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 kabel s 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 užívána v 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 do jediného uzavřeného prvku

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), pouze není 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 získávají i jiné funkce (kombinovaná zařízení)

Kruhová topologie Všechny počítače jsou zapojeny v kruhu, neexistuje žádné zakončení Každý počítač pracuje jako repeater Počítače si předávají token, který je opravňuje k 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 a s 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 zejména k synchronizaci bloků dat a k řízení jejich toku přenosovým médiem Tato část bývá obvykle realizována také 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 přímo s 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

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 Optické 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 pásmu 2,4 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?