Sieci komputerowe

Sieci można klasyfikować na wiele różnych sposobów. Tutaj przedstawimy najbardziej podstawowe informacje o sieciach komputerowych oraz o ich konfiguracjach, składnikach i sposobach pracy. Zainteresowanych odsyłamy do bogatej literatury na ten temat.

 

Terminologia stosowana w sieciach komputerowych

Sieć komputerowa (ang. computer network)

Zbiór komputerów rozmieszczonych na pewnym obszarze i połączonych ze sobą kanałami transmisyjnymi w celu wymiany informacji.

Serwer sieciowy (ang. network server)

Wydzielony w sieci komputer, zwykle o dużej mocy obliczeniowej i pojemnych dyskach twardych, który steruje pracą sieci i udostępnia różne usługi - pocztę elektroniczną, składowanie plików i programów, dostęp do Internetu, komunikację i wymianę danych w obrębie sieci, itp.

Administrator sieci, admin (ang. network administrator)

Odpowiednio przeszkolona osoba, której zadaniem jest nadzorowanie sieci. Zgodnie z obrazkiem po lewej stronie, praca administratora jest bardzo wyczerpująca i wymaga dużych kwalifikacji.

Administrator pracuje na serwerze.

Zapamiętaj:

Nie zadzieraj z adminem, bo ma on zawsze rację, nawet gdyby jej nie miał!

Stacja robocza, terminal sieciowy (ang. workstation)

Komputer podłączony do sieci, korzystający z jej zasobów. Na terminalu pracuje użytkownik sieci (ang. network user). Użytkownicy posiadają w sieci różne prawa (np. dostępu do wybranych usług lub zasobów). Użytkownik o największych prawach jest awatarem (ang. avatar).

 

 

Podział sieci komputerowych ze względu na wielkość

LAN (ang. Local Area Network) - sieć lokalna:

Jest to mała sieć komputerowa zawierająca do kilkuset komputerów zgrupowanych fizycznie na niedużym obszarze, takim jak szkoła, biuro firmy, lotnisko, szpital, fabryka, instytut naukowy, itp. Kanały transmisyjne realizowane są zwykle za pomocą kabli elektrycznych lub radia (przykładem jest standard Ethernet).

 

MAN (ang. Metropolitan Area Network) - sieć miejska:

Jest to duża sieć komputerowa zawierająca dziesiątki tysięcy komputerów, która rozprzestrzenia się na większym obszarze, obejmującym od kilku budynków do granic strefy miejskiej. Cechuje się szybką transmisją danych. Zwykle sieć posiada kilkunastu różnych właścicieli, którzy zarządzają jej fragmentami. Kanały transmisyjne realizowane są zwykle za pomocą światłowodów o dużej przepustowości lub techniką radiową.

 

WAN (ang. Wide Area Network) - sieć rozległa:

Jest to sieć komputerowa pokrywająca rozległy obszar wykraczający poza granice miast, regionów, a nawet państw. Przykładem największej sieci WAN jest Internet oplatający całą Ziemię, a wkrótce również obecny w kosmosie. Ilość komputerów wchodzących w skład tej sieci zwykle nie jest ograniczona i liczy się ją milionami sztuk. Typowymi kanałami komunikacyjnymi w sieciach WAN są linie telefoniczne, połączenia krótkofalowe oraz kanały satelitarne. Sieci WAN często łączą ze sobą sieci LAN i MAN w większe grupy.

 

Podział sieci LAN ze względu na topologię

Topologia sieci komputerowej określa sposób połączenia jej węzłów i wynikające stąd własności. Zasadniczo rozróżniamy następujące topologie sieci LAN (S - serwer, W - stacja robocza):

Gwiazda (ang. star)

Stacje robocze połączone są z serwerem (lub innym urządzeniem sieciowym - np. hubem) sieci za pomocą osobnych kanałów transmisyjnych. Sieci tego typu są obecnie bardzo popularne ze względu na swoją niezawodność.

Zalety:

Duża szybkość i niezawodność działania.
Uszkodzenie terminala nie powoduje awarii całej sieci.

Wady:

Skomplikowane okablowanie.
Dosyć wysoki koszt wykonania sieci.
Awaria serwera lub huba unieruchamia całą sieć.

Pierścień (ang. ring)

Sieć posiada pojedynczy kanał transmisyjny w kształcie pierścienia, w którym krążą dane wymieniane w sieci przez sąsiednie stacje robocze. Serwer nie posiada tutaj pełnej kontroli nad siecią. W sieci typu pierścień występuje problem synchronizacji przesyłu danych. Rozwiązano go wprowadzając mały pakiet TOKEN, który cyklicznie krąży w pierścieniu. Komputer chcący transmitować dane przechwytuje pakiet TOKEN, przesyła dane i zwraca pakiet TOKEN do pierścienia, aby inne komputery też mogły uzyskać dostęp do kanału transmisyjnego.

Zalety:

Niższy koszt niż dla sieci typu gwiazda.
Prostsze okablowanie.
Łatwość dołączania nowych stanowisk.

