Počítačové sítě/Přístup k síti

Dolní dvě vrstvy modelu ISO/OSI jsou Fyzická a Linková. Tyto dvě vrstvy spolu velmi úzce souvisí, proto jsou v modelu TCP/IP zahrnuty do jedné vrstvy nazývané Network access (přístup k síti). Z hlediska pochopení problematiky je vhodné použít ISO/OSI model.

Fyzická vrstva

Veškerý síťový hardware pracuje na Fyzické vrstvě. To zahrnuje přenosová média (kabely), konektory a NIC - network interface card (síťové karty). Fyzická vrstva zajišťuje fyzické propojení zařízení, přenos signálů a kódování dat.

Měděné kabely

Přes měděné kabely se přenáší signál jako elektrické napětí. Tyto kabely jsou náchylné na rušení elektromagnetickým polem (EMI - electromagnetic interference, např. při vedení kabeláže vedle vysokého napětí), rádiovými vlnami (RFI - radio frequency interference, např. při vedení kabeláže kolem antén) a přeslechy (kdy signál na jednom páru vodičů změní signál na jiném páru vodičů).

Koaxial

Kabel má vodivé jádro a obal, který funguje také jako stínění. Používá se v kabelové televizi a v bezdrátových technologiích pro propojení externí antény s AP (access point).

Koaxial kabel s konektorem (female)

Unshielded twisted pair (UTP)

Česky nestíněná kroucená dvojlinka je nejrozšířenější čtyřpárová kabeláž. Aktuálně je nejpoužívanější kategorie 5e, pro nové instalace se doporučuje kategorie 6, oba standardy podporují rychlost až 1Gbps - giga bit per second (giga bitů za sekundu). Celkem 8 žil kabelu je rozděleno do 4 párů, které jsou krouceny z důvodu vzájemného rušení elektromagnetického pole. Kroucení tedy funguje jako velmi jednoduché stínění.

UTP patchcord s konektorem RJ-45 typ B

Shielded twisted pair (STP)

Česky stíněná kroucená dvojlinka je na rozdíl od UTP opatřena ještě prvky, které zvyšují imunitu vůči EMI, RFI a přeslechům. Většinou jde o vodivý obal, který obepíná všechny páry kabelu. STP vyšší kvality mají navíc tímto způsobem stíněny i jednotlivé páry.

STP se stíněním jednotlivých vláken

Konektory

U koaxiálních kabelů se používají konektory BNC, u UTP a STP kabelů konektory RJ-45.

Existují 2 řazení žil v kabelu podle barev pro konektory RJ-45:

• standard TIA/EIA-568A: polo-zelená, zelená, polo-oranžová, modrá, polo-modrá, oranžová, polo-hnědá, hnědá
• standard TIA/EIA-568B: polo-oranžová, oranžová, polo-zelená, modrá, polo-modrá, zelená, polo-hnědá, hnědá

Tyto standardy se liší prohozením polo-oranžové s polo-zelenou a oranžové se zelenou.

UTP (male) konektor typ B

RJ-45 zdířka (female konektor)

Optické kabely

Optické kabely jsou imunní vůči EMI, RFI či přeslechům. Používají se většinou pro páteřní kabeláž a pro větší vzdálenosti.

Fiber-optic-construction

Optický kabel - porovnání multividové (multimode) proti jednovidové (singlemode)

Multividové

Několikapaprskové - do jádra (core) kabelu se vyšle světelný impuls pomocí LED diody, která má značný rozptyl. Toto řešení je levnější, nicméně různé paprsky se odrážejí pod různým úhlem od "zrcadlové" vrstvy (cladding) kabelu, tím pádem cestují různou rychlostí, a proto není vhodné jejich použití na velké vzdálenosti.

Jednovidové

Jednopaprskové - do jádra (core) kabelu se vyšle světelný impuls pomocí laseru, který má malý rozptyl. Vhodné pro delší vzdálenosti, ale dražší.

Konektory

Optické kabely používají následující konektory:

• ST (straight-tip connector)

  

  ST konektor

• SC (subscriber connector)

  

  Vlevo ST konektor, vpravo SC konektor

• LC (Luncent connector)

  

  Vlevo LC konektor, vpravo SC konektor

• duplex mode LC (pro dvoukabelové optické vedení)

  

  LC konektor

Bezdrátové

Jako médium pro bezdrátový přenos slouží vzduch, signálem jsou pak elektromagnetické vlny. Tento způsob komunikace je nejnáchylnější k EMI a RFI.

