POČÍTAČOVÉ SÍTĚ, ZÁKLADNÍ DRUHY SÍTÍ, SÍŤOVÉ PRVKY Přednášející: Jiří Fišer (Podklady: Lukáš Pavlík) XIN/YIN – 4 - Zimní semestr 2023/2024 Vymezení pojmu počítačová síť • Počítačová síť je systém, který • vznikne vzájemným propojením počítačů s cílem komunikovat • a společně využívat prostředky připojené k jednotlivým počítačům. • Základními důvody pro vytvoření prvních počítačových sítí byla • potřeba společného přístupu k datům, • přenos dat mezi počítači (zejména za účelem připojení uživatele k jinému počítači pro provádění výpočtů a jiných operací na dálku, obvykle formou tzv. vzdálené terminálové relace) • a v neposlední řadě tisk na tiskárně připojené k jinému počítači. • Skupina počítačů spojených dohromady, umožňující více uživatelům přistupovat k jedněm zdrojům, sdílet jedna data a využívat je, se nazývá počítačová síť. Vymezení pojmu počítačová síť Struktura počítačové sítě Každá počítačová síť se skládá z • jednotlivých stanic (počítačů), • síťového hardwaru (síťové karty, kabely, konektory, aktivní prvky atd.) • a síťového softwaru (programů pro práci v síti). Podle úlohy, kterou daný počítač – koncový uzel – v síti plní rozdělujeme počítače na: • servery, • pracovní stanice (Workstation). Struktura počítačové sítě Servery: • poskytují ostatním stanicím určité služby (souborové, aplikační, tiskové, poštovní, databázové, terminálové), • současně plní funkci řídící stanice v síti, • v síti může být jeden nebo více serverů (v malých sítích nemusí být žádný – viz síť peer-to-peer níže). Struktura počítačové sítě - server • Server je počítač, který ostatním nabízí své služby. • Z tohoto důvodu bývá vybaven odlišným hardwarem i softwarem, než mají běžné stanice. • Hardware pro servery bývá jednak výkonnější, jednak odolnější vůči chybám, musí obsahovat zdroj nepřerušitelného napájení elektrickou energií (UPS) a taky zálohovací systém. • Po stránce software může být použit jiný operační systém, než mají běžné stanice. • Síťový operační systém typu server se skládá ze dvou částí: • síťový software nainstalovaný na klientech • a nainstalovaný na serverech. • Tak tomu je například u operačního systému Windows, který dnes může vidět např. ve verzích Windows 2000 server, Windows 2003 server, Windows Server (adaptovaný na cloudové služby), různé verze Linux serverů, apod. Struktura počítačové sítě – pracovní stanice Pracovní stanice (workstation) • Počítač, u kterého pracuje uživatel, využívá služeb poskytovaných serverem. • Pracovní stanice jsou obvykle určeny pro práci jednoho uživatele, i když mohou být zpřístupněny i vzdáleně dalším uživatelům. • Nabízejí obvykle vyšší výkon než běžná výpočetní technika. • Mají obvykle vyšší výkon grafiky, procesoru, velikost paměti a schopnost multitaskingu. • Pracovní stanice jsou obvykle přizpůsobeny pro zobrazování komplexních informací a manipulaci s nimi (např. 3D konstrukce, výsledky technické simulace a matematické diagramy). Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) • Sítě se (podle kritéria rozsahu) rozdělují podle poměru doby vysílání a přijímání dat. LAN – Local Area Network - lokální sítě • Prvky takové sítě jsou rozmístěny v určitém ohraničeném objektu, který se rozprostírá v rozmezí stovek metrů. • Většinou se jedná o učebnu, školu, firmu, závod atd. • Celá síť je pod kontrolou (logickou i fyzickou) jednoho pracovníka, označovaného jako správce sítě (supervisor, administrátor). Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - LAN • V dnešní době, kdy lokální sítě nabývají značných rozsahů, může být správců několik, nicméně pořád musí tvořit jednotný a koordinovaný tým. • Síť se skládá obvykle z osobních počítačů doplněných o potřebné hardwarové prostředky (síťové adaptéry, konektory) a spojené síťovými kabely. • Přenosová média jsou různá – od kroucené dvoulinky přes koaxiální kabel až po vysokorychlostní optické kabely. • Žádnou výjimkou už dnes nejsou ani bezdrátové spoje. Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - LAN Lokální počítačová síť zajišťuje následující služby: • sdílení nákladných periferií (laserové tiskárny, velkokapacitní diskové systémy, systémy CD-ROM, apod.), • sdílení společných dat a aplikací (zajišťující aktuálnost dat, úsporu diskového prostoru, snadné zálohování, přechody na vyšší verzi produktů, apod.), • využívání intranetu a jednoduchou komunikaci mezi uživateli (posílání zpráv, počítačová pošta). Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - LAN Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - MAN MAN - Metropolitan Area Network, metropolitní sítě • V dnešní době se díky vysokým přenosovým rychlostem tyto sítě chovají jako sítě lokální. • Propojují lokální sítě v městské zástavbě, slouží pro přenos dat, hlasu a obrazu. • Spojují vzdálenosti řádově jednotek až desítek km. • Tato síť je menší než WAN, ale větší než LAN. • Pro klasifikaci pro ní platí přibližně to samé co v síti LAN. Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - WAN WAN - Wide Area Network – rozsáhlé sítě • Spojují LAN a MAN sítě s působností po celé zemi nebo kontinentu, na libovolné vzdálenosti. • S růstem geografického dosahu sítí připojováním uživatelů v různých městech nebo státech přerůstá síť LAN a MAN do sítě WAN (Wide Area Network). • Počet uživatelů v takové síti může činit od deseti do několik tisíc uživatelů. • Můžeme bez nadsázky říct, že velikost sítí WAN je dnes omezena velikostí Země. • Sítě WAN jsou tvořeny řídicími počítači (tzv. uzlovými počítači, anglicky host), které jsou propojeny mezi sebou prostřednictvím komunikační podsítě. Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - WAN • Komunikační podsít‘ tvoří většinou speciální datové spoje organizací poskytujících telekomunikační služby. • Jedná se nejčastěji o pevné telefonní linky nebo optické kabely, existují však i možnosti mikrovlnného a družicového spojení. • Uzly WAN jsou obvykle výkonné počítače, které jsou schopné sloužit většímu počtu uživatelů současně a pracující nepřetržitě. • V poslední době se za uzly WAN považují i jednotlivé LAN, které mezi sebou komunikují právě prostřednictvím rozlehlé sítě. • U rozlehlých sítí není prakticky možné propojit každý počítač s každým. • Vzájemné propojení tedy probíhá zprostředkovaně. • Zpráva je předávána postupně od jednoho počítače ke druhému, a to až k cílovému místu. Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - WAN Rozlehlá počítačová síť poskytuje tyto služby: • práce na vzdálených počítačích (remote login), • přenos dat (ftp), elektronická pošta (e-mail), • přístup do rozsáhlých informačních databází, konference, diskusní kluby, • WWW (World Wide Web). Příkladem může být síť českých univerzit a vědeckých institucí CESNET2 a samozřejmě největší světová síť Internet. Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - WAN Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - PAN PAN - Personal Area Network, osobní síť • Popisuje velice malou počítačovou síť (například Bluetooth, IrDA nebo ZigBee), kterou člověk používá pro propojení jeho osobních elektronických zařízení, jakými jsou např. mobilní telefon, PDA, notebook apod. • Osobní počítačové sítě si nekladou za cíl co nejvyšší přenosovou rychlost (ta u PAN typicky nepřekračuje jednotky Mbit/s), jako spíše odolnost proti rušení, nízkou spotřebu energie nebo snadnou konfigurovatelnost. • Jejich dosah