Aktivní síťové prvky, síťová karta a MAC adresa

Aktivní síťové prvky jsou zařízení, která se aktivně podílejí na komunikaci: signál regenerují a zesilují, rámce a pakety přijímají, zkoumají a rozhodují, kam je poslat dál, případně je upravují. Potřebují napájení. Jednodušší prvky se o význam dat nestarají (opakovač, hub), chytřejší prvky data interpretují a podle nich přizpůsobují své chování (switch, router). Podle toho, s jakou informací pracují, je lze přiřadit k vrstvám modelu ISO/OSI. Kabely, konektory a rozvaděče popisuje stránka pasivní síťové prvky a kabeláž.

Přehled aktivních prvků

Opakovač (repeater)

• Nejjednodušší aktivní prvek, pracuje na fyzické vrstvě.
• Na každém vodiči dochází k útlumu a zkreslení signálu; opakovač signál přijme, obnoví jeho tvar, zesílí a pošle dál. Tím prodlužuje dosah sítě.
• Přijatý signál přeposílá do všech připojených segmentů, nerozumí mu a nefiltruje ho.

Rozbočovač (hub)

• V podstatě opakovač s více porty; počet portů je jedním z jeho parametrů. Pracuje na fyzické vrstvě.
• Přijatý signál zregeneruje a rozešle na všechny ostatní porty, na kterých je někdo připojen.
• Všechna připojená zařízení sdílejí jednu přenosovou kapacitu a tvoří jednu kolizní doménu; pracují jen v polovičním duplexu s metodou CSMA/CD.
• Nevýhoda: segmenty jsou zbytečně zatěžovány daty, která jim vůbec nepatří, a s počtem stanic roste počet kolizí. Dnes je nahrazen switchem.

Most (bridge)

• Pracuje na linkové vrstvě, je tedy „chytřejší“ než opakovač a hub.
• Spojuje dva (nebo několik) segmentů sítě. Pokud rámec patří do stejného segmentu, odkud přišel, most ho dál nepustí – tím snižuje zatížení sítě.
• Rozhoduje podle MAC adres, které si ukládá do tabulky v paměti RAM.
• Každá strana mostu je samostatnou kolizní doménou; strany mohou mít i různou rychlost. Most je levnější než směrovač.

Přepínač (switch)

• Pracuje na linkové vrstvě; je to v podstatě most s mnoha porty, který přepíná rámce v hardwaru.
• Na rozdíl od hubu propojí jen ten pár portů, mezi kterými komunikace probíhá – data se zbytečně neposílají jiným uzlům a více dvojic stanic může komunikovat současně.
• Zpětné učení (backward learning): switch si z zdrojové MAC adresy každého přijatého rámce zapamatuje, za kterým portem dané zařízení je, a ukládá to do tabulky MAC adres (CAM tabulky). Na začátku je tabulka prázdná, záznamy po čase (obvykle 300 s) bez provozu vypršejí.
• Přijde-li rámec pro adresu, kterou v tabulce nemá, chová se jako hub – rozešle ho na všechny porty kromě příchozího (flooding) a počká, až se adresát ozve. Stejně rozesílá broadcasty (cílová adresa FF-FF-FF-FF-FF-FF).
• Každý port je samostatná kolizní doména; při plném duplexu kolize nevznikají vůbec. Všechny porty (v jedné VLAN) ale tvoří jednu broadcastovou doménu.
• Způsoby přepínání: store-and-forward (přijme celý rámec, zkontroluje kontrolní součet a vadný zahodí), cut-through (začne rámec posílat hned po přečtení cílové adresy – rychlejší, ale šíří i vadné rámce).
• Spravovatelné switche umí VLAN, agregaci linek, Spanning Tree, zabezpečení portů a napájení zařízení po kabelu (PoE) – viz přepínání, STP a VLAN.

Směrovač (router)

• Pracuje na síťové vrstvě a propojuje různé sítě (podsítě) – například domácí síť s Internetem.
• Rozhoduje podle IP adres a směrovací tabulky, která obsahuje sadu pravidel, kudy pakety posílat k jednotlivým cílovým sítím. Směrování je proces určování cesty, kterou se data v síti dostanou k cíli; úkolem routeru je zvolit co nejefektivnější cestu.
• Router odděluje broadcastové domény – broadcast z jedné sítě do druhé nepustí.
• Často zajišťuje i další služby: překlad adres (NAT), DHCP server, firewall, VPN.
• Musí znát topologii sítě – buď ji zadá správce (statické směrování), nebo si ji routery vyměňují samy (dynamické směrovací protokoly). V malých sítích může jako router sloužit i obyčejný počítač.
• IP adresa rozhraní routeru do lokální sítě se v počítačích nastavuje jako výchozí brána (default gateway) – tam počítač posílá vše, co nepatří do jeho vlastní sítě.

