Notes by Edems

SAP_1_Pocitacove-site

12 min read

up:: ZK nav:: --- / ⇒

  • Počítačové sítě:
    • Paradigma +
    • Taxonomie +
    • Modely +
    • mix

Počítačové sítě

a) Paradigma

  • Definice paradigmatu v sítích
    • Paradigma v počítačových sítích představuje základní model, koncept či přístup, podle kterého je navržena komunikace, směrování dat a celkové chování sítě. Dělí se do několika protichůdných dvojic (přístupů).
  • Přepojování okruhů vs paketů
    • okruhů: (Circuit switching)
      • Před zahájením komunikace se vytvoří vyhrazená fyzická nebo logická cesta (okruh) mezi odesílatelem a příjemcem.
      • Kapacita linky je po celou dobu garantovaná a vyhrazená, i když se zrovna nepřenáší žádná data (což vede k neefektivitě).
      • Typickým příkladem je klasická telefonní síť.
    • paketů: (Packet switching)
      • Zpráva se rozdělí na menší datové bloky – pakety.
      • Neexistuje žádná předem vyhrazená cesta. Každý paket putuje sítí samostatně, obsahuje adresu cíle a uzly (směrovače) v síti se rozhodují, kudy ho pošlou dál (princip Store and Forward - ulož a pošli dál).
      • Mnohem efektivněji využívá kapacitu linek, ale negarantuje zpoždění (neznas predem latenci).
      • Typickým příkladem je Internet (protokol IP).
  • Spolehlivé a nespolehlivé přenosy
    • Spolehlivé přenosy:
      • Síť (nebo daný protokol) garantuje, že data dorazí k cíli bez chyb, v nezměněné podobě a ve správném pořadí.
      • K tomu využívá mechanismy jako potvrzování přijetí (ACK), detekci chyb, časovače a opakované vysílání ztracených paketů.
      • Příkladem je protokol TCP.
    • Nespolehlivé přenosy:
      • Odesílatel data pouze odešle a nijak nekontroluje, zda v pořádku dorazila k cíli.
      • Pokud se paket po cestě ztratí, je zahozen a síť to neřeší.
      • Výhodou je velká rychlost a nízká režie (vhodné pro streamování videa, hudby nebo on-line hry, kde je důležitější rychlost než ztráta jednoho snímku).
      • Příkladem je protokol UDP.
  • Spojované a nespojované přenosy
    • Spojované přenosy (Connection-oriented):
      • Komunikace má tři striktní fáze:
        • 1. navázání spojení
        • 2. přenos dat
        • 3. ukončení spojení
      • Přenášená data k sobě mají logickou vazbu (jdou ve správném pořadí).
      • Příklad: TCP.
    • Nespojované přenosy (Connectionless):
      • Předchozí navazování spojení neexistuje.
      • Každý blok dat (tzv. datagram) je samostatná jednotka, která nese plnou adresu odesílatele i příjemce a odesílá se do sítě nezávisle na ostatních.
      • Příklad: IP, UDP.
  • Konvergence světa počítačů a světa spojů
    • Historicky existovaly dva oddělené světy:
      • telekomunikační sítě (přepojování okruhů, primárně pro hlas)
      • počítačové sítě (přepojování paketů, primárně pro data).
    • Konvergence znamená splývání těchto světů.
      • Dnes dochází k integraci všech služeb (data, hlas, video) do jedné univerzální paketové infrastruktury postavené na protokolu IP (tzv. Next Generation Networks - NGN nebo All-IP sítě).
      • Příkladem konvergence je VoIP (telefonování přes datovou síť) nebo IPTV (televize přes IP).

