Počítačové sítě – definice, dělení, topologie a přístupové metody

Počítačová síť propojuje počítače a další zařízení tak, aby si mohly vyměňovat data a sdílet prostředky. Tahle stránka vysvětluje, z čeho se síť skládá, podle čeho se sítě dělí, jak mohou být stanice propojeny (topologie) a jak se stanice dohodnou, kdo smí zrovna vysílat (přístupové metody). Na ni navazuje model ISO/OSI a TCP/IP, který komunikaci rozkládá do vrstev.

Co je počítačová síť

Počítačová síť je souhrnné označení všech technických a programových prostředků, které zajišťují spojení a výměnu informací mezi počítači či jinými zařízeními. Umožňuje uživatelům komunikovat podle určitých pravidel – vyměňovat si zprávy a data nebo společně využívat síťové služby.

Stejnou věc lze říct i jinými slovy:

• spojení dvou nebo více počítačů tak, aby mohly navzájem komunikovat a sdílet zdroje (informace, software, zařízení),
• množina vzájemně propojených aktivních prvků,
• soustava vzájemně propojených sítí – tzv. katenetový model, podle kterého je postaven i Internet („síť sítí“).

Za počítačovou síť se nepovažuje propojení dvou počítačů přes sériový nebo paralelní port – síť vzniká až propojením přes síťová rozhraní (síťové karty).

Z čeho se síť skládá

Technické prostředky se obvykle dělí na pasivní prvky (kabeláž a její bezdrátová náhrada, konektory, zásuvky, rozvaděče), aktivní prvky počítače (síťová karta), aktivní prvky sítě (hub, switch) a prvky pro vzájemné propojení sítí (router, bridge, gateway). Podrobně je rozebírají stránky pasivní síťové prvky a kabeláž a aktivní síťové prvky a síťová karta.

Proč se sítě budují

• sdílení technických prostředků – paměťové jednotky, tiskárny, plottery, skenery,
• sdílení programových prostředků – databáze, instalační programy, vzdálené zavádění operačního systému, společná data,
• komunikace mezi uživateli – elektronická pošta, chat a komunikační programy, sociální sítě,
• sdílení informací,
• ochrana a zálohování dat – data jsou uložena centrálně a zálohují se na jednom místě,
• zábava – síťové hry, streamování.

Pravidla, která musí síť splňovat

• Počítače musí používat stejné komunikační protokoly, tedy stejné postupy pro odesílání a přijímání dat.
• Data musí být doručena nezkreslená, tedy stejná, jako byla odeslána.
• Musí existovat způsob, jak přijímající počítač potvrdí odesílajícímu, že data přijal v pořádku, nebo mu oznámí, že dorazila poškozená.
• Každý počítač musí mít adresu, aby bylo poznat, odkud data pocházejí a kam směřují.
• Provoz musí být bezpečný – musí existovat metoda, jak počítače v síti identifikovat a ověřit.

Základní pojmy

• Datový paket (rámec) – přenášená data se dělí na menší bloky, které se balí do paketů (na linkové vrstvě se jim říká rámce). Paket se skládá z hlavičky (kdo ho poslal, komu patří, jaký protokol nese, kontrolní součet) a z vlastních dat.
• Fyzická adresa (MAC) – každé zařízení se do sítě připojuje síťovou kartou, která má jednoznačnou 48bitovou fyzickou adresu MAC, např. 00-1A-2B-3C-4D-5E.
• Logická adresa (IP) – adresa, kterou zařízení dostane v síti a podle které se data směrují mezi sítěmi, viz IPv4 adresování.
• Protokol – dohodnutá pravidla komunikace: formát zpráv, jejich pořadí a reakce na ně.

Výpočetní model – role uzlů v síti

Podle toho, jak spolu uzly spolupracují při provozování aplikací, se mluví o výpočetním modelu. Některé uzly jsou servery, některé klienti, jinde jsou si všechny rovny.

Síť přitom může fungovat různými způsoby: spojovaně / nespojovaně, spolehlivě / nespolehlivě, na principu přepojování okruhů / paketů, stylem „best effort“ (snaha bez záruky) nebo s garancí kvality (QoS), blokově nebo proudově.

