Informatyka dla klas III

Struktura dzisiejszego Internetu jest bardzo złożona. Ciągle powstają nowe urządzenia, które są do niego podłączane, rośnie zasięg sieci, pojawiają się sieci radiowe.

Pierwszą rzeczą, którą należy zrozumieć, jest to, iż Internet to sieć sieci. Elementami składowymi są całe sieci, a nie pojedyncze komputery, jak ma to miejsce w zwykłych sieciach komputerowych.

Dostęp do Internetu uzyskujemy za pośrednictwem dostawcy usług internetowych – ISP (ang. Internet Service Provider). Dostawcy ci sami posiadają sieci, które nazywamy sieciami ISP. Zbudowane są one z szybkich routerów, przełączników pakietów, modemów oraz kanałów transmisyjnych o dużej przepustowości. Sieci te tworzą hierarchię warstwową.

Warstwy sieci dostawców Internetu

Na szczycie tej hierarchii znajdują się dostawcy ISP pierwszej warstwy. Charakteryzują się oni tym, iż posiadają bardzo szybkie routery oraz łącza wymiany danych. Wszyscy dostawcy ISP pierwszej warstwy są połączeni ze sobą bezpośrednio, dzięki czemu mogą wymieniać dane bez pośredników, a zatem bardzo szybko. Warstwa pierwsza ISP posiada międzynarodowy zasięg. Dostawcy ISP pierwszej warstwy udostępniają Internet bardzo licznym dostawcom ISP warstwy drugiej oraz sieciom prywatnym, które stać na taką usługę (ponieważ połączenie jest bardzo szybkie, to miesięczne koszty dzierżawy są bardzo wysokie).

Warstwa druga charakteryzuje się mniejszymi szybkościami transmisji (nie zawsze jest to prawdą) oraz tym, że sieci ISP tej warstwy są zawsze połączone z dostawcą warstwy 1 oraz czasami z innymi sieciami ISP w warstwie 2. Takie połączenia umożliwiają przesyłanie danych poza sieciami ISP warstwy pierwszej, co prowadzi często do niższych kosztów i zmniejsza ruch w sieciach warstwy 1. Dostawcy ISP warstwy 2 posiadają zasięg krajowy lub regionalny.

Miejscowi dostawcy Internetu są najczęściej podłączeni do sieci ISP warstwy 2. Udostępniają oni połączenie internetowe dla sieci użytkowników końcowych. Należy tutaj zaznaczyć, że każdy może zostać dostawcą ISP. Wystarczy podłączyć do łącza internetowego router i rozprowadzać Internet do komputerów współpracujących z tym routerem. Na tej zasadzie działają domowe sieci wifi.

Struktura sieci ISP nosi nazwę sieci szkieletowej Internetu (ang. Internet Backbone Network).

Protokół Internetowy

Prowadzenie wymiany danych wymaga określenia bardzo ścisłych reguł przebiegu tego procesu. Reguły te noszą nazwę protokołu sieciowego. W Internecie mamy dwa podstawowe protokoły transmisyjne:

• IP (ang. Internet Protocol) – jest podstawowym protokołem sieci Internet, który odpowiada za nawiązywanie połączeń pomiędzy hostami i wymianę pakietów danych. Określa on postać adresów komputerów w Internecie oraz strukturę przesyłanych pakietów.
• TCP (ang. Transmission Control Protocol) – jest protokołem sterującym transmisją danych poprzez Internet.

Te dwa protokoły ściśle ze sobą współpracują, dlatego zwykle mówimy o protokole TCP/IP.

Adresy IP

Komputery w sieci Internet rozpoznają się na podstawie tzw. adresu IP (ang. Internet Protocol Address). Są to 4 bajty (w nowszych rozwiązaniach 16 bajtów), które określają sieć oraz komputer wewnątrz sieci. Adresy IP zapisujemy w postaci czterech liczb dziesiętnych z zakresu od 0 do 255, rozdzielonych kropkami. Na przykład adres IP: 213.180.141.140 identyfikuje serwer onet.pl.