b) Taxonomie

  • Klasifikace počítačových sítí (možná kritéria)
    • Počítačové sítě lze dělit (klasifikovat) podle celé řady kritérií. K těm nejčastějším a nejdůležitějším patří rozdělení podle geografické rozlohy (dosahu), podle logické architektury (vztahu uzlů) a podle fyzické topologie. Rozdělení podle:
  • dosahu (geografické rozlohy)
    • PAN: (Personal Area Network)
      • Osobní sítě. Propojují zařízení v bezprostřední blízkosti jednoho člověka (dosah jednotky metrů). Typickým příkladem je propojení telefonu s chytrými hodinkami nebo bezdrátovými sluchátky (Bluetooth).
    • LAN: (Local Area Network)
      • Lokální sítě. Pokrývají menší území, např. místnost, budovu nebo firemní kampus (dosah desítky až stovky metrů). Vyznačují se vysokou přenosovou rychlostí, nízkou chybovostí a jsou obvykle plně ve správě svého majitele.
      • technologie: Ethernet, Wi-Fi.
    • MAN: (Metropolitan Area Network)
      • Metropolitní sítě. Pokrývají území jednoho města (dosah jednotky až desítky kilometrů). Slouží k propojení lokálních sítí (poboček firmy) nebo k připojení LAN k nadřazené síti WAN.
      • Často využívají rychlé optické spoje.
    • WAN: (Wide Area Network)
      • Rozlehlé sítě. Pokrývají obrovské geografické oblasti (státy, kontinenty, celý svět). Propojují sítě LAN a MAN na velké vzdálenosti. Mají typicky nižší přenosové rychlosti a vyšší zpoždění než LAN sítě. Infrastrukturu budují a pronajímají telekomunikační operátoři.
      • např: Internet.
    • XXX
    • Mobilní sítě:
      • Specifická kategorie bezdrátových veřejných sítí, které plošně pokrývají území. Umožňují plynulý přechod mobilních uživatelů mezi vysílači (tzv. roaming, handover) bez přerušení komunikace. Technologie: 4G/LTE, 5G.
  • role uzlů (logické architektury)
    • Client-Server: (Architektura serverového typu)
      • Centralizovaný model. V síti existuje jeden nebo více nadřazených, výkonných počítačů (Server), které poskytují služby, data a zajišťují ověřování uživatelů. Ostatní počítače (Klienti) tyto služby pouze využívají. Výhodou je vysoká bezpečnost, snazší zálohování a centrální správa. Je to nutnost pro střední a velké firemní sítě.
    • Peer-to-Peer: (P2P - rovný s rovným)
      • Decentralizovaný model. Neexistuje žádný centrální server. Všechny počítače v síti mají rovnocenné postavení a každý uzel může zároveň poskytovat data (chovat se jako server) i data přijímat (chovat se jako klient). Vhodné pro malé domácí sítě nebo pro distribuované stahování na internetu. Správa a bezpečnost je složitější, každý uzel se řídí sám.
      • (např: BitTorrent, sdílení složek ve Windows, Bitcoin)
  • vlastnictví a přístupnosti (kdo má do sítě přístup)
    • Internet (Veřejné sítě):
      • Celosvětová síť, služby jsou nabízeny široké veřejnosti. Infrastrukturu typicky vlastní telekomunikační operátoři (ISP) a přístup je většinou na komerční bázi (za poplatek).
      • ( např: normální internet od ISP jako O2 )
    • Intranet (Privátní sítě):
      • Vybudovány a spravovány pro potřeby jedné konkrétní organizace (firmy, úřadu, školy). Přístup do nich mají výhradně oprávnění uživatelé a organizace má nad síťovým provozem plnou kontrolu (typickým zástupcem jsou sítě LAN).
      • ( např: školní intranet )
    • Extranet:
      • Privátní síť s bezpečným přístupem zvenčí. Část intranetu, která je zpřístupněna vybraným externím partnerům, klientům nebo zaměstnancům pracujícím z domova (často pomocí VPN).
  • síťových modelů (architektury protokolů)
    • TCP/IP: Standardizovaná sada protokolů, na kterých reálně běží Internet (praktické de-facto řešení, 4 vrstvy).
    • ISO/OSI: Teoretický a výukový referenční model rozdělení komunikace do 7 vrstev (de-jure standard).
    • SNA (Systems Network Architecture): Historická síťová architektura vyvinutá firmou IBM.
  • Další možná dělení:
    • Podle topologie (způsobu fyzického zapojení uzlů)
      • Sběrnice (Bus), Kruh (Ring), Hvězda (Star - dnes nejtypičtější), Strom (Tree), Síť (Mesh - částečná/úplná).
    • Podle přenosového média
      • Metalické (drátové - kroucená dvojlinka, koaxiál), Optické (optická vlákna), Bezdrátové (rádiové vlny, mikrovlny, Bluetooth, Wi-Fi).
    • Podle míry mobility
      • Pevné sítě a mobilní sítě (s plnou mobilitou nebo jen tzv. nomadicitou - pohyb s notebookem mezi různými Wi-Fi sítěmi bez udržení aktivní relace).

