Po čítačové sítě ve školách I.

1. Počítačové sítě ve školách I. RNDr. Ing. Milan Šorm, Ph.D. Oddělení koncepce a vývoje ÚIKT sorm@uikt.mendelu.cz

2. 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

3. Obsah přednášky • Počítačová síť, její velikost a topologie • ISO/OSI model • Fyzická vrstva • Linková vrstva • Síťová vrstva

4. Co je to počítačová síť • Soustava vzájemně propojených počítačů

5. 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

6. 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)

7. 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.)

8. 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

9. Sběrnicová topologie • Problém: vysílaný signál se na sběrnici odráží a brání ostatním ve vysílání • Útlum signálu na konci je řešen speciálním zařízením zvaným terminátor

10. 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

11. 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

12. 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

13. Hvězdicová topologie • Analogie centrálního počítače (mainframe), každá stanice připojena segmentem k centrálnímu prvku • Užití rozbočovačů(hub) či přepínačů(switch) • Kolaps sběrnice dojediného uzavřenéhoprvku

14. 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

15. 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)

16. Kruhová topologie • Všechny počítače jsou zapojeny v kruhu, neexistuje žádné zakončení • Každý počítač pracuje jako repeater • Počítače sipředávají token,který je opravňujek vysílání

17. 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)

18. 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

19. 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

20. ISO/OSI model • Úkolem nižší vrstvy je nezatěžovat vyšší vrstvu detaily o způsobu realizace příslušné vrstvy • Data postupují vrstvami v „paketech“

21. 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

22. 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)

23. 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)

24. 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

25. 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)

26. 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

27. 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)

28. 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

29. 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)

30. Koaxiální kabel • 50 Ohmů • velká šířka pásma, nízký šum • rychlosti cca 10 Mbit/s • dosah cca 1 km s užitím opakovačů

31. Kroucená dvojlinka • původně telefonní kabel, kroucením je sníženo rušení na vedení • dělí se na nestíněnou (UTP)a stíněnou (STP – menší rušení)

32. Kroucená dvojlinka • Typicky dvoubodové spoje • Existuje různá kategorie podle přenosových rychlostí (schopnost přenést na vyšší frekvenci) • CAT5 – 100Mbit/s, 100m vzdálenosti • CAT5e – 1Gbit/s, 25m vzdálenosti • CAT6 – 1Gbit/s zaručen (dnes standard)

33. Strukturovaná kabeláž • Jednotná kabeláž pro síť i telefony • Svedení do jediného centra umožňuje snadné přepojování a přizpůsobování topologie dle potřeby, mobilita

34. Optická kabeláž • Využívá vlastnosti lomu světla (dva materiály s vhodným indexem lomu udrží světlo uvnitř jádra kabelu) • Uvádí se průměr jádra a jeho obalu

35. 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)

36. 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

37. WDM • Přenos více signálu po jednom optickém vláknu (wave division multiplexing) • Užívá optický hranol pro míchání barev • Znásobuje kapacitu vlákna

38. 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

39. 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)

40. 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

41. 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

42. 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

43. 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.

44. 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

45. 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

46. Závěr Děkuji za pozornost. Dotazy?