Dělení počítačových sítí

Sítě lze třídit podle mnoha kritérií. Přehled nejčastějších:

Podle velikosti (dosahu)

• PAN (Personal Area Network) – osobní síť jednotlivce nebo velmi malé skupiny. Propojuje hlavně mobilní zařízení (telefon, notebook, sluchátka, hodinky) na vzdálenost nejvýše několika metrů. Bývá bezdrátová – Bluetooth, dříve IrDA (infračervený přenos), případně Wi-Fi nebo USB.
• HAN (Home Area Network) – domácí síť; novější pojem pro síť počítačů, televize, tiskárny a chytrých spotřebičů v domácnosti.
• LAN (Local Area Network) – lokální síť na omezeném prostoru: místnost, budova, firma. Propojuje koncové uzly typu počítač, tiskárna, server. Používá se hlavně přepínaný Ethernet (IEEE 802.3) a Wi-Fi (IEEE 802.11). Infrastrukturu tvoří metalické kabely, případně optická páteř. Rychlosti začínají na desítkách Mb/s a nejnovější technologie dosahují desítek Gb/s. Bezdrátově vytvořená lokální síť se nazývá WLAN.
• CAN (Campus Area Network) – síť areálu, např. univerzity nebo podniku s více budovami.
• MAN (Metropolitan Area Network) – síť v rámci města, větší než LAN a menší než WAN. Všeobecně přijatá definice neexistuje – může jít o síť s dosahem celého města nebo o síť sloužící potřebám města. IEEE pro ni vydalo standard DQDB (IEEE 802.6); dnes se používá hlavně metropolitní Ethernet.
• WAN (Wide Area Network) – rozlehlá síť pokrývající rozsáhlé území, státy i kontinenty. Propojují se přes ni jednotlivé lokální sítě, aby mohly komunikovat na velké vzdálenosti. Největší a nejznámější WAN je Internet.

Mezi technologie lokálních sítí patří Ethernet, Fast Ethernet a Gigabit Ethernet (IEEE 802.3), Token Bus (IEEE 802.4), Token Ring (IEEE 802.5), IsoEthernet (IEEE 802.9), bezdrátové sítě Wi-Fi (IEEE 802.11), 100VG-AnyLAN (IEEE 802.12), FDDI a Fibre Channel. Arcnet je dnes mrtvá technologie a v praxi zbyly prakticky jen Ethernet a Wi-Fi.

Vnitřní struktura rozlehlé sítě

• Páteřní sítě propojují několik málo míst a jsou velmi rychlé a spolehlivé.
• Sítě „střední míle“ tvoří přechod mezi přístupovou a páteřní sítí.
• Přístupové sítě („poslední míle“) vedou od místa, kde končí vlastní síť poskytovatele, až k zákazníkovi.

Podle přenosové techniky a způsobu komunikace

• Sítě s přepojováním okruhů – před přenosem se mezi účastníky vytvoří vyhrazený okruh, který jim patří po celou dobu spojení (klasická telefonní síť).
• Sítě s přepojováním paketů – data se dělí na pakety, které putují sítí samostatně a sdílejí linky s pakety ostatních (Internet).
• Spojované sítě – před zahájením přenosu se musí navázat spojení: uzly se domluví s aktivními prvky a s protějškem a vznikne virtuální kanál, kterým data tečou.
• Nespojované sítě – spojení se nenavazuje, data se pošlou do sítě a ta je filtruje a směruje k cíli. Patří sem technologie založené na všesměrovém vysílání (broadcastu) – Ethernet, Token Ring, FDDI: rámec dorazí ke všem uzlům a každý uzel sám rozhodne, zda je adresátem.

Rozdíl mezi přepojováním okruhů a paketů je podrobněji vysvětlen na stránce informace, signály a přenosový kanál.

Podle přenosového média

• Metalické (drátové) – kroucená dvoulinka (twisted pair) nebo koaxiální kabel.
• Optické – optická vlákna.
• Bezdrátové – Wi-Fi, Bluetooth, IrDA, mobilní a satelitní sítě.

Podle vlastnictví a způsobu použití

• Privátní síť patří jedné organizaci, veřejnou síť může za úplatu používat kdokoli. Virtuální privátní síť (VPN) vytváří přes veřejnou síť šifrovaný tunel, takže se vzdálený počítač chová, jako by byl přímo v privátní síti.
• Intranet slouží vnitřním potřebám provozovatele – skupinové plánování a úkolování, sdílení dokumentů, interní komunikace.
• Extranet je zpřístupněn „směrem ven“, hlavně zákazníkům a partnerům – objednávky, prodej a další aplikace z oblasti e-commerce a e-business.

Topologie sítě

Topologie popisuje, jak jsou stanice v síti propojeny. Je součástí síťového standardu a podstatně určuje vlastnosti výsledné sítě – cenu, spolehlivost i rychlost.

• Fyzická topologie popisuje skutečnou konstrukci sítě: uzly, zapojená zařízení a jejich umístění, nainstalované kabely a přípojky mezi nimi.
• Logická topologie popisuje, jak data sítí skutečně tečou z jednoho zařízení do druhého. Nemusí kopírovat fyzické zapojení – například hub zapojený do hvězdy se logicky chová jako sběrnice.

Sběrnice (bus)

Stanice jsou připojeny k jednomu průběžnému vedení, které vede od stanice ke stanici. Používal se koaxiální kabel s konektory BNC, stanice se připojovaly odbočovacími T-konektory a oba konce vedení musely být zakončeny terminátorem, který brání odrazu signálu zpět do kabelu.

• Výhody: malá spotřeba kabelu, nízká cena kabeláže, snadné rozšíření.
• Nevýhody: mnoho spojů na kabelu jako možných míst poruchy, složitá lokalizace poruchy, přerušení kabelu odstaví celou síť, rychlost nejvýše 10 Mb/s. Dnes se nepoužívá.

Hvězda (star)

Každá stanice je připojena vlastním kabelem k centrálnímu aktivnímu prvku – dříve hubu, dnes switchi. K propojení se používá kroucená dvoulinka (UTP).

• Výhody: nízká náchylnost k chybám, porucha jednoho kabelu vyřadí jen připojený počítač, snadná lokalizace poruchy, snadné přidání stanice.
• Nevýhody: vyšší spotřeba kabelu, je nutný aktivní prvek a jeho výpadek odstaví celou hvězdu.

Spojením několika hvězd přes další přepínač vznikne rozšířená hvězda a hierarchickým řazením strom – tak jsou zapojeny dnešní lokální sítě.

Kruh (ring)

Spojovací vedení stanic tvoří uzavřený kruh (fyzický nebo jen logický). Data putují jedním směrem od stanice ke stanici a právo vysílat se předává pomocí tokenu (pešek, speciální rámec).

• Výhody: jednoduchý přenos jedním směrem, nevznikají kolize, protože vysílá vždy jen jedna stanice; kabeláž je levnější než u hvězdy.
• Nevýhody: data musí projít mnoha uzly, než dorazí k cíli; selhání jednoho uzlu nebo kabelu zhroutí celou síť (pokud kruh není zdvojený, jako u FDDI); závada se obtížně hledá.

Nesystematická (polygonální, mesh) topologie

Uzly jsou propojeny nepravidelně, často několika cestami zároveň. Úplná síť (každý s každým) je nejspolehlivější, ale nejdražší; částečná se používá v rozlehlých sítích a v páteři Internetu, kde výpadek jedné linky obejdou směrovače jinou cestou.

Přístupové metody

Přístupová metoda určuje pravidla, podle kterých stanice přistupují ke sdílenému komunikačnímu kanálu (kabelu nebo rádiovému pásmu). Zajišťuje, aby v jednom okamžiku vysílala jen jedna stanice – jinak by se signály navzájem rušily.

• Náhodné (stochastické) metody – stanice vysílá, kdy potřebuje, a s kolizí se počítá; patří sem CSMA/CD a CSMA/CA.
• Řízené (deterministické) metody – o právu vysílat se rozhoduje předem, např. předáváním tokenu. Ke kolizím nedochází.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

Metoda vícenásobného přístupu s nasloucháním nosné a detekcí kolize, používaná v klasickém (sdíleném) Ethernetu na sběrnici a s huby.