c) Modely

TLDR

  • RM ISO/OSI – Charakteristika a hodnocení
    • Charakteristika: Teoretický referenční model vyvinutý organizací ISO. Skládá se ze 7 vrstev (Fyzická, Linková, Síťová, Transportní, Relační, Prezentační, Aplikační). Každá vrstva řeší specifický problém komunikace a poskytuje služby vrstvě nad sebou.
    • Hodnocení: Přestože je model ISO/OSI výborný pro výuku, pochopení síťové komunikace a standardizaci (slouží jako referenční etalon), v praxi se nikdy plně neuchytil. Důvodem byla přílišná složitost, velká byrokratická zátěž při schvalování standardů a fakt, že v době jeho dokončení už drtivě dominoval jednodušší a v praxi otestovaný model TCP/IP.
  • Spodní dvě vrstvy ISO/OSI a jejich napojení na TCP/IP
    • 1. Fyzická vrstva (Physical layer): Zajišťuje přenos nesetříděného toku surových bitů (0 a 1) přes fyzické médium. Definuje mechanické a elektrické vlastnosti (napětí, konektory, typy kabelů, modulace signálu).
    • 2. Linková vrstva (Data Link layer): Zajišťuje přenos dat mezi dvěma sousedními uzly (na jedné lokální síti). Seskupuje bity do tzv. rámců (frames). Řeší fyzickou adresaci (MAC adresy), přístup ke sdílenému médiu (např. CSMA/CD u Ethernetu) a detekci (případně opravu) chyb na lince. Dělí se na dvě podvrstvy: MAC (Media Access Control) a LLC (Logical Link Control).
    • Napojení/Vazba na TCP/IP: Model TCP/IP tyto dvě nejnižší vrstvy striktně neodděluje. Namísto toho je slučuje do jediné vrstvy nazývané Vrstva síťového rozhraní (Network Access Layer / Link Layer). TCP/IP pro tuto vrstvu nedefinuje vlastní protokoly, ale spoléhá se na to, že hostitel je připojen k síti pomocí nějakého standardizovaného protokolu (jako je právě Ethernet nebo Wi-Fi), který funkce fyzické a linkové vrstvy zajistí.
  • Model TCP/IP – Charakteristika a vztah k ISO/OSI
    • Charakteristika a hodnocení: Praktický, de facto standard dnešního internetu. Vznikl pragmaticky z vojenského projektu ARPANET – nejprve byly vytvořeny fungující protokoly a až následně z nich byl odvozen model. Je jednodušší, spolehlivý a robustní.
    • Vztah k ISO/OSI: TCP/IP má pouze 4 vrstvy. Slučuje vrstvy OSI následovně:
      • Aplikační, Prezentační a Relační (OSI) = Aplikační vrstva (TCP/IP)
      • Transportní (OSI) = Transportní vrstva (TCP/IP)
      • Síťová (OSI) = Síťová vrstva / Internetová (TCP/IP)
      • Linková a Fyzická (OSI) = Vrstva síťového rozhraní (TCP/IP)
  • TCP/IP – Charakteristika vrstev a jejich protokoly
    • 1. Vrstva síťového rozhraní: Zajišťuje fyzický přenos rámců po médiu.
      • Příklady protokolů (technologií): Ethernet (IEEE 802.3), Wi-Fi (IEEE 802.11).
    • 2. Síťová vrstva: Zajišťuje logickou adresaci a směrování (routing) paketů od zdroje k cíli napříč různými sítěmi. Funguje jako nespojovaná a nespolehlivá (garance doručení se nechává na vyšší vrstvě).
      • Protokol IP (Internet Protocol): Základní protokol celého internetu, přiděluje logické IP adresy a směruje pakety.
      • Protokol ICMP: Slouží k přenosu kontrolních a chybových zpráv (využívá ho např. nástroj ping).
    • 3. Transportní vrstva: Zajišťuje komunikaci end-to-end mezi konkrétními aplikacemi na koncových zařízeních. K rozlišení aplikací využívá tzv. porty.
      • Protokol TCP (Transmission Control Protocol): Spojovaný a spolehlivý. Zajišťuje potvrzování doručení (ACK), správné pořadí paketů a opakované odeslání při ztrátě (např. pro web, e-maily, stahování souborů).
      • Protokol UDP (User Datagram Protocol): Nespojovaný a nespolehlivý. Rychlý, bez režie na potvrzování. Pokud se paket ztratí, neřeší to. Vhodný tam, kde je kritická rychlost (streamování videa, online hry, VoIP, DNS dotazy).
    • 4. Aplikační vrstva: Obsahuje protokoly vysoké úrovně, se kterými přímo komunikují uživatelské programy.
      • HTTP / HTTPS: Přenos hypertextu (prohlížení webových stránek).
      • SMTP / IMAP / POP3: Odesílání a přijímání elektronické pošty.
      • FTP: Přenos souborů.
      • DNS (Domain Name System): Překlad doménových jmen (např. www.seznam.cz) na IP adresy.
      • DHCP: Automatické přidělování IP adres a síťové konfigurace koncovým zařízením.