Wady:

Przerwanie pierścienia lub uszkodzenie terminala blokuje ruch w całej sieci.
Przy dużej liczbie stacji roboczych spada szybkość transmisji.
Zmniejszone bezpieczeństwo przesyłania danych.

Magistrala (ang. bus)

Sieć posiada pojedynczy kanał transmisyjny, do którego podłączone są wszystkie stacje robocze oraz serwer. Dane pojawiają się jednocześnie na całej magistrali. Występuje problem synchronizacji przesyłu danych, który rozwiązano metodą wyścigu: komputer chcący transmitować dane czeka, aż magistrala będzie wolna. Wtedy próbuje rozpocząć transmisję. Jeśli w tym samym czasie zrobi to samo inny komputer, to dojdzie do kolizji. Komputery wykryją kolizję i oba zwolnią magistralę. Następnie każdy z nich odczeka losowy okres czasu (bardzo ważne, w przeciwnym razie znów doszłoby do kolizji, gdyby czasy czekania były u obu komputerów równe) i ponownie próbuje przechwycić magistralę. Ten, który zrobi to pierwszy, wygrywa wyścig i może transmitować dane.

Zalety:

Niski koszt sieci oraz urządzeń sieciowych.
Proste okablowanie - zamiast kabli można wykorzystywać kanał radiowy.
Łatwość dołączania nowych stanowisk.

Wady:

Serwer nie posiada pełnej kontroli nad siecią.
Duża liczba terminali powoduje spadek efektywnej szybkości pracy sieci (częste kolizje).
Zerowe bezpieczeństwo przesyłu danych - każdy może podsłuchiwać każdego.

 

 

Informacje wstępne

Bob Metcalfe

 

Na początku lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku w Centrum Badawczym Korporacji Xerox w Palo Alto (znanego w świecie pod nazwą PARC - ang. Palo Alto Research Center) naukowiec o nazwisku Bob Metcalfe zaprojektował i przetestował pierwszą na świecie sieć komputerową Ethernet (sieć komputerowa to grupa komputerów połączonych ze sobą kanałami transmisyjnymi do wymiany danych cyfrowych). W trakcie prac nad znalezieniem sposobu przyłączenia komputera "Alto" firmy Xerox do drukarki Metcalfe wynalazł rozwiązanie problemu fizycznego połączenia urządzeń za pomocą kabli elektrycznych. Rozwiązanie to nazwał Ethernet. Sieci Ethernet stały się od tego czasu najpopularniejsze na całym świecie i najpowszechniej używane. Standard Ethernet rozwijał się i obejmował coraz więcej nowych rozwiązań i technologii wraz z dojrzewaniem idei sieci komputerowych, lecz podstawy działania pozostały w zasadzie takie same jak w pierwszej sieci opracowanej przez Metcalfe'a. Pierwotny Ethernet realizował wymianę danych poprzez pojedynczy kabel, który współdzieliły wszystkie urządzenia w danej sieci. Po podłączeniu jakiegoś urządzenia do takiego kabla mogło ono prowadzić wymianę danych z dowolnym innym urządzeniem, które było również podłączone do tego kabla. Zasada ta pozwala rozbudowywać sieć w celu dołączania nowych urządzeń bez konieczności modyfikacji tych urządzeń, które już są dołączone do sieci.

Ethernet jest technologią niedużych, lokalnych sieci komputerowych, które zwykle działają w obrębie pojedynczego budynku, łącząc urządzenia znajdujące się blisko siebie. Długość kabla Ethernet zwykle nie przekracza kilkaset metrów. Nowoczesne rozwiązania pozwoliły zwiększyć te odległości do dziesiątek kilometrów. W transmisji danych stosowane są protokoły komunikacyjne. Protokół sieciowy jest zbiorem zasad, wg których prowadzona jest wymiana danych w sieci. Odpowiada on językowi ludzi. Aby czytać ten artykuł, musisz rozumieć język polski. Podobnie, aby dwa urządzenia w sieci komputerowej mogły wymieniać ze sobą dane, muszą oba rozumieć ten sam protokół komunikacyjny.

Nieco słów technicznych

Ethernet działa wg prostych reguł. W celu lepszego zrozumienia tych reguł należy poznać podstawową terminologią związaną z tą technologią.

Medium transmisyjne

Urządzenia pracujące we wspólnej sieci Ethernet są podłączone do wspólnego medium transmisyjnego, które umożliwia przesyłanie sygnałów elektrycznych. Historycznie medium transmisyjne było realizowane za pomocą kabla koncentrycznego (ang. coaxial cable), lecz obecnie zwykle stosuje się skręconą parę przewodów (ang. twisted pair cable) lub włókna światłowodowe (ang. optical fiber cable).

 

Kabel koncentryczny Skrętka Włókno światłowodowe

Segment

Pojedyncze, wspólne medium transmisyjne nazywamy segmentem Ethernet.

Węzeł sieci

Urządzenie podłączone do segmentu nazywamy węzłem (ang. node), terminalem lub stacją roboczą (ang. workstation).

