemových souborů mezi různými zařízeními či audio a video aplikace ve vysokém rozlišení. I přes tento rychlostní upgrade si má údajně nová generace Bluetooth zachovat energetickou nenáročnost jako současné Bluetooth systémy a své uplatnění najít v běžných mobilních zařízeních typu mobilní telefon, klávesnice či myš. Bude pracovat na frekvenci 6 GHz, dosah má zůstat stejný, a sice 10 až 15 metrů. Wi-Fi Širší dosah bezdrátového spojení, řádově ve stovkách metrů, nabízí dnes velmi populární standard IEEE , známější pod označením Wi-Fi (Wireless Fidelity). Využívá se zejména v komunitních typech sítí jako koncový prvek zasíťování navazující většinou na kabelového připojení nebo pro svůj původní účel, kterým bylo vytvoření spojení mezi počítači v kategorii SOHO (Small Office Home Office). Bezdrátové komunikační médium (dále jen médium) využívá radiové a mikrovlné frekvence pro reprezentaci jednotlivých bitů datové komunikace. Jako datové médium není bezdrátové spojení omezeno na vodivé cesty, jako metalická spojení. Bezdrátové technologie fungují bezvadně v otevřených oblastech, s minimálním počtem překážek. Různé materiály používané při konstrukci budov, stejně jako různé terénní překážky typu kopec, nebo obyčejný strom silně limitují použití bezdrátových technologií. Je to z toho důvodu, že použitá komunikační frekvence, respektive její vlnová délka je již velmi malá a jakákoliv překážka srovnatelných rozměrů způsobí buď odraz, nebo pohlcení vlny. Proto bývá velkým problémem například strom a jeho listí, které je velmi účinný stínící prvek v datové cestě bezdrátové komunikace. Bezdrátové médium je sdílené, není totiž možné omezit jeho působnost na určitou oblast a je přístupné všem uživatelům v oblasti. Díky tomu je náchylné na ostatní elektromagnetické rušení v oblasti, jako například různé domovní bezdrátové telefony, mikrovlnné trouby, nebo i zářivkové osvětlení. Přínosy bezdrátové komunikace jsou evidentní. Zvláště případě nových technologií, které umožňují nahrazení metalického vedení bezdrátovým komunikačním kanálem bez nutnosti dodatečných finančních nákladů a bez významné ztráty komunikační rychlosti. Navíc se v dnešní době počítá i komfort, kdy již uživatel není vázán kabelem k nejbližší zásuvce a může využívat internetové připojení v celém bytě / firmě. Tyto technologie s sebou přináší i bezpečností rizika, hlavně z toho důvodu, že se jedná o sdílené médiu a koncové uživatelské zařízení je tedy viditelné všemi ostatními 65

66 uživateli v síti. V současné době jsou již kryptovací algoritmy na vysoké úrovni a není třeba se obávat narušování soukromí. Na technologii Wi-Fi je v současnosti nahlíženo jako na dostupnější a technologicky progresivnější alternativu ke klasickým kabelovým ethernetovým síťovým prostředím a vedením. Pro samotné uživatele se na chodu jejich připojení k síti nic nemění. Síťové adaptéry standardu IEEE představují v podstatě výkonné rádiové vysílače a přijímače, pro jejichž provoz většina států uvolnila nelicencované frekvenční pásmo kolem 2,4 GHz. V některých zemích se stejným způsobem zpřístupnila i frekvence 5 GHz, tato frekvence byla v roce 2005 Českým telekomunikačním úřadem zpřístupněna i v České republice. Bezdrátové připojení k internetu pomocí Wi-Fi lze pořídit jak na komerční bázi, tak i na komunitní bezplatné. Podmínkou obou je dostupnost signálu v daném místě a úskalím komunitní sítě je neexistující garance kvality služeb. Pokrytí území Wi-Fi signálem se rychle rozšiřuje a technologie nalézá uplatnění v řadě dalších, pro svět bezdrátové komunikace netypických zařízení, jako jsou například