Podrobně viz směrování a routovací tabulka.

Brána (gateway)

• Propojuje sítě nebo systémy s odlišnými protokoly a převádí data z jednoho tvaru do druhého. Musí proto obsahu dat rozumět a pracuje až na aplikační vrstvě.
• Příklad: SMS brána na stránkách mobilního operátora převezme text napsaný v prohlížeči, převede ho a odešle do sítě GSM jako SMS. Dalšími příklady jsou poštovní brány nebo brány VoIP do telefonní sítě.
• Pozor na dvojí význam: „výchozí brána“ v nastavení IP je ve skutečnosti adresa routeru.

Další aktivní prvky

• Přístupový bod (access point, AP) připojuje bezdrátová zařízení do kabelové sítě; klienti komunikují přes něj. Domácí Wi-Fi router spojuje v jedné krabičce router, switch (obvykle se 4 porty), přístupový bod, DHCP server a firewall.
• Modem převádí digitální signál na signál vhodný pro dané vedení (telefonní linka, kabelová televize, optika) a zpět.
• L3 switch umí kromě přepínání i směrovat mezi VLAN v hardwaru.
• Firewall filtruje provoz podle pravidel (adresy, porty, protokoly, stav spojení).
• Transceiver (vysílač-přijímač) převádí signál pro konkrétní médium, např. modul SFP do switche pro optický kabel.

Kolizní a broadcastová doména

• Kolizní doména je část sítě, ve které se mohou srazit vysílání dvou stanic – zařízení sdílející jedno médium. Hub ji nerozděluje, switch a router ano (každý port je samostatná kolizní doména).
• Broadcastová doména je část sítě, do které dorazí všesměrové vysílání. Hub ani switch ji nerozdělují, router ano (a VLAN na switchi).

Příklad. Síť má router se dvěma porty; na jednom je switch s 8 počítači, na druhém hub se 4 počítači. Kolizních domén je 8 (porty switche s počítači) + 1 (port switche k routeru) + 1 (hub se vším, co je k němu připojeno) = 10. Broadcastové domény jsou 2 – za každým portem routeru jedna.

Síťová karta (NIC)

Síťové rozhraní je hranice mezi zařízením a síťovým médiem a je adresovatelné – signál vyslaný po médiu míří na určité rozhraní. Typickým fyzickým síťovým rozhraním je síťová karta (NIC, Network Interface Card), která vznikla z potřeby sdílet data mezi počítači.

• Pracuje na fyzické a linkové vrstvě: na fyzické převádí bity na signál pro médium, na linkové sestavuje a kontroluje rámce, řídí přístup k médiu a rozpoznává svou MAC adresu.
• Skládá se z hardwaru a firmwaru (programu v trvalé paměti), který zajišťuje řízení logického spoje a přístupu k médiu.
• Karty se liší typem média (metalická, optická, bezdrátová) a rychlostí. Běžné jsou karty 10/100/1000 Mb/s, ve výkonných počítačích a serverech 2,5, 10, 25 Gb/s a více.

Úkoly síťové karty

• Připravit data z počítače pro kabel: uvnitř počítače se data přenášejí paralelně po sběrnici, síťovým kabelem musí jít jako tok bitů. Karta převede paralelní data na sériová a digitální signály počítače na elektrické nebo optické signály. Tuto část zajišťuje transceiver (transmitter/receiver – vysílač/přijímač).
• Posílat data do jiného počítače a přijímat je.
• Řídit tok dat mezi počítačem a kabelovým systémem.
• Dohodnout parametry s protějškem: před přenosem si karty (či karta a switch) vymění informace o svých schopnostech a zvolí nejvyšší společnou rychlost a režim duplexu (autonegotiation). Rychlejší karta se tak přizpůsobí pomalejší.

Zpracování komunikace řídí čipová sada karty, větší část práce ale dělá procesor počítače; vytížená karta může spotřebovat značnou část jeho výkonu. Moderní karty proto umí část zpracování TCP/IP převzít samy (TCP offloading).

Konstrukce a připojení

• Hlavní čip karty komunikuje se sběrnicí počítače. Na kartě je EEPROM s nastavením a MAC adresou a případně BootROM pro start počítače ze sítě (dnes PXE). Část připojená ke kabelu je od zbytku počítače galvanicky oddělena (oddělovacím transformátorem), aby šlo bezpečně propojit počítače napájené z různých elektrických rozvodů.
• Dnes je síťová karta obvykle integrována na základní desce; samostatné karty se zasouvají do slotu PCI Express (dříve ISA, PCI, v serverech PCI-X), do notebooků dříve jako PC Card (PCMCIA). Existují i USB síťové adaptéry a bezdrátové karty Wi-Fi.
• Starší karty vyžadovaly ruční nastavení přerušení (IRQ), vstupně-výstupní adresy a typu transceiveru; dnes se vše nastaví automaticky (Plug and Play).
• Užitečné funkce: Wake-on-LAN (zapnutí počítače po síti speciálním paketem), nastavení rychlosti a duplexu, VLAN, PoE u zařízení napájených po kabelu.