Kódování a signalizace

Data je třeba vyjádřit předem definovanou znakovou sadou - kódem. V počítačích a počítačových sítích se používá znaková sada jedniček a nul {1, 0}, Morseova abeceda používá tečky a čárky {.,-}. V obou případech se data (zpráva) zakódují (neplést si se šifrováním).

Zakódovaná data se pomocí signálu pošlou přes médium. Signál, který se použije, pak záleží na přenosovém médiu. V případě počítačových sítí se používají měděné kabely, optické kabely a bezdrátová spojení. V tomto případě jsou signálem změny elektrického napětí, světelný impuls nebo změna intenzity elektromagnetického pole. V případě Morseovy abecedy může být médiem trubkové topení (radiátor) nebo vzduch a signál pak ťukání či blikání baterkou.

Rychlost přenosu

Bandwidth

Šířka pásma je parametr přenosového média, který určuje, jakou rychlostí může dojít k přenosu dat. Nejedná se o rychlost elektronů, ta je v médiu konstantní, ale spíše o časování - tedy kolik signálových pulsů se pošle na médium v určitém časovém úseku. Rychlost se udává v bps (bits per second - bity za sekundu) a jejich násobcích (kbps, Mbps, Gbps).

Throughput

Průchodnost je rychlost přenosu závislá nejen na přenosovém médiu, ale také na rychlosti prostředních zařízeních, které zpracovávají signály a data, dále na množství přenášených dat, typu přenášených dat a jednotlivých úsecích (průchodnost nemůže být vyšší než průchodnost nejpomalejšího spoje). Rychlost se udává v bps a jejich násobcích.

Goodput

Užitečná průchodnost = průchodnost - režie přenosu, kde užitečnou průchodnost tvoří data, která jsou přenášena z aplikace na koncovém zařízení (uživatel napíše email) a režie přenosu tvoří data, která jsou potřebná pro správné fungování protokolů (zdrojové a cílové adresy, parametry v hlavičkách jednotlivých PDU (protocol data unit, např. frame, packet, segment)), správu spojení (navazování relací (session), potvrzování) nebo kódování dat.

Duplex

Jde o směr přenosu dat mezi dvěma síťovými zařízeními.

• Half-duplex povoluje komunikaci pouze jedním směrem (síťové zařízení může buď vysílat nebo přijímat data, ale nikdy ne obojí najednou).
• Full-duplex povoluje obousměrnou komunikaci (síťové zařízení může zároveň přijímat i vysílat data).

Optický kabel je příkladem half-duplex komunikace - na jednom konci je LED/laser a na druhém detektor. Po jednom optickém kabelu nemůže putovat světelný signál zároveň oběma směry, což se řeší tažením minimálně dvou kabelů pro jedno zařízení (vždy pro vysílání/příjem). Dalším příkladem half-duplex komunikace je Wi-Fi, které používá jako sdílené médium vzduch.

Příkladem full-duplex komunikace může být Ethernet s UTP kabelem a koncovkou RJ-45. 10Mbps a 100Mbps Ethernet používá k vysílání dat 1. a 2. žílu kabelu a k přijímání 3. a 6. žílu kabelu. Pokud spojíme dvě síťová zařízení tak, jak je uvedeno na obrázku, mohou obě zařízení zároveň vysílat i přijímat data. Propojující kabel z obrázku se nazývá křížený kabel.

Full-duplex komunikace pomocí kříženého kabelu

V současnosti mají síťová zařízení funkci Auto-MDIX, která 1. a 2. žílu automaticky zaměňuje s 3. a 4. žílou - nutnost křížených kabelů tak odpadá.

Tento křížený kabel nebude fungovat v 1Gbps Ethernetu, který používá všech 8 žil - proto je vhodné cvakat přímé kabely.

Strukturovaná kabeláž

Strukturovaná kabeláž je infrastruktura kabelového vedení, jinými slovy fyzická topologie síťě.