Ponieważ adresy IP określają sieć oraz komputer wewnątrz sieci, to zbudowane są z dwóch odrębnych części. Jeśli popatrzymy na adres IP od strony binarnej, wyróżnimy w nim dwa ciągi bitów. Pierwszy określa numer sieci, drugi określa numer komputera (hosta) wewnątrz tej sieci. Niektóre adresy IP są zarezerwowane do zadań specjalnych i nie mogą być używane jako adresy IP hostów.

Kiedyś stosowano podział adresów na klasy A, B, C, D i E. Od roku 1996 podział ten przestał być stosowany, dlatego nie będziemy sobie zaprzątać nim głowy. Dzisiaj dostawcom ISP przydziela się odpowiednie pule adresów IP, którymi mogą oni dowolnie dysponować. Informacja o tych pulach przechowywana jest w specjalnych bazach danych. Np. wg Wikipedii:

• APNIC (ang. Asia Pacific Network Information Centre) – dla rejonu Azji i Pacyfiku,
• ARIN (ang. American Registry for Internet Numbers) – dla rejonu Ameryki Północnej,
• LACNIC (ang. Regional Latin-American and Caribbean IP Address Registry) – dla rejonu Ameryki Łacińskiej i wysp Karaibskich,
• RIPE (fr. Réseaux IP Européens) – dla rejonu Europy, Bliskiego Wschodu i centralnej Azji,
• AfriNIC – dla rejonu Afryki (Rozpoczęła działanie 22 lutego 2005, wcześniej dystrybucją zajmowały się RIPE NCC, APNIC i ARIN).

Z tych baz danych może korzystać zwykły użytkownik Internetu. Na przykład chcemy sprawdzić, gdzie należy adres IP 83.6.37.76. W tym celu uruchamiamy przeglądarkę i wchodzimy na stronę google.pl. W polu tekstowym wpisujemy hasło RIPE. Następnie z listy wybieramy RIPE Database. W polu RIPE Database Search wprowadzamy adres IP: 83.6.37.76 i klikamy w przycisk Search. Po krótkiej chwili otrzymamy informację z bazy danych na temat przynależności danego adresu IP do odpowiedniej puli:

inetnum:         83.4.0.0 - 83.11.255.255
netname:         NEOSTRADA-ADSL
descr:           Neostrada
country:         PL
admin-c:         TPHT
tech-c:          HT2189-RIPE
status:          ASSIGNED PA
mnt-by:          TPNET
mnt-lower:       TPNET
mnt-routes:      TPNET
source:          RIPE # Filtered

W pierwszej linijce widzimy pulę adresów IP, która została przydzielona dostawcy ISP. Dostawcą jest:

role:    TP S.A. Hostmaster
address: Orange Polska S.A.
address: ul. Nowogrodzka 47A
address: 00-695 Warszawa
address: Poland
phone:   +48 800 120810

Istnieją również pule prywatnych adresów IP, które stosowane są wewnątrz sieci użytkowników. Takie adresy nie określają w Internecie żadnej sieci. Nazywamy je adresami niepublicznymi.

• 10.0.0.0 – 10.255.255.255
• 172.16.0.0 – 172.31.255.255
• 192.168.0.0 – 192.168.255.255

Do rozdzielania adresu sieci od adresu hosta służy tzw. maska sieciowa (ang. subnetwork mask), która ma postać podobną do adresu IP. Adres sieci uzyskuje się z adresu IP przez zastosowanie bitowej operacji AND na odpowiadających sobie bitach adresu IP oraz maski. Na przykład mamy adres 192.168.28.69 i maskę podsieci 255.255.255.192. Zapisujemy bitowo oba składniki:

Otrzymaliśmy adres IP sieci równy 192.168.28.64. Adres hosta w tej sieci to reszta z adresu IP, czyli 5. Adresy sieci są używane przez routery do kierowania pakietów w odpowiednie miejsce w sieci Internet (czyli do odpowiedniej podsieci).