Ramka sieciowa

Węzły komunikują się ze sobą za pomocą krótkich wiadomości nazywanych ramkami (ang. frames), które przekazują fragmenty informacji o różnej długości. Ramki możemy porównać do zdań w naszym języku. Budowę zdania w języku polskim definiuje gramatyka. W sieci Ethernet budowę ramki określa protokół sieciowy. Istnieją ścisłe reguły co do minimalnej i maksymalnej długości ramek (liczby bitów, które ramka w sobie zawiera) oraz co do ich zawartości. Każde urządzenie podłączone do sieci Ethernet posiada swój adres sieciowy, czyli numer identyfikacyjny, zwany adresem MAC (ang. Media Access Control - Kontrola Dostępu do Medium). Ramki muszą zawierać w sobie adresy urządzenia nadającego ramkę oraz urządzenia, które ma tę ramkę odebrać, czyli adres nadawcy i odbiorcy informacji. Dany adres w sposób jednoznaczny definiuje węzeł sieciowy, jak numer PESEL jednoznacznie identyfikuje podatnika w naszym kraju. Dwa urządzenia Ethernet nie mogą posiadać identycznego adresu sieciowego.

Budowa ramki Ethernet wygląda w uproszczeniu następująco:

 

Preambuła SFD Adres
docelowy
Adres
źródłowy
Opcjonalne
pole 802.1Q
Typ Ethernet
lub długość
Dane CRC Przerwa
między ramkami
7 bajtów 10101010 1 bajt 10101011 6 bajtów 6 bajtów (4 bajty) 2 bajty 46–1500 bajtów 4 bajty 12 bajtów
  64–1522 bajtów  
72–1530 bajtów  
84–1542 bajtów

 

Preambuła oznacza początek ramki. Przesyłany wzór bitowy - naprzemiennie 1 i 0 - pozwala dobrze zsynchronizować urządzenia nadawczo-odbiorcze węzłów.

SFD (ang. Start Frame Delimiter - ogranicznik początku ramki) jest bajtem przesyłanym po rozbiegówce. Oznacza on koniec rozbiegówki.

Adres docelowy zawiera tzw. numer MAC odbiorcy ramki. W sieci Ethernet numery MAC są 6 bajtowe. Numer ten jest albo ustalany przez wytwórcę urządzenia, albo definiowany przez administratora sieci w urządzeniach, których adresy MAC można konfigurować.

Adres źródłowy definiuje urządzenie, które daną ramkę wysyła.

Pole Typ Ethernet zawiera albo dane określające rodzaj używanego protokołu Ethernet dla ramek sterujących lub długość ramki dla ramek z danymi.

Pole z danymi może zawierać od 46 do 1500 bajtów danych.

Pole CRC zawiera 32 bitową sumę kontrolną (ang. Cyclic Redundancy Check - Cykliczne Sprawdzanie Nadmiarowości), która umożliwia wykrywanie błędów w przesyłanych danych.

Przerwa między ramkami (ang. interframe gap) składa się z 12 bajtów o stanie równym ciszy w medium. Musi ona wystąpić przed próbą wysłania kolejnej ramki. W trakcie przerwy inne węzły mogą próbować rozpocząć transmisję swoich własnych ramek - patrz dalej.

 

Medium Ethernet

W zależności od stosowanego w sieci Ethernet medium istnieją różne sposoby podłączania kabla sieciowego do komputera. W każdym przypadku komputer musi być wyposażony w specjalną kartę sieciową, która posiada odpowiednie gniazda (współcześnie produkowane komputery przenośne posiadają gniazda Ethernet w swoim standardowym wyposażeniu).

 

Wtyczka na kabel koncentryczny Wtyczka na skrętkę Wtyczka na włókno światłowodowe
Karta Ethernet z gniazdkiem
na kabel koncentryczny
Karta Ethernet z gniazdkiem
na skrętkę
Karta Ethernet z gniazdkiem
na włókno światłowodowe

 

Technologia kabla koncentrycznego dzisiaj jest już przestarzała. Powszechnie są stosowane kable ze skrętek oraz kable światłowodowe. Te ostatnie pozwalają na dużo wyższe prędkości transmisji, ponieważ kabel światłowodowy jest odporny na różne zakłócenia, z którymi muszą walczyć kable elektryczne - wyładowania atmosferyczne, zakłócenia przemysłowe, pola magnetyczne, sprzężenia pasożytnicze, itp.

Ponieważ sygnał w medium Ethernet dociera do każdego podłączonego węzła, adres docelowy jest niezbędny do określenia zamierzonego odbiorcy ramki sieciowej.

 


Przykładowo na powyższym rysunku gdy komputer 2 wysyła dane do drukarki 3, to ramkę sieciową odbierają również komputery 1 i 4. Jednakże, gdy węzeł odbiera ramkę, to sprawdza adres odbiorcy, aby dowiedzieć się, czy jest ona dla niego przeznaczona. Jeśli nie, odrzuca ramkę, nie czytając nawet jej zawartości. W sieci Ethernet istnieje tzw. adres rozsiewczy (ang. broadcast address), który dotyczy wszystkich węzłów w sieci. Jeśli adres docelowy w ramce jest adresem rozsiewczym, to ramka zostanie odczytana i przetworzona przez wszystkie węzły. System ten pozwala rozsyłać w sieci różne wiadomości sterujące.

