Počítačové sítě ve školách I.

RNDr. Ing. Milan Šorm, Ph.D.Oddělení koncepce a vývoje ÚIKT

sorm@uikt.mendelu.cz

Motivace

• Nalézt společným způsobem efektivní strategii k budování informační infrastruktury střední školy

• Prohloubit znalosti o soudobých počítačových sítích a službách

• Posoudit alternativní přístupy k budování školní sítě a služeb této sítě na základě zkušeností z jiných středních škol

Obsah přednášky

• Počítačová síť, její velikost a topologie

• ISO/OSI model

• Fyzická vrstva

• Linková vrstva

• Síťová vrstva

Co je to počítačová síť

• Soustava vzájemně propojených počítačů

Co je to počítačová síť

• V širším významu může představovat také souhrn služeb poskytovaných navzájem propojenými počítači

• Jde o rekurentní princip – větší sítě jsou tvořeny soustavou vzájemně propojených menších sítí

Rozdělení sítí dle velikosti

• Rozdělení dle velikosti je posuzováno poměrem doby vysílání signálu (tv)k době šíření (ts)

• LAN – lokální, místní síť (tv > ts)

• MAN – metropolitní síť (tv = ts)

• WAN – rozlehlá síť (tv < ts)

• Dnes je často na všech úrovních stejná technologie (Ethernet)

Topologie sítě

• Topologií sítě nazýváme základní provedení návrhu počítačové sítě

• Na základě základních tří topologií vznikají v reálné praxi kombinace představující skutečný návrh

• Výhody jednotlivých topologií je vhodné vzájemně kombinovat v různé části sítě (páteřní síť, síť koncových stanic apod.)

Sběrnicová topologie

• Dříve nejčastější způsob zapojení počítačů užívajících jediný kabel

• Data jsou vysílána všem účastníkům, ale přijímá je jen adresát

• V jeden okamžik vysílá jen jeden počítač

Sběrnicová topologie

• Problém: vysílaný signál se na sběrnici odráží a brání ostatním ve vysílání

• Útlum signálu na konci je řešen speciálním zařízením zvaným terminátor

Sběrnicová topologie

• Existence SPoF (single point of failure)

• Přerušení signálu (např. rozpojením či volným koncem) vede k zániku komunikace na celé sběrnici

• Omezený dosah může být prodloužen opakovačem (repeater – mechanický zesilovač signálu)

• Prodlužování nelze konat neomezeně

Sběrnicová topologie

• Dřívě užívány 10BASE5 (tlustý) a 10BASE2 (tenký) Ethernet

• Tlustý Ethernet představuje kabels umístěnými transievery (min. rozestup 2,5 m, max. délka 500 m)

• Tenký Ethernet užívá T-konektory, příp. EAD zásuvky (0,5 m, 185 m)

• Lze užít až 4 repeatery

Sběrnicová topologie

• Dnes je sběrnicová topologie užívánav malých páteřních sítích při kaskádování přepínačů (switchů)

• Existence snadného SPoF zabraňuje jejímu použití na místech se snadným přístupem koncových uživatelů

• Existence SPoF také komplikuje údržbu a rozšiřování takové sítě

Hvězdicová topologie

• Analogie centrálního počítače (mainframe), každá stanice připojena segmentem k centrálnímu prvku

• Užití rozbočovačů(hub) či přepínačů(switch)

• Kolaps sběrnice dojediného uzavřenéhoprvku

Hvězdicová topologie

• Centrální prvek odstraňuje snadný přístup k SPoF (hub může být skryt)

• Odpojení segmentu stanice neovlivní zbytek sítě

• Důležité – SPoF zůstává zachován(jen jeden centrální prvek), pouzenení ovlivněn koncovými uživateli

• Zkrácení sběrnice zvyšuje přenosové rychlosti

Hvězdicová topologie

• Nejčastější užití hvězdice je u koncových stanic, kde hrozí největší nebezpečí vzhledem k SPoF (rozpojení sběrnice)

• Postupně dochází k přechodu od rozbočovačů (hub) k přepínačům (switch) především díky klesající ceně

• Centrální prvky dnes postupně získávajíi jiné funkce (kombinovaná zařízení)

Kruhová topologie

• Všechny počítače jsou zapojeny v kruhu, neexistuje žádné zakončení

• Každý počítač pracuje jako repeater

• Počítače sipředávají token,který je opravňujek vysílání

Kruhová topologie

• Vzhledem k faktu, že token musí obejít celou sítí, existuje zde SPoF v podobě rozpojení kruhu

• Tento fakt bývá řešen zdvojením kabeláže (běžně se užívá vnější kruh, při rozpojení je zničený spoj přemostěn vnitřním kruhem) – např. síť FDDI

• S nárůstem velikosti kruhu klesá rychlost sítě (vlivem oběhu)

Kruhová topologie

• Kruhové topologie jsou užívány především v sítích TokenRing (Apple)

• Dnes je převzata myšlenka kruhové topologie u páteřních sítí, kde však bývá užito odlišné technologie od putujícího tokenu (odstranění SPoF atd.)