Logická síťová rozhraní

Síťová rozhraní mohou být i logická (virtuální) – softwarový modul, který se chová jako hardwarové zařízení a umí přijímat i posílat data. Příkladem je zpětná smyčka (loopback), která slouží k testování síťového software v počítači a zvenku není dostupná: v IPv4 adresa 127.0.0.1, v IPv6 ::1. Další virtuální rozhraní vytvářejí VPN klienti a virtualizační programy.

MAC adresa

MAC adresa (Media Access Control) je fyzická adresa síťového rozhraní v síti Ethernet a Wi-Fi. Slouží k rozlišení jedné síťové karty od jiné a k doručení rámce v rámci jedné lokální sítě.

• Má 48 bitů (6 bajtů). Zapisuje se jako šest dvojic hexadecimálních číslic – každá čtveřice bitů odpovídá jedné šestnáctkové číslici, takže zápis je mnohem kratší než binární. Používají se zápisy 00-1A-2B-3C-4D-5E (Windows), 00:1a:2b:3c:4d:5e (Linux) a 001a.2b3c.4d5e (Cisco).
• Výrobce ji kartě přidělí při výrobě a zapíše do paměti ROM (EEPROM) karty. Adresa přidělená výrobcem je celosvětově jedinečná – novou kartu lze zapojit a spolehnout se, že bude jednoznačně identifikována.
• Adresa má dvě poloviny: první 3 bajty jsou OUI (Organizationally Unique Identifier) – identifikátor výrobce, který mu přidělí IEEE a je stejný u všech jeho karet (např. Novell 00-00-1B, 3Com 00-20-AF, SMC 00-40-27). Druhé 3 bajty přiděluje výrobce každé kartě jedinečně. Seznam výrobců zveřejňuje IEEE.
• Dva nejnižší bity prvního bajtu mají zvláštní význam: bit I/G rozlišuje individuální (0) a skupinovou – multicastovou (1) adresu, bit U/L globálně jedinečnou adresu od výrobce (0) a adresu nastavenou lokálně (1).
• Broadcastová adresa FF-FF-FF-FF-FF-FF (samé jedničky) znamená „všem stanicím v síti“.
• Adresu lze v operačním systému softwarově změnit; mobilní telefony a notebooky dnes v cizích Wi-Fi sítích používají náhodnou MAC adresu, aby je nešlo sledovat.
• Zjištění MAC adresy: Windows ipconfig /all nebo getmac, Linux ip link. MAC adresy sousedů zjištěné protokolem ARP ukáže arp -a.

Otázky k opakování

1. Jaký je rozdíl mezi aktivním a pasivním síťovým prvkem? aktivní se podílí na komunikaci (regeneruje, zpracovává, směruje) a potřebuje napájení; pasivní signál jen vede
2. Čím se liší hub a switch? hub (1. vrstva) rozešle signál na všechny porty a všichni sdílejí kolizní doménu; switch (2. vrstva) podle tabulky MAC adres pošle rámec jen na port adresáta
3. Jak se switch učí, kde jsou jednotlivá zařízení? ze zdrojové MAC adresy přijatých rámců si zapíše port do tabulky MAC adres; neznámé cíle rozešle všude
4. Na které vrstvě pracuje router a podle čeho se rozhoduje? na síťové; podle cílové IP adresy a směrovací tabulky
5. Kolik kolizních a broadcastových domén vytvoří switch s 24 obsazenými porty bez VLAN? 24 kolizních domén, 1 broadcastovou
6. Co je výchozí brána? IP adresa rozhraní routeru v lokální síti, na kterou počítač posílá pakety do jiných sítí
7. Jaké úkoly plní síťová karta? převádí paralelní data na sériový signál pro médium a zpět, sestavuje a kontroluje rámce, řídí přístup k médiu a tok dat, vyjednává rychlost a duplex
8. Jak je dlouhá MAC adresa a z jakých částí se skládá? 48 bitů; první 3 bajty OUI výrobce, další 3 bajty pořadové číslo karty od výrobce
9. Jaká je broadcastová MAC adresa a k čemu je adresa 127.0.0.1? FF-FF-FF-FF-FF-FF; loopback – testování síťového software uvnitř počítače