Ethernet steruje przesyłem danych pomiędzy węzłami sieci za pomocą technologii CSMA/CD (ang. Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection - wielodostęp z wykrywaniem sygnału nośnego oraz wykrywaniem kolizji). Gdy jeden z węzłów w sieci Ethernet przesyła dane, wszystkie pozostałe węzły "słyszą" tę transmisję. W trakcie transmisji protokół zabrania innym węzłom rozpoczynania własnej transmisji - nie miałoby to sensu, ponieważ doszłoby do zakłócenia obu sygnałów, i żaden z węzłów nie byłby w stanie przesłać swoich danych - to zupełnie tak samo, jak dwóch lub więcej ludzi próbuje jednocześnie coś mówić, zakłócając się nawzajem. Gdy pewien węzeł chce transmitować dane, czeka aż medium będzie wolne od innych transmisji - czyli do momentu, gdy przestanie wykrywać sygnał nośny. Dopiero wtedy próbuje wysłać swoją ramkę danych.

Może się jednakże zdarzyć, iż w tym samym momencie inny węzeł wykrył koniec transmisji i sam również rozpoczął swoją własną transmisję. Węzły Ethernet nasłuchują medium w trakcie wysyłania swoich danych, aby upewnić się, że są jedynymi transmitującymi w tym czasie dane. Jeśli "usłyszą" swoje sygnały wracające w postaci zniekształconej, co zdarza się, gdy inny węzeł rozpocznie w tym samym czasie transmisję, to "wiedzą", że doszło do kolizji. Pojedynczy segment Ethernet czasami jest nazywany domeną kolizyjną, ponieważ żadne dwa węzły nie mogą w nim przesyłać danych w tym samym czasie bez wywołania kolizji. Gdy węzły wykryją kolizję, przerywają transmisję, odczekują przypadkowy okres czasu i ponawiają próbę wysłania ramki, gdy wykryją ciszę w medium.

Przypadkowa długość przerwy jest bardzo ważną częścią protokołu. Gdy dwa węzły wchodzą ze sobą w kolizję po raz pierwszy, to oba będą musiały ponownie przesyłać dane. Przy następnej nadarzającej się okazji oba węzły uczestniczące w poprzedniej kolizji będą posiadały dane przygotowane do wysłania. Gdyby wysyłały te dane przy pierwszej ciszy w medium, to najprawdopodobniej doszłoby między nimi do kolejnej kolizji, a później do następnej, następnej... Dzięki przypadkowemu okresowi opóźnienia sytuacja taka jest mało prawdopodobna i jeden z węzłów jako pierwszy zacznie transmisję. Wtedy drugi, zgodnie z protokołem, będzie musiał czekać na ponowną ciszę w medium. Przypadkowość przerw gwarantuje, iż każdy z węzłów posiada równe szanse w dostępie do medium i będzie mógł wysłać swoje dane.

 

Ograniczenia sieci Ethernet i sposoby ich omijania

Pojedynczy, wspólnie używany kabel może być podstawą pełnej sieci Ethernet. Jednakże w tym przypadku powstają praktyczne ograniczenia maksymalnego rozmiaru takiej sieci, które wiążą się z ograniczeniami długości wspólnie wykorzystywanego kabla.

Sygnały elektryczne podróżują wzdłuż kabla bardzo szybko - prawie z szybkością światła, lecz, w miarę trwania tej podróży, słabną, a elektryczne interferencje z sąsiednich urządzeń (na przykład świetlówek, silników, linii energetycznych, transformatorów, itp.) mogą zniekształcać sygnał. Dlatego kabel powinien być na tyle krótki, aby urządzenie znajdujące się na jego drugim końcu było w stanie odebrać czyste sygnały z minimalnym opóźnieniem. To nakłada ograniczenie w maksymalnej odległości pomiędzy dwoma urządzeniami (zwane średnicą sieci - ang. network diameter) w sieci Ethernet. Dodatkowo, ponieważ przy technologii CSMA/CD tylko jedno urządzenie może przesyłać dane w określonym momencie, istnieje praktyczne ograniczenie co do liczby urządzeń, które mogą współistnieć w pojedynczej sieci. Podłączenie zbyt wielu węzłów do wspólnego segmentu powoduje wzrost kolizji w dostępie do medium. Każdy węzeł musiałby czekać przez nadmiernie długi okres czasu zanim otrzymałby szansę rozpoczęcia własnej transmisji.

Z tego powodu inżynierowie opracowali wiele urządzeń sieciowych, które usuwają te niedogodności.

 

Koncentrator Ethernet Sieć typu gwiazda oparta na koncentratorze.

 

Pierwszym popularnym medium Ethernet był koncentryczny kabel miedziany. Maksymalna długość takiego kabla wynosiła 500 metrów. W dużych budynkach czy w środowiskach campusów akademickich taka długość kabla nie zawsze była wystarczająca do podłączenia wszystkich urządzeń sieciowych. Z tego powodu został opracowany tzw. koncentrator sieciowy (ang. network repeater lub network hub). Koncentratory łączą ze sobą wiele segmentów Ethernet, nasłuchując każdy z nich i powtarzając usłyszany sygnał w każdym podłączonym segmencie. Dzięki koncentratorom można znacząco zwiększyć średnicę sieci - w jednej sieci może być wiele koncentratorów.

