Sieci komputerowe – Internet

Podstawowa terminologia

	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) Osoba legitymująca się studiami informatycznymi o kierunku związanym z zarządzaniem i administrowaniem sieci komputerowych, posiadająca wieloletnie doświadczenie w pracy z sieciami. ich konfiguracją oraz utrzymaniem. Odpowiada za całość funkcjonowania sieci, ustawia różne serwisy dla użytkowników, zarządza kontami użytkowników oraz ich prawami dostępu do zasobów sieciowych, reaguje na ataki z Internetu, aktualizuje oprogramowanie sieciowe. Administrator sieci jest wydzielonym zawodem informatycznym. Zawodów informatycznych jest dzisiaj ponad 20. Są to określone specjalizacje, które wymagają dedykowanych studiów, podobnie jak specjalizacje lekarskie: kardiolog, okulista, dentysta, chirurg...
	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).

 

Nasza pracownia szkolna jest wyposażona w prostą sieć lokalną, na którą składa się 18 komputerów uczniowskich, 1 komputer nauczycielski oraz serwer linuxowy.

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 sieci (lub innym urządzeniem sieciowym - np. przełącznikiem) 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.

Sieć lokalna Ethernet

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.

Informacje techniczne

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

Jest porcją danych, które jeden komputer wysyła w sieci do drugiego komputera. Ramka zaopatrzona jest w dane, które identyfikują zarówno nadawcą jak i odbiorcę informacji.

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 sieci. Przypadkowość przerw gwarantuje, iż każdy z węzłów posiada równe szanse w dostępie do medium i będzie mógł wysłać swoje dane.

Urządzenia sieci LAN

Sieci LAN buduje się z biernych i aktywnych urządzeń sieciowych. Bierne urządzenia sieciowe to komponenty systemów okablowania strukturalnego.

Do aktywnych urządzeń sieci LAN należą:

regenerator (repeater) – jest urządzeniem pracującym w warstwie fizycznej modelu OSI, stosowanym do łączenia segmentów kabla sieciowego. Regenerator odbierając sygnały z jednego segmentu sieci wzmacnia je, poprawia ich parametry czasowe i przesyła do innego segmentu. Może łączyć segmenty sieci o różnych mediach transmisyjnych.

koncentrator (hub) – jest czasami określany jako wieloportowy regenerator. Służy do tworzenia fizycznej gwiazdy przy istnieniu logicznej struktury szyny lub pierścienia. Pracuje w warstwie 1 (fizycznej) modelu OSI. Pakiety wchodzące przez jeden port są transmitowane na wszystkie inne porty. Wynikiem tego jest fakt, że koncentratory pracują w trybie half-duplex   (transmisja tylko w jedną stronę w tym samym czasie). Obecnie rezygnuje się ze stosowania hubów, zastępując je przełącznikami.

przełącznik (switch) – są urządzeniami warstwy łącza danych (warstwy 2) i łączą wiele fizycznych segmentów LAN w jedną większą sieć. Przełączniki działają podobnie do koncentratorów z tą różnicą, że transmisja pakietów nie odbywa się z jednego wejścia na wszystkie wyjścia przełącznika, ale na podstawie adresów MAC kart sieciowych przełącznik uczy się, a następnie kieruje pakiety tylko do konkretnego odbiorcy co powoduje wydatne zmniejszenie ruchu w sieci. W przeciwieństwie do koncentratorów, przełączniki działają w trybie full-duplex (jednoczesna transmisja w obu kierunkach).

most (bridge) – służy do przesyłania i ew. filtrowania ramek między dwoma sieciami przy czym sieci te niekoniecznie muszą być zbudowane w oparciu o takie samo medium transmisyjne. Śledzi on adresy MAC umieszczane w przesyłanych do nich pakietach. Mosty nie mają dostępu do adresów warstwy sieciowej, dlatego nie można ich użyć do dzielenia sieci opartej na protokole TCP/IP na dwie podsieci IP. To zadanie mogą wykonywać wyłącznie routery. Analizując adresy sprzętowe MAC, urządzenie wie, czy dany pakiet należy wyekspediować na drugą stronę mostu, czy pozostawić bez odpowiedzi. Mosty podobnie jak przełączniki przyczyniają się w znacznym stopniu do zmniejszenia ruchu w sieci.

router – urządzenie wyposażone najczęściej w kilka interfejsów sieciowych LAN, pracujący wydajnie procesor i oprogramowanie zawiadujące ruchem pakietów przepływających przez router. W sieciach lokalnych stosowane są, gdy sieć chcemy podzielić na dwie lub więcej podsieci. Segmentacja sieci powoduje, że poszczególne podsieci są od siebie odseparowane i pakiety nie przenikają z jednej podsieci do drugiej. W ten sposób zwiększamy przepustowość każdej podsieci.

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 - 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.

I Liceum Ogólnokształcące    im. Kazimierza Brodzińskiego w Tarnowie ©2024 mgr Jerzy Wałaszek

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl

W artykułach serwisu są używane cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać,
zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe