1. Základní pojmy počítačových sítí Studijní cíl V této kapitole je představen smysl počítačových sítí, taxonomie, obecný model architektury, referenční modely a na závěr prvky tvořící počítačové sítě. Doba nutná k nastudování 4 hodiny Úvod. Počítačová síť je systém, který vznikne vzájemným propojením počítačů s cílem komunikovat a společně využívat prostředky připojené k jednotlivým počítačům. Přímé propojení dvou počítačů kabelem tvoří nejmenší možnou síť. Definice počítačových sítí Skupinu prvků považujeme za síť, pokud obsahuje síťový operační systém a síťové prvky. Umožňující uživatelům komunikaci podle určitých pravidel, za účelem sdílení a využívání společných zdrojů nebo výměnu zpráv. Taxonomie počítačových sítí Počítačové sítě můžeme rozdělit do různých skupin podle kritérii, které nemusí být přesně definována a můžou se vzájemně prolínat. To znamená, že výsledné skupiny nemají pevně určeny hranice a jedna síť může patřit do více skupin současně. Sítě rozdělujeme podle rozlehlosti Toto dělení sítí udává, na jak velké geografické vzdálenosti se rozpínají jednotlivé sítě. Tyto vzdálenosti se pohybují od řádů metrů až po stovky kilometrů. Následující tabulka představuje souhrn rozdělení počítačových sítí podle geografické vzdálenosti. Počítačové sítě I. 1 (8) KST/IPS1
Tabulka 1 Rozdělení sítí podle vzdálenosti Vzdálenost Celek Typ sítě 1 m metr čtvereční PAN 10 100 m místnost budova LAN 1000 m kampus LAN 10 km město MAN 100 km stát WAN 1000 km kontinent WAN 10000 km planeta Internet [2],[4] na sítě LAN (Local Area Network lokální sítě), které jsou omezeny na jedno lokální místo. Spojují uzly v rámci jedné budovy nebo několika blízkých budov do vzdálenosti stovky metrů až km (při použití optického média). Zajišťují sdílení lokálních prostředků (tiskáren, dat, aplikací). Nejčastěji je dnes používána technologie Ethernet, na sítě WAN (Wide Area Network rozlehlé sítě). Tyto sítě se skládají z více vzájemně propojených sítí LAN. Dělení podle síťové topologie Jedná se o způsob propojení jednotlivých zařízení v síti. Typ propojení nám udává, jak budou data přenášena po síti. Topologie počítačové sítě je důležitá při konstrukci nové sítě, kde se rozhoduje o budoucích vlastnostech daného síťového spojení. Lze ji rozčlenit do dvou základních skupin a to: fyzická topologie (určuje fyzické zapojení sítě), logická topologie (určuje, jak probíhá komunikace mezi uzly). Dále budou rozebírány pouze fyzické topologie. Podle typu fyzického propojení se dělí na následující základní kategorie: Kruhová topologie Kruhová topologie, také nazývaná jako RING, je zapojení síťových zařízení do kruhu. Pokud jedna stanice se stane nefunkční, pak i celá síť je nefunkční. Příkladem kruhové topologie je technologie Token Ring nebo FDDI. Pro posílení spolehlivosti této topologie se kruhové vedení zdvojuje. To nám zaručí, že při výpadku jednoho okruhu síť bude nadále funkční [1]. Počítačové sítě I. 2 (8) KST/IPS1
Obrázek 1 Znázornění kruhové topologie Sběrnicová topologie Sběrnicová topologie označovaná také jako BUS, je propojení síťových zařízení ke společnému sdílenému médiu takzvané sběrnici. Všechny stanice připojené ke sběrnici vidí všechna data jdoucí po sběrnici [1]. Obrázek 2 Znázornění sběrnicové topologie Topologie hvězda Jak již název vypovídá, všechna zařízení jsou propojena do takzvané hvězdy s centrálním propojovacím prvkem. Tento prvek představuje hlavní bod, přes který prochází celá komunikace. Střed topologie je většinou zastoupen rozbočovači nebo přepínači. Při výpadku centrálního prvku je komunikace koncových zařízení ztracena. Jedná se o nejčastěji využívaný typ topologie při budování novodobých sítí. K propojení se využívá nejčastěji UTP nebo STP kabelů [1]. Počítačové sítě I. 3 (8) KST/IPS1
Obrázek 3 Hvězdicová topologie Dělení podle postavení uzlů sítě Jedná se o dělení, které uvažuje role jednotlivých uzlů (nejčastěji PC, server) v síti. Tyto role jsou dvě a to: klient (využívá zdroje ostatních uzlů za pomoci sdílení), server (nabízí své zdroje pro ostatní uzly formou sdílení). Tyto sítě vznikly především pro potřeby sdílení. Podle typu chování jednotlivých uzlů se dělí na následující. Dělení dle přenosového média Hlavním účelem počítačových sítí je přenos dat. Tyto data jsou přenášena pomocí určitého typu nosného média. metalické kabely, optické kabely, bezdrátový rádiový přenos (WiFi - LAN). Dělení dle používané přenosové technologie Jedná se o technologie používané k přenosu dat na lokálních, popřípadě městských sítích. Tato část bude zaměřena především na jednu z přenosových technologií nazývanou Ethernet. Jde o stěžejní technologii v soudobých počítačových sítích. Výhodou této technologie je škálovatelnost a kompatibilita s novějšími technologiemi jako jsou Fast Ethernet a Gigabit Ethernet. Je postavena na standardu IEEE 802.3. Jde o metodu řízení přístupu k médiu, při níž všechna zařízení sdílejí stejnou šířku pásma. Využívá se zde technologie CSMA/CD představující řízení vícenásobného přístupu ke sdílenému médiu za pomocí detekce kolizí. Cílem této technologie bylo odstranit současné vysílání Počítačové sítě I. 4 (8) KST/IPS1
více stanic (předcházet kolizím vysílaných signálů) a rovnoměrně sdílet šířku pásma. Dělení sítí dle vlastnictví Další kritérium dělení je vztah k vlastnictví sítě. Zde je třeba uvažovat brát v úvahu, kdo je vlastníkem sítě jako celku, kdo je faktickým provozovatelem sítě, kdo je uživatelem sítě, komu smí být služby síti poskytovány a jaké služby jsou poskytovány. Z těchto hledisek existují sítě privátní, poloprivátní, veřejné, lze sem zařadit dále též virtuální privátní sítě. Obecný model architektury počítačových sítí Architektura počítačových sítí byla od svého počátku navržena tak, aby odlišovala tři základní části komunikačního systému: technologie pro přenos signálu (metalická kabeláž, radiové vlny, optická vlákna), vrstvu pro zajištění spolehlivého přenosu (TCP/IP, IPX/SPX, AppleTalk, SNA, DEC-net), aplikační vrstvu, která poskytuje služby uživateli. Model TCP/IP je standardem Internetu a dnes je implementován jako přenosová vrstva většiny počítačových sítí. Referenční modely Mezinárodní ústav pro normalizaci ISO (International Standards Organization) vypracoval tzv. referenční model OSI (Open Systems Interconnection), který rozdělil činnost v síti do 7 vzájemně spolupracujících vrstev. Aplikační vrstva (Application Layer) Aplikační vrstva je rozhraním mezi vlastními aplikačními programy. Nabízí a zajišťuje přístup k souborům (na jiných počítačích), vzdálený přístup k tiskárnám, e-mail, vzdálený přístup a další. Prezentační vrstva (Presentation Layer) Má na starosti transformaci dat a formátování kódu. Prostřednictvím převodních služeb tato vrstva zajišťuje, že data odeslaná z aplikační vrstvy jednoho systému budou čitelná i v aplikační vrstvě cílového systému. Relační vrstva (Session Layer) Navazuje a po skončení přenosu ukončuje spojení. Poskytuje určité služby spojené s relacemi při přenosu dat, například vkládá do přenášených dat kontrolní body, které v případě přerušení spojení umožní po jeho opětovném navázání pokračovat ve stejné relaci počínaje posledním kontrolním bodem. Počítačové sítě I. 5 (8) KST/IPS1
Transportní vrstva (Transport Layer) Přebírá od relační vrstvy data určená k přenosu. Tato data dle potřeby rozděluje na menší části, které předává síťové vrstvě. Na přijímající straně skládá transportní vrstva z došlých částí původní data. To znamená, že si musí umět poradit s případnými ztrátami, duplikacemi a změnami pořadí jednotlivých částí Síťová vrstva (Network Layer) Je zodpovědná za spojení a směrování mezi dvěma počítači nebo celými sítěmi (tj. (Network Layer) uzly), mezi nimiž neexistuje přímé spojení. Zajišťuje volbu trasy při spojení (mezi uzly bývá více možných cest pro přenos paketu) (Volbu trasy nazýváme směrováním routingem). Linková (spojová) vrstva (Data-link Layer) Vysílající strana posílá data po skupinách bitů vložených do tzv. rámců. Přijímající strana musí v posloupností bitů získané z fyzické vrstvy rozlišit hranice jednotlivých rámců a vyjmout jejich obsah. Součástí úkolů linkové vrstvy je vyřešit problémy spojené se ztrátami, poškozeními a duplikacemi rámců, ke kterým může dojít při přenosu. Fyzická vrstva (Physical Layer) Úkolem této vrstvy je přenést posloupnost bitů přes fyzické přenosové médium. Součástí fyzické vrstvy je popis mechanických, elektrických a procedurálních vlastností rozhraní přenosového média Model ISO/OSI Architektura TCP/IP Obrázek 4 Porovnání sady protokolů architektury TCP/IP a modelu ISO/OSI Počítačové sítě I. 6 (8) KST/IPS1
Prvky tvořící počítačové sítě Síťové prvky tvoří základ pro stavbu počítačových sítí. Dají se rozdělit do dvou základních skupin a to aktivní síťové prvky a pasivní síťové prvky. Mezi aktivní prvky patří zařízení starající se o zpracování přenášeného signálu (obnova, směrování, přeposílání, apod.). Naopak pasivní prvky pouze nesou tento signál. Mezi ně patří datové vodiče, konektory, rozvaděče, patch panely a další. Shrnutí kapitoly Počítačová síť je systém, tvořený soustavou vzájemně propojených počítačů a dalších výpočetních prostředků. Základním principem je komunikace uživatelů a společné využití programových a technických prostředků (sdílení). Počítačové sítě lze klasifikovat podle různých kritérií, přičemž základní rozdělení je na sítě klient-server a peer-to-peer, dále pak LAN, MAN, WAN sítě. Možnosti počítačových sítí jsou velmi rozsáhlé, od lokálních sítí v rámci firem až po celosvětovou síť Internet. Otázky na procvičení: 1. Co je to počítačová síť? 2. Jakými prvky je tvořena počítačová síť? 3. Jak rozdělujeme počítačové sítě? 4. Vysvětlete pojmy plan, LAN, MAN. 5. Popište jednotlivé vrstvy modelu TCP/IP? 6. Jaké jsou výhody referenčních modelů? Literatura [1] BIGELOW, Stephen J. Mistrovství v počítačových sítích: Správa, konfigurace, diagnostika a řešení problémů. Petr Matějů. Brno: Computer Press, 2004, 992 s. Mistrovství. ISBN 80-251-0178-9. [2] TRULOVE, James. Sítě LAN: hardware, instalace a zapojení. T. Znamenáček. P. Somogyi. Praha 7: Grada Publishing, 2009, 384 s. Profesional. ISBN 978-80-247-2098-2. Počítačové sítě I. 7 (8) KST/IPS1
[3] Peer-to-Peer sítě. NOVOTNÝ, Miroslav. Ulita v.t.m. [online]. 3.12.2009 [cit. 2012-04-11]. Dostupné z: http://ulita.ms.mff.cuni.cz/pub/predn/pds/dht.pdf [4] HORÁK, Jaroslav a Milan KERŠLÁGER. Počítačové sítě pro začínající správce: 3. aktualizované vydání. Brno: Computer Press, 2006. ISBN 80-251-0892-9. Počítačové sítě I. 8 (8) KST/IPS1