 

 

Innym rozwiązaniem problemu dużej liczby węzłów jest podział segmentu sieci na wiele oddzielnych segmentów. Problemem jest jednak to, iż rozdzielone segmenty nie mogą się ze sobą komunikować. Aby to umożliwić, zaprojektowano urządzenia łączące segmenty sieci, które nazywają się mostkami sieciowymi (ang. network bridges). Łączą one ze sobą dwa lub więcej segmentów Ethernet, zwiększając średnicę sieci, podobnie jak robią to koncentratory, lecz mostki dodatkowo pozwalają regulować ruch w sieci. Potrafią one odbierać oraz nadawać dane jak każdy węzeł Ethernet, lecz zasada ich działania jest inna. Mostek sam z siebie nie wysyła żadnych danych (nie jest to do końca prawdą, ponieważ mostki przesyłają pomiędzy sobą specjalne ramki Ethernet, które pozwalają im komunikować się ze sobą, jednakże dane te nie są przeznaczone dla węzłów w sieci i są przez nie ignorowane), lecz, podobnie jak koncentrator, przesyła dalej tylko to, co usłyszy od innych węzłów. Zadaniem mostków jest przekazywanie danych pomiędzy segmentami sieci, kiedy jest to konieczne. Na powyższym rysunku mostek łączy segment 1 z segmentem 2. Załóżmy, iż jeden z komputerów 1..4 wysyła ramkę danych. Ramka dociera do mostka. Teraz mostek sprawdza, czy adresatem tej ramki jest komputer w innym segmencie sieci niż nadawca. Jeśli tak, przesyła ramkę do segmentu nadawcy. Jeśli odbiorcą ramki jest komputer w tym samym segmencie sieci (np. komputer 1 przesyła dane do komputera 2 lub komputer 3 do komputera 4), mostek nie przekazuje jej do innych segmentów - tutaj jest różnica w pracy w stosunku do koncentratora. Dzięki temu mostek zmniejsza ogólny ruch w sieci jako całość. Węzły są podzielona na grupy, które w swoich segmentach mogą prowadzić niezależną transmisję danych, która nie zakłóca transmisji w innych segmentach sieci (np. komputery 1-2 oraz 3-4 mogą przesyłać dane między sobą w tym samym czasie). Również przesył ramki do innego segmentu ogranicza się tylko do segmentu odbiorcy ramki - pozostałe segmenty nie są zakłócane zbędną dla nich transmisją. Dzięki tym własnościom mostki przyczyniają się do zmniejszenia obciążenia sieci i pozwalają na efektywniejszą wymianę danych przy dużej liczbie węzłów.

Nowoczesny Ethernet często zupełnie nie przypomina swojego historycznego przodka. Dawniej węzły sieci łączone były ze sobą za pomocą długich kabli koncentrycznych, dzisiaj stosuje się skręcone pary przewodów lub światłowody. Stary Ethernet zapewniał transmisję na poziomie 10 megabitów na sekundę, nowoczesne sieci mogą pracować z szybkościami 100 (skrętka) czy nawet 1000 megabitów (światłowody)!

 

 

Najbardziej uderzającym postępem we współczesnych sieciach Ethernet jest stosowanie przełączanego Ethernetu. Sieci przełączane zastępują przestarzałe wspólne medium transmisyjne. W sieciach tych każdy węzeł posiada swój własny segment sieciowy, niezależny od innych. Segmenty te są podłączone do urządzenia zwanego przełącznikiem sieciowym (ang. network switch), który działa podobnie do mostka sieciowego, lecz potrafi połączyć ze sobą naraz wiele z tych segmentów. Niektóre współczesne przełączniki sieciowe potrafią współpracować z setkami oddzielnych segmentów. Ponieważ w każdym segmencie jedynymi urządzeniami jest przełącznik sieciowy oraz węzeł końcowy, to przełącznik odczytuje każdą ramkę danych, zanim dotrze ona do innego węzła. Następnie przełącznik przesyła dalej odebraną ramkę do właściwego segmentu, tak jak mostek, lecz ponieważ w każdym segmencie jest tylko jeden węzeł, ramka dociera tylko do jej zamierzonego adresata. Pozwala to na prowadzenie wielu równoległych transmisji w sieci przełączanej.

Przełączany Ethernet udostępnił kolejną korzyść: Ethernet full-duplex.  Termin full-duplex oznacza w transmisji danych możliwość równoczesnego nadawania i odbierania informacji (analogia do połączenia telefonicznego, gdzie obaj rozmówcy się nawzajem słyszą). Stary Etherenet był typu half-duplex, co oznaczało, że informacja w danym czasie mogła być przesyłana tylko w jednym kierunku (pojedynczy kabel nie pozwalał na dwukierunkową transmisję). W całkowicie przełączalnej sieci węzły porozumiewają się tylko z przełącznikiem sieciowym i nigdy bezpośrednio ze sobą. Z tego powodu sieci przełączane wykorzystują albo skręcane pary przewodów, albo włókna światłowodowe, w których kanały odbioru i nadawania danych są od siebie odseparowane.