4 bajtowe adresy IP są już na wyczerpaniu. Dalszy rozwój Internetu zależy od przejścia do nowej wersji nr 6, w której adresy IP będą 16 bajtowe. Proces ten ciągle się odbywa.

Model klient-serwer

Słowo serwer (ang. server) pochodzi z języka łacińskiego:

servus  = sługa, niewolnik, podwładny
servio  = służyć, usługiwać

W tym kontekście przeznaczenie serwera staje się jasne - jest to komputer usługowy, który służy, usługuje użytkownikom sieci. Usługi internetowe opierają się na modelu klient-serwer. Serwer jest dawcą usługi, a klient jest biorcą usługi. Internet jest ośrodkiem, w którym dana usługa może być udostępniana przez serwer dla jej klientów. Klient usługi to program działający na komputerze użytkownika, który poprzez sieć Internet łączy się z serwerem i korzysta z jego usług. Każdy komputer o publicznym adresie IP może stać się serwerem usług internetowych, jeśli zostanie na nim zainstalowane odpowiednie oprogramowanie serwera (czasami komputery są zabezpieczane przez administratorów sieci przed dostępem z zewnątrz, co utrudnia instalowanie na nich oprogramowania serwerowego).

Nazwy Domenowe

Połączenia w Internecie są realizowane na podstawie numerów IP. Routery kierują pakiety danych w odpowiednie segmenty sieci bazując na numerze IP komputera docelowego. Zasada działania tego mechanizmu jest podobna do sieci telefonicznej - numer telefoniczny (odpowiednik numeru IP) pozwala centralom telefonicznym (odpowiednik routerów) zestawić odpowiednią ścieżkę połączenia (odpowiednik sieci kanałów transmisyjnych) pomiędzy dwoma abonentami (odpowiednik komputera nadawczego i komputera odbiorczego). Jeśli znamy numer telefonu, możemy wykonać rozmowę telefoniczną.

W Internecie jest podobnie, jeśli komputer nadawczy zna numer IP komputera odbiorczego, to może się z nim połączyć, dołączając ten numer do pakietów danych i wysyłając je do sieci szkieletowej. Jednakże numery IP są kłopotliwe w użyciu dla ludzi - wymagają zapamiętywania wielu liczb, a człowiek nie jest w tej dziedzinie specjalnie utalentowany (z wyjątkiem niektórych geniuszy). Dlatego opracowano inny sposób adresowania w Internecie - nazwy domenowe.

Nazwy domenowe są słowami, które identyfikują komputery w sieci Internet. Słowa te można łączyć ze sobą tworząc struktury hierarchiczne.

Domena główna pełni rolę przestrzeni, w której występują zdefiniowane w niej poddomeny. Na przykład, domena pl obejmuje domeny skojarzone z Polską. Wewnątrz tej domeny są zdefiniowane takie poddomeny jak onet (onet.pl), google (google.pl), interia (interia.pl). Każda poddomena może w swojej przestrzeni definiować własne poddomeny. Na przykład poddomena tarnow zawiera takie poddomeny jak i-lo, ii-lo, iii-lo, up (urząd pracy), unia (klub sportowy) i inne. System ten tworzy zatem tzw. rozproszoną bazę danych, która pozwala systematycznie identyfikować skojarzone z domenami komputery.

