Počítačové sítě Jan Roupec, A4/702, 54114 3346, roupec@fme.vutbr.cz Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Počítačové sítě 1. přednáška: motivace, náplň předmětu, organizace výuky" úvod do počítačových sítí, historie, základní pojmy úvod do datové komunikace spoj, okruh multiplexor zpráva, paket, rámec sériový a paralelní přenos dat přenosová a modulační rychlost kapacita přenosového kanálu kódování a modulace řízení datového spoje adresace počítačů v síti Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 2

Literatura Rychlý vývoj => časopisy, Internet Neexistuje kniha pokrývající kurs. Vybrané nadčasové publikace: Šmrha, P. - Rudolf, V.: Internetworking pomocí TCP/IP. České Budějovice, KOPP, 1995. Pužmanová, R. - Šmrha, P.: Propojování sítí s TCP/IP. KOPP České Budějovice, 1999. Jamsa, K. a kol.: Programování na Webu. Brno, UNIS publishing, 1996. Klaška, L.: Vaše sítě mohou být mnohem rychlejší. PC-DIR, Brno, 1991 Peterka J.: Kursy počítačových sítí na MFF UK. Dostupné na http://www.earchiv.cz/i_prednasky.php3 Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 3

Základní témata kursu Úvod, základní pojmy, rozdělení. Technické prostředky poč. sítí, platformy LAN, Ethernet. Normalizace sítí, síťový model ISO/OSI. Propojování LAN, směrování, routovací algoritmy. Rodina protokolů TCP/IP: historie, adresace, struktura, protokoly, služby. Síť Internet: historie, současnost a výhled, služby. Služba WWW: charakteristika, protokol http, www aplikace. Bezdrátové sítě Technologické (průmyslové) sítě. Cvičení: návaznost na přednášky + ukázky + realizace projektů Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 4

Organizace výuky Teoretický výklad a ukázky budou probíhat na přednáškách. Účast na přednáškách je důrazně doporučená pro všechny, kteří se s probíranou problematikou dosud nesetkali. Všechna cvičení s počítačovou podporou - laboratorní charakter: Cvičení zpravidla na přednášky navazují. Vyžadovány základní dovednosti práce s počítačem a ovládání operačních systémů Windows a UNIX - úvod do UNIXU resp. rekapitulace znalostí proběhne ve cvičeních. Podmínkou zápočtu je zpracování projektu dle pokynu cvičícího. Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 5

Úvod do počítačových sítí Některé historické milníky: 1969 - ARPANET - experimentální síť s přepojováním paketů 1971 - zahájení výroby I4004 1971 - ALOHA - první síť používající všesměrové rádiové vysílání 1973 - experimentální síť Ethernet - Rank Xerox (Robert Metcalf) 1974 - zahájení výroby I8080 1977 - založen výbor ISO/OSI (referenční model schválen 1979) 1983 - TCP/IP standardem ARPANET 1990 - ukončen ARPANET, dále internet, první brána mezi komerční sítí (MCI) a Internetem 1992 - první grafický www prohlížeč Mosaic 1995 - přijat standard IEEE 802.3u - Ethernet 100 Mb/s 1997 - schválen návrh IEEE 802.11 - bezdrátové sítě 1998 - přijat standard IEEE 802.3z - Ethernet 1000 Mb/s 1999 - 802.11a, b - wifi (až 11 resp. 54 Mb/s) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 6

Úvod do počítačových sítí Historie, režimy využívání počítačů: dávkový režim interaktivní režim mainframe s terminálovou sítí sólo osobní (mikro-)počítač počítačová síť Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 7

Úvod do datové komunikace Spoj (výměna informací mezi zdrojem a spotřebičem pomocí přenosové cesty) dvoubodový mnohobodový (např. sběrnice, nutné řízení přístupu účastníků k přenosové cestě) Přenosová cesta jednosměrná (kanál) obousměrná (okruh). Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 8

Úvod do datové komunikace Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. dvoubodový spoj - jednosměrný A informační zdroj kanál od A k B B informační spotřebič - obousměrný okruh kanál od A k B A informační zdroj/spotřebič B informační zdroj/spotřebič kanál od B k A 9

Úvod do datové komunikace Datový přenos mezi dvěma body: simplexní (SX), jednosměrný provoz (plně) duplexní (full duplex, FDX) – obousměrný současný provoz poloviční duplex (half duplex, HDX) – obousměrný střídavý provoz Okruhy: pevné přepínané (komutované) analogové digitální drátové (metalické nebo optické) bezdrátové (elmag. vlny rádiové nebo optické) fyzické virtuální (virtual circuit, VC) – pevné (PVC), přepínané (SVC) Koncová a ukončující zařízení: koncové (datové) zařízení – DTE, data terminal equipment ukončující (datové) zařízení – DCE, data-circuit terminating equipment Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 10