Obecné pojmy

• Serverovna je místnost vyhrazená pro síťová zařízení.
• Rack je speciální skříň pro síťová zařízení.
• Zdířka je female konektor.
• Zásuvka slouží pro ukončení síťového kabelového vedení ve zdi (obsahuje většinou 1-2 zdířky).
• Patch panel je deska obsahující větší množství zdířek instalovaná v racku (podle velikosti obsahuje většinou násobky 24 zdířek).

Konkrétní pojmy

• ER (equipment room) je serverovna pro budovu.
• TR (telecommunication room) je serverovna pro podlaží.
• Páteřní kabeláž (backbone cabling) je kabeláž z ER do TR (zakončená na jedné straně v MC, na druhé v HC).
• Horizontální kabeláž (horizontal cabling) je kabeláž z TR na pracoviště (zakončená na jedné straně v HC, na druhé straně v zástrčce).
• MC (main cross connect) je rack obsahující patchpanely zakončující páteřní kabeláž.
• HC (horizontal cross connect) je rack obsahující patchpanely zakončující horizontální kabeláž.

Maximální délky

• Pro kabely UTP a STP je 100 m (číslo vychází z časování signálů protokolu Ethernet, ne nutně z charakteristiky kabelu, takže je nutné maximální délku dodržet).
• Pro páteřní kabeláž by měla být 90 m.
• Pro horizontální kabeláž by měla být 90 m.
• Pro patchcord v racku by měla být 6 m (v praxi se používá méně).
• Pro patchcord ze zásuvky ve zdi ke koncovému zařízení (např. PC) by měla být 3 m (v praxi se používá více).

Linková vrstva

Zařízení pracující na Linkové vrstvě mají za úkol umožnit protokolům vyšších vrstev přístup k přenosovému médiu. Linková vrstva toto zajišťuje přijímáním packetů z 3. vrstvy ISO/OSI modelu a jejich zapouzdřením do framů [frejm] (rámců) (PDU 2. vrstvy ISO/OSI modelu). V opačném směru pak rozbalením framu, který vyzvedne z přenosového média, a předáním obsahu - packetu - do vyšší vrstvy ISO/OSI modelu.

Dále Linková vrstva kontroluje posílání a přijímání dat na fyzickém médiu, výměnu framů mezi jednotlivými zařízeními připojenými přes fyzické médium a jejich adresování a kontrolu chyb.

Linková vrstva je rozdělena na dvě podvrstvy: MAC a LLC.

MAC (media access control)

MAC podvrstva má za úkol komunikovat s Fyzickou vrstvou, implementuje jednotlivé protokoly (802.3 Ethernet, 802.11 Wi-Fi, 802.15 Bluetooth) a řeší adresování zařízení.

Překlad zkratky MAC je "řízení přístupu k médiu". Způsob přístupu k médiu záleží na topologii sítě a na způsobu sdílení přenosového média.

• Fyzická topologie odkazuje na fyzické umístění a propojení síťových zařízení (nejčastější fyzická topologie je point-to-point a hvězdicová)
• Logická topologie odkazuje na způsob přenosu dat sítí, zahrnuje virtuální spojení jednotlivých zařízení (point-to-point a sdílené médium)

Typické WAN topologie

Mezi typické WAN topologie patří Point-to-point. Fyzická Point-to-point topologie je fyzické propojení dvou síťových zařízení. U Logické Point-to-point topologie jde o propojení dvou zařízení, která mezi sebou můžou mít množství jiných zařízení vytvářejících virtuální okruh (VC - virtual circuit). Síťová zařízení, mezi kterými je VC vytvořen, pak komunikují, jako by byla propojena přímo, a nestarají se o fyzickou topologii.

Další používanou WAN topologií je Hvězdicová - centrální síť (velitelství). Připojuje jednotlivé branch sítě (větve) pomocí point-to-point linek.

Point-to-point propojení každý s každým zajišťuje maximální dostupnost v topologii Mesh, nicméně cena a administrační náročnost je nejvyšší.

Typické LAN topologie

Nejrozšířenější fyzickou LAN topologií je topologie Hvězdicová. Je jednoduchá, funkční a v případě více zařízení jednoduše rozšiřitelná na Rozšířenou Hvězdicovou topologii.

Topologie hojně využívaná v prvních LAN sítích je Sběrnicová topologie. Výhodu měla v absenci centrálního prvku (snížené náklady, v případě výpadku centrálního prvku jsou odpojena všechna připojená zařízení), nevýhodu ve sdíleném médiu, pomalých přenosových rychlostech, funkční pouze half-duplex a v absenci centrálního prvku (komplikovanější administrace). Bylo třeba, aby na obou koncích byla zakončena (většinou pasivní prvek zvaný terminátor). V současné době se tato topologie používá hlavně v senzorových sítích (např. I2C).