• Obvykle kruh tvoří dvě redundantní linky propojené na logické úrovni

ISO/OSI model

• 1983 byl ISO stanoven základní referenční komunikační model pro popis vzájemné komunikace dvou počítačů

• Model je pouze doporučený, je však dnes všeobecně uznávaný

• Základní princip – vyšší vrstva užívá služeb vrstvy o jedna nižší

• K propojení dochází jen na nejnižší vrstvě

ISO/OSI model

• Úkolem nižší vrstvy je nezatěžovat vyšší vrstvu detaily o způsobu realizace příslušné vrstvy

• Data postupují vrstvami v „paketech“

Fyzická vrstva

• Fyzická vrstva definuje prostředky pro komunikace s přenosovým médiem as technickými prostředky rozhraní

• Dále definuje fyzické, elektrické, mechanické a funkční parametry fyzického propojení jednotlivých zařízení

• Jedná se prakticky o hardwarové prvky síťové komunikace

Linková vrstva

• Úkolem linkové vrstvy je zajistit integritu toku dat z jednoho uzlu sítě na druhý

• V rámci této činnosti dochází zejménak synchronizaci bloků dat a k řízeníjejich toku přenosovým médiem

• Tato část bývá obvykle realizovánataké hardwarově (koncovým zařízením)

Síťová vrstva

• Vrstva definuje protokoly pro směrování dat, jejichž prostřednictvím je zajištěn přenos informací do požadovaného cílového uzlu

• Lokální sítě nemusí směrování užívat (adresují přímo), síťová vrstva zajišťuje propojování jednotlivých podsítí

• Může být realizována jak hardwarově, tak softwarově (směrovače – routery)

Transportní vrstva

• Definuje protokoly pro strukturované zprávy a zabezpečuje bezchybnost přenosu (provádí některé chybové kontroly)

• Řeší např. rozdělení souboru dat na pakety a potvrzování přenosu (zajištění spojení, spojovaná a nespojovaná služba)

• Bývá řešena softwarově

Relační vrstva

• Koordinuje komunikace účastníků a udržuje relaci tak dlouho, dokud je potřeba

• Zajišťuje dále zabezpečovací, přihlašovací a správní funkce

• Je řešena softwarově

• Některé protokoly přenechávají relační funkce aplikační vrstvě (nerozlišují)

Prezentační vrstva

• Určuje způsob, jakým jsou data formátována, prezentována, transformována a kódována

• Řeší např. kódování diakritiky, CRC, kompresi a dekompresi, šifrování dat

• Je řešena softwarově

• Kompresní či šifrovací tunely

• Řada protokolů spolupracuje přímos transportní vrstvou

Aplikační vrstva

• Jedná se o nejvyšší vrstvu v modelu

• Definuje způsob, jakým komunikují se sítí aplikace – např. databázové systémy, elektronická pošta nebo programy pro emulaci terminálů

• Díky nižším vrstvám je izolována od problémů technického přenosu, řeší jen aplikační problematiku (je nezávislá)

Přenos dat na fyzické vrstvě

• Základním rozdělením přenosu dat je na základě použitého média pro přenos

• pevná spojení (kabelem)– elektrická spojení– optická spojení

• bezdrátová spojení (vzduchem)– rádiová spojení– optická spojení

Pevné elektrické spojení

• Užívá se kabel s vodivým jádrem

• Užívá se různého počtu vodičů, způsobu konstrukce vlastního kabelu a stínění jednotlivých vodičů a vlastního kabelu– koaxiální kabel– kroucená dvojlinka– stíněná kroucená dvojlinka

• Vlastní přenos pak může být na kabelu různým způsobem modulován (kódován)

Koaxiální kabel

• 50 Ohmů

• velká šířka pásma, nízký šum

• rychlosti cca 10 Mbit/s

• dosah cca 1 km s užitím opakovačů

Kroucená dvojlinka

• původně telefonní kabel, kroucením je sníženo rušení na vedení

• dělí se na nestíněnou (UTP)a stíněnou (STP – menší rušení)