je typicky pouze několik metrů. Rozdělení počítačových sítí podle jejich rozsahu (velikosti) - PAN Rozdělení sítí podle vztahu mezi uzly • Na základě toho, jak jsou počítače v síti nakonfigurovány a jak přistupují k informacím, dělíme sítě na dva základní typy: Peer-to-Peer a Klient-Server Peer-to-Peer • Tento název se nejčastěji překládá do češtiny jako „rovný s rovným“. • Je to typ počítačové sítě, ve které není žádný počítač nadřazen ostatním. • Používá se při relativně malém počtu počítačů. • Síti typu Peer-to-Peer se také říká pracovní skupina. • Je to malá skupina jednotlivců (obvykle do deseti), pracujících spolu. Rozdělení sítí podle vztahu mezi uzly - Peer-to-Peer • Taková síť nemá žádného správce a je určena ve většině případů k řešení problematiky sdílení zdrojů, např. problém tisku v malé organizaci. • Počítače se propojí do sítě a na jeden z nich se při-pojí tiskárna, ta se potom jednoduše „vysdílí“ (zpřístupní) ostatním uživatelům, kteří ji od tohoto okamžiku mohou využívat. • Většina dnes používaných operačních systémů má už v sobě vše potřebné pro zprovoznění tohoto typu sítě. • Jako příklad můžeme uvést Windows 2000, všechny druhy Linuxu i operační systémy Mac OS. Rozdělení sítí podle vztahu mezi uzly - Klient - Server Klient - Server • Toto slovní spojení už v českém jazyce zdomácnělo, i když byly doby, kdy jazykoví puristé chtěli, aby se místo pojmu server používal český ekvivalent „obslužná stanice“. • V takové síti existuje jeden nebo více počítačů, které ostatním nabízejí své služby a to jsou právě servery. • Naopak ty počítače, které využívají jejich služby a většinou ostatním žádné služby nenabízejí, se nazývají klienti, někdy také stanice nebo pracovní stanice. • Taková síť je dnes typickým příkladem počítačové sítě a najdete ji na ve většině organizací nebo firem. Rozdělení sítí podle vztahu mezi uzly Rozdělení sítí podle vztahu mezi uzly SAN – Storage Area Network - síť úložišť • Je to síť specializovaná na přenos velkých množství dat. • Data, která se přenášení mezi jednotlivými úložišti a servery, nezatěžují jiné běžně používané linky. • Tato síť je zaměřena na výkon a dostupnost. Dělení sítí podle topologie Fyzická a logická topologie – návrh uspořádání sítě • Topologie sítě znamená uspořádání nebo fyzické umístění uzlů v sítí. • Zvolení určité topologie má vliv na typ a možnosti vybavení, růst a správu sítě. • Topologie může určovat, i jak budou počítače v sítí komunikovat. • Topologie popisuje fyzické nebo logické uspořádání sítě. • Topologií se lokální počítačové sítě liší od rozsáhlých počítačových sítí. Dělení sítí podle topologie • Fyzická topologie definuje kabelové rozložení sítě, týká se toho, jakým způsobem kabelový rozvod spojuje uzly. Existuje několik fyzických topologií, včetně sběrnicové, kruhové, hvězdicové a kruhu spojeného do hvězdy nebo jiné hybridní topologie. • Logická topologie popisuje, jakým způsobem jsou mezi uzly předávány informace. Existují dvě základní logické topologie: • Sběrnicová • Kruhová Volba topologie má vliv na řadu vlastnosti sítě jako je rozšiřitelnost (možnost a snadnost doplňování stanic do existující sítě), rekonfigurovatelnost (možnost modifikovat síť při závadě komponenty), spolehlivost (odolnost sítě proti výpadkům komponent), složitost obsluhy a výkonnost (využití přenosové kapacity média a zpoždění zprávy). Fyzická topologie Sběrnicová topologie (serial hub) • Sběrnicová topologie je také známa jako lineární sběrnice. • 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. Fyzická topologie Hvězdicová topologie (star) • Ve hvězdicové topologii jsou počítače propojeny pomocí kabelových segmentů k centrálnímu prvku