x) Ostatní

  • Kabelové sítě – klasifikace, charakteristiky a hodnocení
    • Základní klasifikace: Kabelová (fyzická) média se dělí na metalická (měděná, přenášejí elektrický proud) a optická (skleněná/plastová, přenášejí světlo).
    • Kroucená dvoulinka (Twisted Pair): Základní kámen dnešních LAN sítí. Dráty jsou po párech zkrouceny, aby se minimalizovalo elektromagnetické rušení a přeslechy.
      • Typy: UTP (nestíněná - nejběžnější), STP/FTP (stíněná fólií/opletením - do zarušeného prostředí).
      • Charakteristika: Zakončení konektorem RJ-45, limitní vzdálenost bez aktivních prvků je typicky 100 metrů. Přenosové rychlosti od 1 Gbps až po 10 Gbps.
    • Koaxiální kabel: Skládá se z měděného jádra, izolace, vodivého opletení (stínění) a vnějšího pláště.
      • Charakteristika: Historicky využíván pro starší typy Ethernetu, dnes se s ním v IT setkáme především u poskytovatelů kabelového internetu (standard DOCSIS). Je odolnější vůči rušení než UTP, ale hůře se s ním fyzicky manipuluje.
    • Hodnocení: Oproti bezdrátovým sítím poskytují kabelové sítě maximální stabilitu, vyšší zabezpečení (obtížnější odposlech) a vyhrazenou šířku pásma bez rušení. Daní za to je nulová mobilita a vysoké náklady na stavební přípravu (kabeláž ve zdech).
  • Přepojování okruhů vs. Přepojování paketů (Opakování)
    • Přepojování okruhů: (Circuit switching)
      • Před zahájením komunikace se vytvoří vyhrazená trasa (okruh) mezi odesílatelem a příjemcem. Kapacita je plně garantovaná po celou dobu spojení, i když se data zrovna nepřenáší (neefektivní využití linky). Příklad: klasická pevná telefonní síť.
    • Přepojování paketů: (Packet switching)
      • Zpráva se rozdělí na datové bloky (pakety). Cesta není předem vyhrazená; každý paket putuje sítí nezávisle, uzly jej podle IP adresy směrují dál (Store and Forward). Vysoce efektivní využití linek, ale chybí garance zpoždění. Příklad: Internet.
  • Optické technologie a optovláknový kabel
    • Co to je: Přenosové médium, které využívá principu úplného odrazu světla (fotonika). Místo elektrických signálů putují kabelem světelné impulsy. Kabel se skládá z velmi tenkého jádra, optického pláště s odlišným indexem lomu a ochranného obalu.
    • Klasifikace optických vláken:
      • Vícevidové (Multimode - MM): Širší jádro (typicky 50 nebo 62,5 mikrometrů). Šíří se jím více paprsků (vidů) světla najednou, které se odrážejí pod různými úhly. Světlo emituje levnější LED nebo VCSEL dioda. Používá se na kratší vzdálenosti (LAN, uvnitř budov nebo datových center).
      • Jednovidové (Singlemode - SM): Velmi úzké jádro (typicky 9 mikrometrů). Vláknem se šíří pouze jeden přímý paprsek světla z laserové diody. Vyznačuje se extrémně malým útlumem, takže se používá pro velké vzdálenosti (WAN, MAN, páteřní spoje přes oceány) a dosahuje obrovských kapacit.
    • Vlastnosti a výhody: Naprostá imunita vůči elektromagnetickému rušení (EMI), nevodivost (žádné problémy se zemním potenciálem či blesky), extrémně vysoká šířka pásma (propustnost) a velmi obtížný odposlech (vysoká bezpečnost).
  • PLC (Power Line Communication)
    • Co to je: Technologie, která pro přenos digitálních dat využívá existující elektrické rozvody (běžné zásuvky na 230 V).
    • Princip: Na standardní nízkofrekvenční střídavý proud (50 Hz) je namodulován vysokofrekvenční datový signál. Adaptér v zásuvce tento datový signál na druhé straně opět “odfiltruje” a převede do klasického ethernetového portu nebo vysílá jako Wi-Fi.
    • Využití: Zasíťování domácností nebo budov v místech, kam nedosáhne Wi-Fi signál a kde je příliš drahé/nemožné sekat zdi pro UTP kabely. Také pro “Smart Grid” (např. chytré elektroměry komunikující s centrálou).
    • Hodnocení (Nevýhody): Silná závislost na kvalitě elektroinstalace. Signál je silně tlumen a rušen při zapnutí spotřebičů s elektromotory (vysavače) nebo levnými spínanými zdroji. Problémem jsou také jističe a fakt, že signál typicky neprojde z jedné fáze do druhé (vyžaduje instalaci tzv. fázové spojky v rozvaděči).