 


Wtyk RJ45
Skrętka UTP (ang. Unshielded Twisted Pair) Wtyk RJ-45 dla skrętki UTP

 

W takim rodzaju środowiska węzły Ethernet mogą zaniechać procesu wykrywania kolizji i transmitować wedle woli, ponieważ są jedynymi urządzeniami z dostępem do medium w danym segmencie sieci. Dzięki temu węzeł może wysyłać dane do przełącznika sieciowego w tym samym czasie, gdy przełącznik przesyła dane do węzła - obie transmisje odbywają się w oddzielnych kanałach i nie dochodzi do ich zakłócania - uzyskujemy środowisko wolne od kolizji.

Więcej informacji na temat sieci Ethernet znajdziesz w artykule Sieci lokalne.

 

Krótka historia Internetu

W latach 60-tych ubiegłego wieku panowała zimna wojna pomiędzy dwoma mocarstwami - Związkiem Sowieckim i Stanami Zjednoczonymi. Kryzys kubański pokazał, iż granica wybuchu wojny termojądrowej jest niebezpiecznie cienka. Z tego powodu Departament Obrony USA stworzył Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych ARPA (ang. Advanced Research Project Agency), która zajęła się opracowaniem planów i budową rozległej sieci komputerowej odpornej na atak nuklearny. Pod koniec lat 60 powstaje ARPANET - sieć komputerowa łącząca cztery węzły w różnych regionach południowo zachodnich stanów USA. Podstawową cechą sieci ARPANET jest niezależność węzłów oraz brak centralnego ośrodka. Dzięki temu zniszczenie fragmentu sieci nie powoduje jej zablokowania jako całości.

 

 

Sieć  ARPA

Rok 1969

Węzeł 1 UCLA sierpień

Węzeł 2 Stanford Research Institute (SRI) październik

Węzeł 3 University of California Santa Barbara (UCSB) listopad

Węzeł 4 University of Utah grudzień

 

obok - oryginalny szkic sieci

 

Sieć ARPANET była systematycznie rozbudowywana - dołączano do niej coraz więcej węzłów z innych ośrodków naukowych, instytucji rządowych, banków, firm prywatnych i państwowych.

 

Grudzień, 1969
Czerwiec, 1970
Grudzień, 1970
Wrzesień, 1971
Marzec, 1972
Sierpień, 1972
Wrzesień, 1973
Czerwiec, 1974
Lipiec, 1975
Lipiec, 1976
Lipiec, 1977

 

Pod koniec lat 80-tych ARPANET objęła swoim zasięgiem całą Ziemię - powstał znany nam Internet.

 

Struktura Internetu

 

Internet jest obecnie tworem bardzo skomplikowanym. Powyższy obrazek w dużym uproszczeniu przedstawia jego strukturę. Całość przypomina system nerwowy mózgu człowieka - nie zdziwiłbym się, gdyby w niedalekiej przyszłości okazało się, iż Internet wytworzył samoświadomość. Ale wróćmy do rzeczy.

W przeciwieństwie do sieci lokalnej Internet nie łączy ze sobą pojedynczych komputerów, lecz całe sieci komputerowe. Stąd pochodzi jego nazwa:

 

INTER  NET
między - sieć

 

Sieci są połączone za pomocą tzw. sieci szkieletowej (ang. backbone network), która zbudowana jest ze szybkich kanałów transmisyjnych oraz komputerów kierujących przepływem danych - tzw. routerów. Routery wybierają w sieci szkieletowej najlepsze trasy dla przesyłanych danych oraz dbają o obejścia zablokowanych lub przeciążonych fragmentów sieci. Dzięki nim informacja trafia niezawodnie do odbiorcy.

Komputery w sieci Internet posiadają przydzielone unikalne numery, które służą do ich identyfikacji. Numery te nazywamy adresami IP. Służą one routerom do określania ścieżki przesyłu danych pomiędzy dwoma komputerami w sieci Internet - analogicznie jak w przypadku połączenia telefonicznego. W wersji 4 protokołu internetowego adresy IP składają się z 4 bajtów (nowa wersja protokołu nr 6 definiuje już 16 bajtowe adresy IP). Adres IP zapisujemy jako czwórkę liczb z zakresu od 0 do 255, rozdzielone kropkami:

 

nnn.nnn.nnn.nnn
gdzie nnn = 0...255

Przykład:

192.193.225.12,  87.66.139.253,  221.188.164.1

 

Wszystkich możliwych adresów IP jest 256 × 256 × 256 × 256 = 2564 = 4294967296, czyli ponad 4 mld. Ponieważ Internet łączy ze sobą nie pojedyncze komputery, ale całe sieci komputerowe, adresy IP dzielą się na kilka klas (dzisiaj podział ten nie jest już tak sztywny jak dawniej). Adres IP zawiera numer sieci komputerowej oraz numer komputera wewnątrz tej sieci.