Kruhová topologie představuje topologii s kontrolovaným přístupem k médiu. Zařízení propojena v Kruhové topologii si v pravidelných časových intervalech předávají tzv. Token - kdo jej má, ten může vysílat.

Obsahem řízený přístup k médiu

Ostatní topologie, kromě Kruhové, používají obsahem řízený přístup k médiu, který používá následující techniky:

• CSMA (carrier sense multiple access - zjištění přenosu, sdílený přístup). Síťové zařízení, které má data k odeslání, poslouchá na sdíleném médiu (přenosové médium, které sdílí s ostatními síťovými zařízeními) a pokud nezjistí komunikaci mezi jinými zařízeními, sám začne vysílat data. Pokud naopak zjistí, že nějaká komunikace probíhá, vyčká, až komunikace skončí a data začne vysílat poté.

• CSMA/CD (carrier sense multiple access / collision detection - zjištění přenosu, sdílený přístup / detekce kolizí). Může se stát, že na sdíleném médiu začala data vysílat dvě zařízení najednou - v takovém případě dojde ke kolizi. CSMA/CD problém kolize řeší až po jejím vzniku tak, že zařízení, která kolizi detekují, okamžitě přestanou vysílat data a krátký časový interval vysílají kolizní signál. To se děje proto, aby se o kolizi dozvěděla všechna zařízení v síti. Poté, co signál odezní (skončí časový interval vysílání kolizního signálu), všechna zařízení, která mají data k odeslání, se vrátí do stavu před odesíláním - poslouchání na sdíleném médiu a v případě, že nezjistí probíhající komunikaci, začnou vysílat data. CSMA/CD se používá v Ethernetu.

• CSMA/CA (carrier sense multiple access / collision avoidance - zjištění přenosu, sdílený přístup / vyhnutí se kolizím). CSMA/CA řeší problém kolize tím, že se jim snaží vyhnout. Síťové zařízení před přenosem dat poslouchá na sdíleném médiu. V případě, že detekuje přenosový signál, celý proces je odložen na náhodně zvolený časový interval. Právě náhodně zvolený interval zajišťuje, že v případě více zařízení, která mají data k odeslání, se snižuje pravděpodobnost, že začnou vysílat zároveň. CSMA/CA se používá ve Wi-Fi.

LLC (logical link control)

LLC podvrstva má za úkol komunikovat se Síťovou vrstvou, vytváří frame a umísťuje do něj informace o tom, který protokol 3. vrstvy je ve frame zapouzdřen. To umožňuje přenos více protokolů 3. vrstvy (např. IPv4 a IPv6) na jednom síťovém rozhraní, na jednom fyzickém médiu.

Frame

PDU (protocol data unit) na 2. vrstvě ISO/OSI modelu je frame. Obecně obsahuje Hlavičku, Data a Patičku.

• Hlavičku tvoří: Začátek Frame, Adresování, Typ, Kontrolní informace
• Data tvoří: Náklad (PDU vyšší vrstvy, např. IP packet)
• Patičku tvoří: Detekce chyb, Konec Frame

Ethernet frame

Je frame používaný v Ethernetu (protokol 2. vrstvy ISO/OSI modelu).

Ethernet frame

• Preamble je řada za sebou jdoucích 1 a 0 sloužících k synchronizaci hodin, uvozuje frame
• MAC adresa je jednoznačný identifikátor síťového zařízení na 2. vrstvě ISO/OSI modelu
• Destination MAC je MAC adresa cílového zařízení
• Source MAC je MAC adresa zdrojového zařízení
• EtherType/Size je identifikátor protokolu 3. vrstvy ISO/OSI modelu přenášený v PayLoad (např. IPv4, IPv6, ARP)
• PayLoad je náklad - přenášená data (minimálně 46B, maximálně 1500B)
• CRC (cyclic redundancy check) slouží pro detekci chyb

Související LABy

• Počítačové sítě/LAB: UTP kabel s konektorem RJ-45
• Počítačové sítě/LAB: UTP kabel se zásuvkou RJ-45