Aby nazwa domenowa mogła zastąpić numer IP, w Internecie muszą być dostępne mechanizmy zamiany tej nazwy na skojarzony z nią numer IP, którego wymaga sieć szkieletowa przy realizowaniu połączenia. Usługę zamiany nazwy domenowej na numer IP realizują tzw. serwery nazw domenowych (ang. DNS - Domain Name Server), które tworzą ogólnoświatową sieć (wewnątrz Internetu) przechowującą informację na temat nazw domenowych i numerów IP. Sieć tą możesz sobie wyobrazić jako internetową książkę telefoniczną. Jeśli chcesz zadzwonić do znajomego (połączyć się w Internecie z innym komputerem) a nie znasz jego numeru telefonu (w Internecie numeru IP), to zaglądasz do książki telefonicznej (w Internecie do bazy DNS) i szukasz jego nazwiska (nazwy domenowej). Jeśli twój znajomy tam będzie, to obok jego nazwiska odczytasz numer telefonu (numer IP) i będziesz mógł do niego zadzwonić (zrealizować połączenie internetowe). Jak widzisz, analogia jest pełna.

Usługa DNS (ang. Domain Name System - system nazw domenowych) jest we współczesnym Internecie podstawową usługą, z której korzystają praktycznie wszyscy użytkownicy (często zupełnie nieświadomie). Zasada połączenia internetowego na podstawie nazwy domenowej jest w uproszczeniu następująca (diabeł jak zwykle tkwi w szczegółach technicznych):

Konfiguracja połączenia internetowego

Połączenie internetowe definiowane jest przez kilka składników:

• Adres IP hosta – określa adres IP identyfikujący dany komputer w sieci.
• Maska sieciowa – określa bity w adresie IP, które adresują sieć oraz bity adresujące hosta w sieci.
• Domyślna droga – jest adresem IP, poprzez który host otrzymuje dostęp do Internetu oraz do innych usług sieciowych. Adres ten należy do serwera.
• Główny DNS – jest adresem IP serwera DNS, który pozwala zamieniać nazwy domenowe na odpowiadające im numery IP.

W systemie Linux Lubuntu informację o aktualnym połączeniu sieciowym uzyskamy, klikając prawym przyciskiem myszki na pasku zadań w ikonkę sieci, a następnie wybierając opcję Informacje o połączeniu.

Ukaże się wtedy okienko informacyjne:

Podobne informacje możemy również uzyskać za pomocą poleceń wpisywanych w terminalu. Naciskamy klawisze lewy Ctrl + lewy Alt + T – na ekranie pojawi się okienko terminala. Wpisujemy w nim polecenie:

w odpowiedzi dostaniemy poniższą informację:

eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0c:29:b8:ec:83 
inet addr:192.168.109.131 Bcast:192.168.109.255 Mask:255.255.255.0
inet6 addr: fe80::20c:29ff:feb8:ec83/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:285 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:273 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000 
RX bytes:33867 (33.8 KB) TX bytes:27900 (27.9 KB)

lo Link encap:Local Loopback 
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
UP LOOPBACK RUNNING MTU:65536 Metric:1
RX packets:296 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:296 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0 
RX bytes:26012 (26.0 KB) TX bytes:26012 (26.0 KB)

Parametry połączenia internetowego mogą być wprowadzone ręcznie przez administratora sieci lub uzyskane automatycznie przez tzw. usługę DHCP (ang. Dynamic Host Configuration Protocol). Usługa ta wymaga obecności serwera DHCP w sieci. Klient DHCP, czyli komputer skonfigurowany do automatycznego pobierania ustawień sieciowych, najpierw próbuje wykryć obecność serwera DHCP wysyłając specjalny komunikat sieciowy. Serwer DHCP odbiera ten komunikat i wysyła w odpowiedzi komunikat potwierdzający obecność usługi. Wtedy klient wysyła do serwera DHCP żądanie przesłania konfiguracji. Serwer DHCP spełnia to życzenie (lub nie, niestety też się zdarza) i przesyła do klienta pakiet konfiguracyjny, w którym zawarte są informacje o ustawieniach sieciowych (adresy IP, maski, itp.). Klient DHCP odbiera ten pakiet i na jego podstawie konfiguruje się. Przydział tych ustawień nie jest wieczny, trwa przez określony czas, po czym może zostać zmieniony na inny zestaw parametrów.