Multiplexory kmitočtové dělení (frequency division multiplex, FDM) časové dělení (time division multiplex, TDM) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 11

Multiplexory statistické časové multiplexory (statistical TDM, STDM) dynamické přidělování časových rámců podle momentálních potřeb, vyrovnávací paměť pro přicházející data možná podpora dalších funkcí (diagnostika, inteligentní řízení toku dat) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 12

Zpráva, paket, rámec Propojovací zařízení: Pro libovolnou komunikující dvojici obvykle neexistuje samostatná přenosová cesta, spojení je nutné vytvořit – kanál nebo okruh přepojování okruhů před vlastní komunikací je třeba ustanovit vyhrazený komunikační kanál (okruh) prostorové časové přepojování paketů – původně přepojování zpráv Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. zpráva (message) paket (packet) rámec (frame) buňka (cell) 13

Sériový a paralelní přenos dat Nejmenší informace, která může být přenášena, je 1 bit, v praxi se přenášejí datové entity o délce mnoha bitů. paralelní přenos: několik bitů současně (8, 16, ...) komunikační rozhraní s několika "dráty" (pro každý bit samostatná cesta) omezená vzdálenost (zpoždění kteréhokoliv bitu vede k nesrozumitelnosti přenášeného znaku) rychlý, ovšem viz výše další problémy: ekonomika, přeslechy mezi bity atd. v počítačových sítích se nepoužívá Centronic, IRPR, IMS-2 (HP-IB), vnitřní sběrmice počítačů (ISA,PCI, ...) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 14

Sériový a paralelní přenos dat sériový přenos: přenos bit po bitu datové znaky nutno převést na posloupnost bitů a po příjmu opět složit doba na přenos jednoho bitu (bit time), synchronizace přijímače a vysílače asynchronní a synchronní přenos Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 15

Sériový a paralelní přenos dat asynchronní sériový přenos: data vysílána v nepravidelných intervalech domluva na přenosové rychlosti (obv. řada 50, 100, 150, 300, 600, 900, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, ... 155200 b/s) vysílač i přijímač mají nezávislé časování, bit/time dle nastavené rychlosti předp. se jistá nepřesnost hodin přijímače a vysílače -> nutnost samostatně vysílat krátké bitové posloupnosti (jediný znak, obv. 1B) každý znak obsahuje svoji synchronizaci rozběhové bity – start bity datové bity (+ event. paritní bit) závěrné bity – stop bity – minimální povinná doba klidu mezi dvěma znaky poměrně málo efektivní, vhodné pro malé objemy dat nebo principiálně pomalé přenosy Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 16

Sériový a paralelní přenos dat synchronní sériový přenos s daty se přenáší i hodinová frekvence (jednotné časování vysílače a přijímače), synchronizační signál se přenáší separátně nebo vhodně smíchán s datovým signálem, přijímač se během příjmu průběžně synchronizuje (podobně jako např. analogový TV přijímač), lze vysílat i dlouhé bloky dat ve formě souvislého toku bitů, je-li synchronizace přimíchána k datovému signálu, je každý blok předcházen synchronizačními bity, vyžaduje vyrovnávací paměť na obou stranách, použití pro vysoké přenosové rychlosti (Mb/s, Gb/s) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 17

Přenosová a modulační rychlost přenosová rychlost: datová rychlost, rychlost spoje množství informací (v bitech) přenesených za jednotku času jednotka bit/sekunda apod. (b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s) modulační rychlost: symbolová rychlost, baudová rychlost počet změn signálu za jednotku času (počet logických stavů signálu za sekundu) jednotka: 1 Bd (baud, dle Ing. Baudota, fr.) představuje frekvenci přenášeného signálu, je omezena šířkou pásma kanálu Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 18

Přenosová a modulační rychlost Pokud hodnota stavu signálu odpovídá právě jednomu bitu, přenosová rychlost je rovna modulační rychlosti. Je výhodné, aby přenosová rychlost byla vyšší než modulační. Nejpoužívanější modemová doporučení: Dop. CCITT/ITU-T Modulační r. Přenosová rychlost V.22bis 600 Bd 2400 b/s V.32 2400 Bd 9600 b/s V.32bis 2400 Bd 14400 b/s V.34 2400-3200 Bd 28800 b/s Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. ITU - International Telecommunication Union, (T - Telecom Standardization), před 1.3.1993 CCITT - Comité Consutatif Internationale de Telegraphie et Telephonie 19