1. Stanice, která chce vysílat, naslouchá, zda už nevysílá někdo jiný.
2. Je-li kanál obsazený, počká, až bude volný, a pak vysílá.
3. Během vysílání sleduje, zda signál na vedení odpovídá tomu, co sama posílá. Pokud začnou dvě stanice vysílat současně, nastane kolize.
4. Stanice, která kolizi zjistí, přestane vysílat a vyšle krátký signál jam, aby o kolizi věděly všechny stanice.
5. Každá stanice počká náhodně dlouhou dobu (s každým dalším neúspěchem se rozsah čekání zdvojnásobuje) a zkusí to znovu; po 16 neúspěšných pokusech rámec zahodí.

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Metoda se zabráněním kolizím, kterou používají bezdrátové sítě Wi-Fi. Rádiová stanice nedokáže při vysílání zároveň poslouchat, takže kolizi nepozná – snaží se jí proto předejít.

1. Stanice naslouchá, zda někdo jiný nevysílá.
2. Je-li kanál obsazený, počká, až se uvolní, a pak ještě náhodně dlouhou dobu.
3. Volitelně pošle přístupovému bodu žádost RTS (Request To Send) a vysílá až po obdržení povolení CTS (Clear To Send). Ostatní stanice, které CTS slyší, po tu dobu mlčí.
4. Příjemce každý správně přijatý rámec potvrdí zprávou ACK; když potvrzení nepřijde, stanice rámec pošle znovu.

Předávání tokenu (Token Ring, Token Bus, FDDI)

Sítí putuje speciální rámec – token. Vysílat smí jen stanice, která token právě drží; po odvysílání (nebo když nemá co vysílat) ho předá další stanici v kruhu. Vysílá tedy vždy jen jedna stanice a kolize nevznikají. Token Ring (IEEE 802.5) pracoval rychlostí 4 nebo 16 Mb/s.

Plně duplexní přenos

V hvězdicové síti se switchem má každá stanice vlastní linku až k portu přepínače. Kroucená dvoulinka obsahuje 4 páry vodičů: u rychlostí 10 a 100 Mb/s je jeden pár vyhrazen pro směr počítač → switch, druhý pro opačný směr a zbylé dva páry se nevyužívají; gigabitový Ethernet využívá všechny čtyři páry v obou směrech současně. Každé zařízení tak může vysílat kdykoli, kolize nevznikají a přístupová metoda CSMA/CD se vůbec neuplatní – přenosová rychlost je maximální možná.

Otázky k opakování

1. Jak byste definovali počítačovou síť a z jakých částí se skládá? souhrn technických a programových prostředků pro spojení a výměnu informací mezi zařízeními; uzly, propojovací software, síťový hardware, přenosová média
2. Jaký je rozdíl mezi modelem klient–server a peer-to-peer? u klient–server poskytuje služby vyhrazený server a klienti je využívají; u peer-to-peer jsou si všechny počítače rovny a služby si nabízejí navzájem
3. Seřaďte podle dosahu PAN, WAN, LAN, MAN a ke každé uveďte příklad. PAN (telefon a sluchátka přes Bluetooth) < LAN (síť školy) < MAN (městská síť) < WAN (Internet)
4. Čím se liší fyzická a logická topologie? fyzická popisuje skutečné zapojení kabelů a zařízení, logická cestu, kterou tečou data; hub zapojený do hvězdy je logicky sběrnice
5. Proč se dnes nepoužívá sběrnicová topologie a co ji nahradilo? přerušení kabelu vyřadí celou síť, poruchy se špatně hledají a rychlost je nejvýše 10 Mb/s; nahradila ji hvězda a rozšířená hvězda se switchi
6. Popište průběh metody CSMA/CD. naslouchání, vysílání při volném kanálu, detekce kolize, signál jam, náhodné čekání a nový pokus (nejvýše 16×)
7. Proč Wi-Fi používá CSMA/CA, a ne CSMA/CD? rádiová stanice nemůže při vysílání poslouchat, takže kolizi nezjistí; kolizím proto předchází čekáním, případně RTS/CTS, a doručení ověřuje potvrzením ACK
8. Proč v plně duplexní síti se switchem nevznikají kolize? každá stanice má vlastní linku k portu switche a pro každý směr vlastní vodiče, takže kanál s nikým nesdílí
9. Co je intranet, extranet a VPN? intranet slouží vnitřním potřebám organizace, extranet je zpřístupněn zákazníkům a partnerům, VPN je šifrovaný tunel přes veřejnou síť do privátní sítě