tiskárny, tiskové servery nebo fotoaparáty. Přístupové body, tzv. hotspoty, pokrývají veřejné budovy a prostranství, a umožňují mobilní využití řady služeb a funkcí včetně internetové telefonie VoIP (Voice-over-Internet Protocol). Přehled standardů O standardizaci bezdrátových sítí se stará organizace IEEE. Jejím produktem je především v současné době asi nejrozšířenější standard b, který označuje bezdrátovou síť operující na frekvenci 2,4Ghz s maximální přenosovou rychlostí 11 Mb/s. Postupným vývojem docházelo ke vzniku pracovních podskupin, které se označují písmeny za číslem standardu Zaměření jednotlivých podskupin uvádí následující přehled: a - pracuje v pásmu 5 GHz s teoretickou rychlostí až 54 Mb/s (reálná přenosová rychlost se pohybuje do 35 Mb/s), dosah m, též označované jako WiFi b - pracuje v pásmu 2,4 GHz s rychlostí až 11 Mb/s (reálná přenosová rychlost se pohybuje do 5-6 Mb/s), dosah do 100 m uvnitř budov (venku až do 300m) c - řeší práci komunikačních mostů v rámci podvrstvy MAC (Media Access Control) standardu d - mezinárodní harmonizace. Se vznikem standardu se ukázalo, že je potřeba mezinárodní kooperace a harmonizace. Problémy způsobovaly různé možnosti využití např. pásma 5Ghz (v některých státech je možné využívat pouze část jeho spektra) e - rozšíření MAC o QoS (Quality of Services - kvalita služeb) f - Inter Access Point Protocol (IAPP), vylepšuje mechanismus předávání stanic (roaming) při přechodu mezi dvěma rádiovými kanály nebo z jedné sítě do sousední s připojením k jinému přístupovému bodu g - zvýšení rychlosti v pásmu 2,4 GHz na 54 Mb/s se zpětnou kompatibilitou s b (reálná přwenosová rychlost se pohybuje do 30 Mb/s, v kombinaci s b ještě nižší), dosah do 150 m h - změny v řízení přístupu k spektru 5 GHz, odpověď na připomínky regulátorů evropských zemí tak, aby bylo možno sítě v pásmu 5 GHz (802.11a) využívat i mimo budovy i - zlepšení bezpečnosti v bezdrátových sítích vylepšením autentifikačního a šifrovacího algoritmu j - pracovní skupina specializující se na přizpůsobení bezdrátových sítí japonským podmínkám. 66

67 802.11n Standard slibuje zvýšené přenosové rychlosti minimálně na 100 Mb/s. Propracovanější je i správa transportu dat, která usnadní přenos multimediálního obsahu a přitom je šetrnější ke spotřebě baterií koncového zařízení. Standard se neomezuje jen na frekvenci 2.4GHz, ale využívá i pásmu 5GHz. Typické datové rychlosti jsou do 210Mbps na vzdálenosti až 70m. Bezdrátové sítě podle IEEE jsou sdílené sítě, takže všichni aktivní uživatelé se dělí o dostupné pásmo. Pro přístup k rádiovému přenosovému kanálu se používá metoda CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Oproti pevnému Ethernetu stanice ve Wi-Fi musejí nejen naslouchat, zda médium je volné a mohou vyslat připravená data, ale musejí se aktivně vyhnout kolizím nikoli je pouze detekovat. Příjemce (případně přístupový bod) po obdržení paketu vyšle potvrzení přijetí paketu. Vyloučení kolizí není stoprocentní, ale mechanismem CSMA/CA se kolize minimalizují. V případě horší viditelnosti" stanic navzájem a tím zvýšeného rizika kolizí se uplatňuje mechanismus RTS/CTS (Request to Send/ Clear to Send), kde přístupový bod na základě požadavku přímo udělí stanici právo vysílat v danou dobu. Bylo by pošetilé domnívat se, že bezdrátová komunikace = standard IEEE mám řadu další bezdrátových standardů, které jsou určeny pro datovou komunikaci. Standard je jen nejrozšířenější a nejhlouběji zakotveno v povědomí uživatelů. Pro úplnost uveďme 4 základní komunikační standardy 2. vrstvy ISO/OSI modelu: Standard IEEE běžně označovaný