Kapacita přenosového kanálu šířka pásma (vlastnost přenosové cesty) - rozsah kmitočtů, které lze přenést bez rušení nebo ztrát signálu, určuje informační kapacitu kanálu. Nyquist dokázal, že spojitý signál, který neobsahuje složky s vyšším kmitočtem než W, lze plně charakterizovat 2W vzorky za sekundu (a z těchto vzorků jej plně zrekonstruovat). Naopak platí - spojitý signál s kmitočtovým spektrem omezeným frekvencí W neumožňuje přenést více než 2W údajů za sekundu. Pokud každý údaj nabývá V hodnot, pak přenosová rychlost C: vztah charakterizuje schopnost spojitého signálu přenášet informaci při dané šířce pásma lze vyšší přenosovou rychlost dosáhnout pouze zvýšením V, zvyšování je v praxi omezeno (zkreslení) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. [b/s, Hz] 20

Kapacita přenosového kanálu šum - nedovolí přesně rekonstruovat tvar signálu, teoretický limit přenosové rychlosti (v praxi nedosahovaný) udává Shannonova věta (S/N je odstup signálu od šumu): Pokud přenosové médium poskytuje větší šířku pásma, než je potřebné, lze médium sdílet více kanály (multiplex). Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. [b/s, Hz, –] 21

Kódování a modulace Přenos dat - využití fyzikálních pochodů, jejichž vlastností je pohyb v prostoru (vlnění - zvukové, světelné, elektrické, elektromagnetické - nebo mechanické přemísťování - listovní zásilky). Mezi vysílačem a přijímačem se pohybuje médium, do kterého vysílač zaznamenává své stavy - modulace (časová změna nějakého parametru - veličiny) Signál - fyzikální veličina, která nese informaci. analogový (spojitý) diskrétní (nespojitý) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 22

Kódování a modulace Neupravený datový signál je nevhodný k přenosu na větší vzdálenosti (obsahuje stejnosměrnou složku) Pro přenos se stejnosměrná složka odstraňuje kódováním. Přenos v základním pásmu (base band) - přenos kódovaného datového signálu. Přenos v přeloženém pásmu (broad band) - pro přenos použito kmitočtové pásmo, které neobsahuje základní harmonické přenášeného signálu - modulace (je-li nosným signálem harmonický signál, pak amplitudová AM, frekvenční FM, fázová PM) - potřebná šířka pásma je větší než šířka pásma přenášeného datového signálu (přenosová rychlost je nižší než vypočtená z Shannonovy věty) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 23

Kódování a modulace 24 bez kódování modemy modemy Ethernet Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. bez kódování modemy modemy Ethernet RZ - Return to Zero NRZ - Non Return to Zero Arcnet 24

Řízení datového spoje synchronizace na úrovni rámců (framů) – rozpoznání začátku a konce organizace provozu na spoji dvou nebo více partnerů řízení toku rámců zabraňující zahlcení přijímače reakce na výskyt chyby (zjištěný) identifikace komunikujících partnerů Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 25

Řízení datového spoje Uživatelům (sw) komunikace jsou poskytovány různé služby, např.: nespojovaná nepotvrzovaná služba vysílá se bez ohledu na výsledek zpracování rámců při příjmu pro úspěšné použití nutná nízká chybovost (např. LAN) vhodné i pro řízení v reálném čase (je-li preferováno zpoždění před spolehlivostí) nespojovaná potvrzovaná služba přijímací strana potvrzuje přijetí pokud nedojde potvrzení do jisté doby, vysílač pokus o vysílání opakuje spojovaná služba všechny vyslané rámce jsou přijaty právě jednou se zachováním pořadí před přenosem dat je fáze navázání spojení po ukončení přenosu dat je fáze zrušení spojení Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. pozitivní potvrzování negativní potvrzování číslování paketů, skupinové potvrzování 26

Adresace počítačů v síti komunikace dvou přímo propojených účastníků nevyžaduje adresaci ani identifikaci v počítačových sítích tato situace nastává jen výjimečně, tzn. je nutná jednoznačná identifikace každého uzlu - adresa několik úrovní adresace: hardwarová adresa (fyzická adresa, MAC adresa) logická adresa (síťová adresa) textová jména Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 27

Adresace počítačů v síti hardwarová adresa (fyzická adresa, MAC adresa) číselná hodnota pevně přiřazená každému zařízení výrobcem zařízení může být síťová karta (síťový adaptér) nebo jakýkoliv aktivní síťový prvek (hub, switch, router, …) kde existuje propojení, každé zařízení musí mít unikátní adresu délka hw adres značná, počet bitů a formát závisí na technologické platformě (např. Ethernet 48 bitů, tzn. 2,8 1014 kombinací) logická adresa (síťová adresa) lze přidělovat, tzn. lze v ní zohlednit polohu zařízení (příslušnost ke konkrétní síti) např. IP adresy při komunikaci se převádějí na hardwarové adresy textová jména lépe se pamatují pro provoz sítě jsou nadbytečná při komunikaci se převádějí na logické adresy Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 28