sítě, nazývanému rozbočovač (HUB). • Signály se přenáší z vysílacího počítače přes rozbočovače do všech počítačů v síti. • Tato topologie pochází z počátků používání výpočetní techniky, kdy bývaly počítače připojeny k centrálnímu počítači mainframe. • Mezi každými dvěma stanicemi musí existovat jen jedna cesta! Fyzická topologie • 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. • Selhání hubu ve hvězdicové topologii způsobí "spadnutí" sítě u stanic k němu připojených. • Je proto vhodné ho chránit před výpadkem el. proudu zdrojem UPS. Fyzická topologie Prstencová topologie (ring) • 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. Fyzická topologie • Jeden způsob přenosu dat po kruhu se nazývá předávání známky. • Známka (token – speciální paket) se posílá z jednoho počítače na druhý, dokud se nedostane do počítače, který má data k odeslání. • Vysílající počítač známku pozmění, přiřadí datům elektronickou adresu a pošle ji dál po okruhu. • Data procházejí všemi počítači, dokud nenaleznou počítač s adresou, která odpovídá jim přiřazené adrese. Fyzická topologie Hybridní topologie (Strom) • hvězdicově sběrnicová • hvězdicově prstencová. • Hvězdicově sběrnicová topologie kombinuje několik hvězdicových sítí navzájem propojených pomocí lineární sběrnice. • Hvězdicově prstencová topologie se někdy nazývá hvězda zapojena do kruhu. • Ke spojení počítačů se používají rozbočovače (víceportové opakovače). Fyzická topologie Logická topologie Logická topologie • Logická topologie definuje logické rozložení sítě. • Toto rozložení specifikuje, jakým způsobem mezi sebou komunikují prvky v sítí, a jak jsou přenášeny informace v síti. • Mezi dvě hlavní topologie patří sběrnice a kruh. • Ve sběrnicové logické topologii jsou informace vysílány současně ke všem uzlům. • Uzly, ale čtou pouze zprávy, které jsou určené pouze pro ně určené. • Před zahájením vysílání je nutné čekat, dokud nebude síť dočasně volná. • V kruhové topologii probíhá komunikace od jednoho uzlu k dalšímu. Informace jsou předávány sekvenčně v pořadí určeném předdefinovaným procesem. Základní síťová zařízení Síťová karta (adaptér) • Síťová karta zprostředkovává komunikaci mezi počítačem a kabelem podle pravidel daných síťovým standardem. • Převádí data z podoby, které rozumí počítač, tak aby mohla být přenesena po médiu, tzn., překládá paralelní signál na sériový. • Teprve po instalaci síťové karty do počítače získáme možnost připojit počítač k síti. • Při výrobě je síťové kartě přiřazena unikátní fyzická adresa, MAC adresa. Základní síťová zařízení • Někdy je možné ji síťově změnit, ale v jedné lokální síti musí mít každé koncové zařízení nastaveno jinou MAC adresu, jinak dochází k problémům s adresací a přenosem. • Mac adresa je 48bitová adresa zapisovaná většinou jako šest hexadecimálních dvouciferných čísel oddělených pomlčkou nebo dvojtečkou – např. 00-B2-63-E2-A6-4E. Repeater (opakovač) • Jak jsme si řekli již na začátku, žádné vedení přenášející signál se k tomuto signálu nechová ideálně tak, že by jej během přenosu vůbec neovlivňovalo. • Každý přenášený signál je nějakým způsobem ovlivněn (zeslaben, utlumen, zkreslen). Základní síťová zařízení • Právě to je jedním z důvodů, proč je délka každého přenosového média omezená. • Chceme-li signál dopravit na delší vzdálenost, musíme ho po cestě vhodně upravit (zesílit, opravit jeho průběh,…). • Zařízení, které tuto opravu signálu provádí, se nazývá repeater (opakovač). • Obvykle se jedná o dvou-portové zařízení, které na jeden port přijme signál, upraví ho a z druhé strany ho pošle dále. • Repeater pracuje na první (fyzické) vrstvě ISO/OSI modelu. Základní síťová zařízení Transceiver (převodník) • Zařízení podobné zesilovači, kromě zesílení a úpravy signálu však ještě umožnuje převod z jednoho typu přenosového média na jiný. • Nejčastější je v dnešní době převod z optického vlákna na kroucenou dvojlinku. • Převodník, stejně jako repeater, pracuje na první fyzické vrstvě ISO/OSI modelu. • Převodník převádí signál z jednoho typu na jiný (pro různá přenosová média je třeba upravit signál do různého tvaru). • Převodník je buďto samostatné zařízení, nebo je přímo součástí jiného aktivního prvku. Základní síťová zařízení HUB (rozbočovač) • Zařízení sloužící k rozbočování (větvení) signálu. • Je základním prvkem v sítích s hvězdicovou topologií. • HUB také umí stejně jako převodník zesilovat a převádět signál. • HUB pracuje také na fyzické vrstvě ISO/OSI modelu, jak je již patrné z jeho funkce. • V dnešní době HUB již nahrazuje „inteligentní“ prvek zvaný switch. Základní síťová zařízení Bridge (most) • Bridge je prvním „inteligentním“ prvkem, se kterým se setkáváme, tzn., že data jen nezesiluje, ale zajímá se o samotná přenášená data. Jedná se o zařízení plnící dva hlavní úkoly: • Propojení sítí různých standardů • Filtrace paketů Propojení sítí různých standardů pomocí bridge. Most pracuje na druhé linkové vrstvě ISO/OSI modelu a z tohoto důvodu se již nezajímá o fyzické odlišnosti sítí. Základní síťová zařízení Switch (přepínač) • Je nejpoužívanějším zařízením v sítích s hvězdicovou topologií, kde již skoro zcela nahradil dříve používaný HUB. • Má stejnou funkci jako HUB ve spojení s bridgem. • Slouží tedy k větvení signálu a jeho filtraci. • Filtraci paketu provádí mezi jednotlivými porty (zdířkami). • Komunikace pomocí switche může tedy probíhat mezi více porty současně. • Filtrace paketu probíhá stejně jako u bridge – tedy pomocí MAC adres. • Získávání tabulky MAC adres je stejné jako u bridge. • Switch také obsahuje vyrovnávací paměť a díky této paměti umožňuje propojení síťových zařízení s různými přenosovými rychlostmi. Základní síťová zařízení Router (směrovač) • Jedná se o prvek sítě pracující na třetí, sítové vrstvě ISO/OSI modelu. • Slouží ke vzájemnému propojování sítí LAN, prostřednictvím adresování třetí vrstvy. • Během své činnosti zjišťuje router adresy počítačů a sítí, připojených k jednotlivým rozhraním a jejich seznam si ukládá do tabulky. • Úkolem routeru je tedy rozhodnout, kterým směrem posílat jednotlivé pakety tak, aby se dostaly až ke svým adresátům. • Tomuto rozhodování se říká routing (směrování). Základní síťová zařízení • Základem směrování je směrovací tabulka. • Tato tabulka obsahuje sadu ukazatelů, podle kterých se rozhoduje, co udělat s daným paketem. • Směrovací tabulka obsahuje cílovou adresu, které je paket určen. Základní síťová zařízení Router může s paketem udělat dvě věci: • doručit ho přímo adresátovi, • předat některému ze sousedů. Gateway (brána) • Mosty, switche a směrovače se nezajímají o datový obsah rámců resp. paketů. • Mohou propojovat jen takové systémy, které do rámců/paketů „balí“ stejná data tj. stejné systémy, eventuálně systémy lišící se v přenosových technologiích nižších vrstev. • Pro spolupráci odlišných systémů je nutné rozumět přenášeným datům a provádět jejich konverzi. • To je úkolem bran (gateways). Základní síťová zařízení • Brány jsou vždy aplikačně orientované, rozumí jen datům od určité aplikace, pracují tedy na aplikační vrstvě. • Slouží k připojení počítačové sítě k jiné síti, k nějakému cizímu prostředí. • Brány jsou realizovány softwarově a jsou vždy aplikačně orientované, např. brána pro přenos elektronické pošty, pro tisk atd. • Brány jsou nutné pro spolupráci odlišných systémů. Děkuji Vám za pozornost