Kroucená dvojlinka

• Typicky dvoubodové spoje

• Existuje různá kategorie podle přenosových rychlostí (schopnost přenést na vyšší frekvenci)

• CAT5 – 100Mbit/s, 100 m vzdálenosti

• CAT5e – 1Gbit/s, 25m vzdálenosti

• CAT6 – 1Gbit/s zaručen (dnes standard)

Strukturovaná kabeláž

• Jednotná kabeláž pro síť i telefony

• Svedení do jediného centra umožňuje snadné přepojování a přizpůsobování topologie dle potřeby, mobilita

Optická kabeláž

• Využívá vlastnosti lomu světla (dva materiály s vhodným indexem lomu udrží světlo uvnitř jádra kabelu)

• Uvádí se průměr jádra a jeho obalu

Optické vlákno

• Vysoká šířka pásma (až Tbit/s)• Není rušitelné okolním zářením• Nevyzařuje (neruší, neodposlouchatelné)• Nedochází k indukci (venkovní spoje)• Pouze dvoubodové spoje• Je však poměrně drahé• Větší problémy s pokládkou (méně

pružné a ohebné)

Typy optických vláken

• Vícevidová vlákna (multimode, MM)– průměr 50/125 nebo 62,5/125 μm– LED diody, různoběžné paprsky– stovky metrů až kilometry

• Jednovidová vlákna (singlemode, SM)– průměr 9/125 μm– laser, rovnoběžné paprsky– dosah až stovky kilometrů

WDM

• Přenos více signálu po jednom optickém vláknu (wave division multiplexing)

• Užívá optický hranol pro míchání barev

• Znásobuje kapacitu vlákna

Alternativní přenosové trasy

• Užití zařízení určeného do jiného prostředí k přenosu dat

• Telekomunikační rozvody– telefonní linky (analogové) a modemy– digitalizace přenosové trasy– ISDN, ADSL

• Kabelové rozvody CATV– modulace signálu, kabelové modemy

Telefonní linky

• Telefonní síť je rozlehlá a je jí vybavena každá domácnost

• Snadná dostupnost spojení

• Telefonní síť je ale analogová (nutnost převést data na zvuk)

• Zařízení modem (modulátor/demodulátor)

• Existuje interní i externí varianta

• Terminálové servery (modemová banka)

Digitalizace telefonní linky

• Většina ústředen je digitálních

• Komunikace mezi nimi také

• Jediná analogová část je smyčka ústředna – uživatel

• Paradoxně je digitální signál převeden modemem na analogový a v ústředně zpět na digitální

• Potřeba nahradit analogový přenos digitálním

DSL, ADSL

• DSL využívá místní smyčku na maximální úrovni, ADSL je asynchronní

• Podporuje až 9 Mbit/s

• Data jsou přenášena paralelně s hlasem

• Užívá volné frekvence

Bezdrátový přenos

• Snaha o snížení ceny poslední míle a zvýšení mobility

• Alternativní přenosové médium tam, kde nelze položit pevné spojení

• Nižší přenosové rychlosti, vysoká míra rušení, řada frekvenčních pásem je licencovaných (cena)

• Domácí a školní užití – WiFi

Bezdrátový přenos

• Radiové signály– mobilní telefony, paketové rádio– speciální komunikace zařízení (např. BT)– bezdrátová zařízení krátkého dosahu (WiFi)– pronajaté bezdrátové okruhy

• Optické signály– místo optického kabelu je použit vzduch– dochází k útlumu, problémy se zaměřením– zařízení typu Ronja apod.

WiFi

• Snaha o nalezení přijatelného standardu pro přenos dat v bezlicenčním pásmu2,4 GHz (domácnosti, školy apod.)

• Dva režimy práce– ad hoc režim (propojení dvou zařízení)– režim infrastruktura (speciální body zvané

AP zajišťují komunikaci s pevnou sítí)

• 11 kanálů, 3 použitelné, velké zarušení

• ESSID, WEP, bezpečnost

Princip Ethernetu

• Nejčastějí typ propojení

• Užívá komunikaci CSMA/CD

• Všichni vysílají, pak detekují kolize

• Po kolizi se odmlčí na náhodně dlouhou dobu

• Paradoxně málo kvalitní protokol (při velkém množství účastníků) převládl

• Nevýhody odstraní přepínaná síť

Závěr

Děkuji za pozornost.

Dotazy?