termínem WiFi. Jedná se o bezdrátovou LAN technologii, která využívá nedeterministického přístupu ke sdílenému médiu a využívá metodu přístupu CSMA/CA Standard IEEE tento standard využívá známá technologie BlueTooth a slouží k propojení zařízení v tzv. WPAN (Wireless Personal Area Network). Běžná komunikační vzdálenost je do 10m, výjimečně až 100m. Standard IEEE Tato technologie je běžně známá pod označením WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Využívá přístup bod -> multibod pro zajištění širokopásmového přístupu k síti. Této technologie využívá v některých oblastech Policie České Republiky. Technologie GSM (Global System for Mobile Communication) využívá pro datový přenos mezi operátorem a uživateli GSM sítě protokol 2. vrstvy OSI modelu s názvem GPRS (General Packet Radio Service). Jsou zde samozřejmě i další technologie, například satelitní komunikace, která zajišťuje datové propojení v oblastech, kde není možné zajistit jinou komunikační alternativu, nicméně jsou velmi málo využívané už z důvodu ceny a rychlosti komunikace. Rychlost přenosu Na rychlosti realizovaného bezdrátového připojení se podílejí tři okolnosti. První souvisí s dostupnou kvalitou (sílou) signálu. Je-li příjem frekvence něčím rušen nebo stíněn, dojde k řízenému přeskoku na nižší přenosovou rychlost. Druhým aspektem ovlivňujícím rychlost přenosu je sdílení stejného frekvenčního pásma více uživateli. Dochází tak k rozkládání datových toků, čímž se konečná rychlost přenosu pro každé připojené zařízení úměrně snižuje. Třetí vliv podílející se na snížení přenosové kapacity spočívá v provozu protokolů vyšších vrstev sítě. Ty zabezpečují vlastní přenos dat, 67

68 a jsou tak nutnou režií provozu každé sítě. Skutečná přenosová rychlost představuje proto přibližně polovinu maximální dosažitelné rychlosti. Topologie Wi-Fi sítě mají ve standardech nadefinovány dva základní druhy sítí, od kterých se pak odvozuje topologie. Jedná se o sítě typu Ad-hoc a sítě typu Infrastructure. Bezdrátová zařízení mohou pracovat ještě v několika dalších různých módech, vždy se však jedná o poměrně proprietární technologii jednoho výrobce a pro správnou funkci je obvykle nutno použít síťové prvky stejného výrobce. Sítě Ad-hoc Obrázek 48 Typ sítě Ad-hoc Sítě typu Ad-hoc jsou pravděpodobně nejlepší variantou v případě, kdy potřebujeme bezdrátově spojit několik málo počítačů, např. v jedné kanceláři. Pracují totiž na principu peer-topeer, tzn., že všechny počítače připojené do sítě si jsou rovny. Tento princip přináší řadu výhod i nevýhod. Mezi výhody patří především to, že není potřeba žádné centrum sítě (Access point). Hlavní nevýhodou však je, že všechny počítače připojené do sítě musí být ve vzájemném dosahu. Aby toho bylo možno dosáhnout, tak se buď počítače musí nacházet velmi blízko sebe (např. pouze v rámci jedné kanceláře) nebo je potřeba vyšších výkonů Wi-Fi zařízení. Další nevýhodou je nízká úroveň zabezpečení takové sítě. Pomocí ad hoc připojení se může klient spojit s kýmkoli, kdo je v dosahu. Především kvůli omezení vzdálenosti se sítě typu Ad-hoc využívají minimálně a většinou pouze v domácích podmínkách, kdy lze například tímto způsobem propojit notebook se stolním PC, a není tedy nutno neustále připojovat a odpojovat kabel. Sítě Infrastructure Mnohem rozšířenější jsou sítě typu Infrastructure. Jejich princip je založen na použití přístupového bodu (Access Point, zkráceně AP). AP slouží jako centrum sítě, umožňuje filtrovat a kontrolovat provoz svého úseku sítě a současně jej zpřístupňuje klientům, a tudíž jednotliví klienti již nepotřebují být v