Klasa A

W klasie A pierwszy bajt określa numer sieci, a pozostałe 3 bajty są numerem hosta wewnątrz tej sieci:

 

1...126.hhh.hhh.hhh

 

Pierwszy bajt może przyjmować wartości tylko od 1 do 126 (0 i 127 są używane do specjalnych celów w sieci). Wynika z tego, iż w klasie A może być tylko 126 dużych sieci komputerowych, a w każdej z nich może znaleźć się 256 × 256 × 256 = 2563 = 16777216 hostów, czyli ponad 16 mln. Ponieważ duże sieci nieefektywnie gospodarują swoimi adresami IP, od 1997 roku mniejsze sieci wypożyczają część numerów klasy A dla swoich hostów. Wymagało to oczywiście odpowiedniej przebudowy oprogramowania routerów, tak aby dane były kierowano do właściwych węzłów, które znajdują się poza siecią posiadającą pulę adresów IP klasy A.

 

Klasa B

W klasie B dwa pierwsze bajty adresu IP zawierają numer sieci. Pozostałe dwa bajty zawierają numer hosta wewnątrz danej sieci:

 

128...191.sss.hhh.hhh

 

Pierwszy bajt przyjmuje wartości od 128 do 191 (64 możliwe wartości). Chodzi o to, aby numer IP klasy B nie wchodził w zakres numerów IP klasy A. Drugi bajt numeru sieci ma wartość dowolną. Zatem w klasie B może być 64 × 256 = 16384 sieci, a w każdej z nich może być do 256 × 256 = 2562 = 65536 hostów.

 

Klasa C

W klasie C numer sieci zawiera się w 3 pierwszych bajtach. Numer hosta podaje ostatni, czwarty bajt:

 

192...223.sss.sss.hhh

 

Pierwszy bajt przyjmuje wartości od 192 do 223 (32 wartości), pozostałe dwa bajty są dowolne, zatem sieci może być 32 × 256 × 256 = 2097152, czyli ponad 2 mln. W każdej z sieci klasy C może wystąpić do 254 hostów (numer 0 i 255 są zarezerwowane na wewnętrzne potrzeby komunacyjne w sieci).

 

Podsumujmy:

Klasa Adres IP Liczba sieci Liczba hostów
A 1-126.h.h.h 126 16777216
B 127-191.s.h.h 16384 65536
C 192-223.s.s.h 2097152 254

 

Nazwy domenowe

Adresy IP są wykorzystywane przez routery do określenia trasy pakietów danych, przesyłanych w sieci Internet. Dzięki adresowi IP sieć szkieletowa odpowiednio zestawia połączenie pomiędzy hostami. Z drugiej strony adres IP jest mało czytelny dla ludzi - głównych użytkowników sieci. Dlatego wprowadzono alternatywny sposób adresowania - nazwy domenowe (ang. domain names). Nazwy te tworzą hierarchiczną strukturę, odczytywaną od końca. Np.:

 

edu.i-lo.tarnow.pl

pl - domena główna, w tym przypadku oznacza nasz kraj
tarnow - poddomena domeny pl. W domenie pl są również poddomeny krakow, onet, wp, interia, google itp.
i-lo - poddomena należąca do tarnow.
edu - poddomena należąca do i-lo.

 

Nazwy domenowe zastępują numery IP. Np. zamiast wpisywać do przeglądarki numer IP 72.14.221.104 (sprawdź to) prościej wpisać google.pl. Jest tylko jeden problem - routery potrzebują adresów IP, zatem w celu nawiązania połączenia w Internecie nazwa domenowa musi zostać przekształcona na odpowiadający jej numer IP. Możemy to porównać z telefonowaniem do kolegi, którego nazwisko znamy, lecz nie wiemy jaki posiada numer telefoniczny. Problem rozwiązujemy wyszukując numer w książce telefonicznej. Na szczęście w sieci Internet również istnieją "książki telefoniczne" dla nazw domenowych. Nazywamy je serwerami nazw domenowych - w skrócie DNS (ang. Domain Name Server).

Połączenie przy pomocy nazwy domenowej wygląda następująco:

Wyobraźmy sobie, iż nasz komputer chce przesłać dane do komputera o nazwie domenowej www.uczniak.pl. Ponieważ nie zna numeru IP, wysyła tę nazwę do współpracującego z nim serwera nazw domenowych. Ten z kolei przeszukuje swoją bazę danych. Jeśli znajdzie wpis www.uczniak.pl, to odczytuje numer IP skojarzony z tą nazwą i zwraca go do naszego komputera. Teraz komputer posiada już numer IP i może go umieścić w pakietach przesyłanych do routera. Połączenie zostanie nawiązane.

 

Konfiguracja połączenia internetowego

Kliknij przycisk Start na pasku zadań, a następnie z menu wybierz opcję Uruchom. W pasku tekstowym wpisz:

 

cmd

 

i kliknij przycisk OK. Spowoduje to uruchomienie okna tekstowego konsoli, w którym możemy wpisywać polecenia za pomocą tekstu. Wpisujemy zatem:

 

ipconfig

 

Polecenie to wyświetli nam podstawowe informacje o naszym połączeniu internetowym:

 

Adres IP - określa numer IP naszego komputera
Maska podsieci - rozdziela numer sieci od numeru hosta
Brama domyślna - numer IP serwera, poprzez który jesteśmy podłączeni do Internetu.