dosahu všech ostatních počítačů připojených do sítě, ale stačí jim pouze přístup na jeden AP. Výhodou takového řešení je také mnohem vyšší úroveň zabezpečení provozu sítě. AP přeposílá požadavky mezi jednotlivými klienty (v kabelových sítích se za ekvivalent AP dá považovat přepínač, resp. rozbočovač), případně i do Internetu. Většinou se vytváří řešení, kdy se rozvede páteřní síť pomocí Ethernetu (za použití krouceného dvojlinky, příp. optických kabelů) a na strategických místech se umístí přístupové body, které umožní přístup bezdrátovým klientům. Vzhledem k tomu, že klient musí komunikovat pouze s jedním AP, tak je možné použít směrové 68

69 antény s větším ziskem a díky nim je možné dosáhnout mnohem větších vzdáleností, na které tato síť může pracovat (maximální hodnoty se pohybují v řádu jednotek kilometrů). Řada výrobců dnes slučuje přístupové body se směrovači a přepínači pro kabelový Ethernet a většinou i modem některého z typů širokopásmových připojení (ADSL, kabelový internet atd.). Obrázek 49 Typ sítě Infrastructure Vybavení Na rozdíl od standardních kabelových sítí, u kterých postačí k propojení jednotlivých počítačů zakoupení jakékoliv síťové karty, v oblasti bezdrátových sítí je situace poněkud složitější. Na výběr je několik typů bezdrátových adaptérů pro PC. PCI síťové karty - začínají se rozšiřovat teprve v poslední době a poskytují poměrně levnou možnost připojení k bezdrátové síti. Anténa bývá většinou malá, našroubovaná přímo na konektor síťové karty, případně na krátkém kabelu, avšak její zisk je velmi malý - max. několik db, což postačuje pro provoz např. v kanceláři, avšak pro delší venkovní spoje je nevhodná. Zde je již nezbytností přikoupit externí anténu s vyšším ziskem. PCMCIA karty - karty do slotu PCMCIA (známého především z notebooků) se začaly rozšiřovat pravděpodobně nejdříve. Pro majitele notebooku není problém kartu vložit do volného slotu, v současné době, kdy se bezdrátový přenos často využívá i ve stolních počítačích, se můžeme setkat také s redukcemi PCMCIA PCI (příp. PCMCIA ISA). Díky nim je možno tyto karty využívat i ve stolních PC. PCMCIA karty mají obvykle integrovanou malou anténku, o které platí totéž, co bylo napsáno u PCI karet, tedy že zisk postačuje pro provoz víceméně pouze v jedné místnosti. Ke zvýšení dosahu je nutno připojit externí anténu. Některé karty však bohužel nemají konektor pro připojení externí antény. Pokud ho mají, obvykle je třeba použít speciální kabel - tzv. pigtail, který je obyčejně dodáván i s PCMCIA kartou. Ten vytváří v podstatě redukci mezi malým konektorem na síťové kartě (který musí být malý z důvodu rozměru PCMCIA slotu) a standardním konektorem, např. N konektor, který se často používá u externích antén. USB adaptéry - v poslední době se začínají rozšiřovat také USB bezdrátové adaptéry. Jejich výhody jsou zejména v příznivé ceně (jen mírně vyšší než PCI síťové karty), v možnosti jejich rychlého připojení a odpojení k danému počítači, a také v umístění adaptéru přímo tam, kde má nejlepší signál (na USB kabelu dlouhém max. 5m). Mezi nevýhody patří především to, že většina výrobců je nevyrábí s výstupem na externí anténu (tento problém většina uživatelů řeší tím způsobem, že připájí drát přímo na konektory v adaptéru). Access point (AP)- vybrat AP je asi to nejtěžší při budování celé sítě. Především je potřeba zvážit, jakou oblast má pokrýt, a podle toho volit antény. Důležité jsou také další možnosti, které poskytuje AP - bezpečnost (WEP, filtrování MAC adres), další možnosti připojení (Ethernet konektor) nebo síťové služby (DHCP, firewall apod.). 69