 

Jeśli wydamy polecenie ipconfig /all , to otrzymamy pełne informacje o konfiguracji naszego połączenia internetowego. Między innymi dostajemy informacje o numerach IP serwerów DNS, z którymi współpracuje nasz komputer przy zamianie nazw domenowych na odpowiadające im numery IP.

Zwróć uwagę, iż na komputerach w pracowni pierwsze trzy bajty każdego numeru IP są takie same - jest to numer naszej sieci. Ostatni bajt jest natomiast na każdym komputerze inny - jest to numer komputera wewnątrz danej sieci. Zapisz sobie numer IP swojego komputera, serwera oraz DNS.

 

Wpisz w oknie konsoli:

 

ping IP_twojego_komputera
ping IP_serwera
ping IP_DNS

ping onet.pl
ping wp.pl
ping google.pl

 

Polecenie ping pozwala odpytać docelowy komputer. Polega to na przesłaniu krótkiego pakietu danych do komputera, którego adres IP lub nazwę domenową podamy jako parametr. Jeśli komputer docelowy jest obecny w sieci (nawet w Japoni) i nie ma filtrowanej łączności z siecią, to odbierze przesłany pakiet i wyśle potwierdzenie. W ten sposób możemy przetestować połączenie z wybranym komputerem w sieci. Dodatkową cechą polecenia ping jest automatyczna zamiana nazw domenowych na odpowiadające im numery IP, dzięki temu możemy szybko sprawdzić, jaki numer IP odpowiada danej nazwie domenowej:

 

C:\>ping www.interia.pl

Badanie www.interia.pl [217.74.65.27] z użyciem 32 bajtów danych:

Odpowiedź z 217.74.65.27: bajtów=32 czas=15ms TTL=60
Odpowiedź z 217.74.65.27: bajtów=32 czas=15ms TTL=60
Odpowiedź z 217.74.65.27: bajtów=32 czas=15ms TTL=60
Odpowiedź z 217.74.65.27: bajtów=32 czas=15ms TTL=60

Statystyka badania ping dla 217.74.65.27:
Pakiety: Wysłane = 4, Odebrane = 4, Utracone = 0 (0% straty),
Szacunkowy czas błądzenia pakietów w millisekundach:
Minimum = 15 ms, Maksimum = 15 ms, Czas średni = 15 ms

C:\>

 

Innym ciekawym poleceniem jest:

 

tracert adres IP
tracert nazwa domenowa

 

Umożliwia ono śledzenie trasy połączenia w sieci szkieletowej, po której przesyłane są pakiety danych od naszego komputera do komputera docelowego (ang. tracert - trace route, czyli śledź trasę).

 

C:\>tracert www.google.pl

Trasa śledzenia do www.l.google.com [209.85.129.104]
przewyższa maksymalną liczbę przeskoków 30

  1    <1 ms    <1 ms     1 ms  82.115.66.1
  2    <1 ms    <1 ms    <1 ms  10.0.0.1
  3     5 ms     4 ms     4 ms  88.220.124.129
  4     9 ms     9 ms     9 ms  pos-1-0.warp2.net.telenergo.pl [213.172.160.157]
  5     9 ms    10 ms     9 ms  194.25.208.149
  6    30 ms    30 ms    30 ms  217.239.37.170
  7    30 ms    30 ms    31 ms  74.125.50.149
  8    31 ms    28 ms    28 ms  66.249.94.88
  9    29 ms    31 ms    30 ms  72.14.233.107
 10    32 ms    32 ms    30 ms  72.14.232.201
 11    33 ms    36 ms    29 ms  72.14.239.174
 12    29 ms    29 ms    29 ms  fk-in-f104.google.com [209.85.129.104]

Śledzenie zakończone.

C:\>

 

Podsumujmy:

ipconfig - informacja o numerach IP naszego komputera oraz serwera udostępniającego połączenie z Internetem

ping - pozwala przetestować połączenie z wybranym komputerem w sieci

tracert - pozwala prześledzić trasę przesyłu pakietów do zadanego komputera w sieci

 



List do administratora Serwisu Edukacyjnego Nauczycieli I LO

Twój email: (jeśli chcesz otrzymać odpowiedź)
Temat:
Uwaga: ← tutaj wpisz wyraz  ilo , inaczej list zostanie zignorowany

Poniżej wpisz swoje uwagi lub pytania dotyczące tego rozdziału (max. 2048 znaków).

Liczba znaków do wykorzystania: 2048

 

W związku z dużą liczbą listów do naszego serwisu edukacyjnego nie będziemy udzielać odpowiedzi na prośby rozwiązywania zadań, pisania programów zaliczeniowych, przesyłania materiałów czy też tłumaczenia zagadnień szeroko opisywanych w podręcznikach.



   I Liceum Ogólnokształcące   
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie

©2017 mgr Jerzy Wałaszek

Dokument ten rozpowszechniany jest zgodnie z zasadami licencji
GNU Free Documentation License.