Pojęcie sieci, usługi sieciowe.
Niezbędne urządzenia, sieci typu peer to peer, siec typu klient
serwer.
Podział sieci ze względu na zasięg.
Typy serwerów, repeatery, mosty, bramy, routery.
Sieć komputerowa
- zespół urządzeń i oprogramowania pozwalającego na połączenie
komputerów (terminali sieci) w celu wymiany danych, korzystania
ze wspólnych zasobów (dysków, pamieci, informacji, programów,
urządzeń peryferyjnych).
Jest to zespół komputerów i towarzyszących tym komputerom urządzeń
peryferyjnych. Urządzenia i komputery w sieci mogą się ze sobą
komunikować.
Sieć komputerowa jest to cały zbiór sprzętu i oprogramowania.
Umożliwia wymianę informacji miedzy różnymi komputerami. Głównym
zadaniem sieci jest podłączenie użytkowników do wspólnych
zasobów, takich jak np. dyski twarde, fax modemy, drukarki.
Urządzeniami niezbędnymi do uruchomienia sieci
komputerowej są komputery
centralne (serwery, host), karty sieciowe, okablowanie (skrętki,
kable koncentryczne) i sieciowy system operacyjny (NOS). Przy większej
liczbie terminali pracę sieci komputerowej wspomagają
koncentratory aktywne i pasywne (hub) - do realizacji rozgałęzień.
Transmisję między różnymi rodzajami sieci mogą wspomagać
modemy, routery, bramki komunikacyjne (gateway), mosty (bridge)
i tranceivery.
LAN (lokalne) oraz rozległe WAN. Wyróżnia się też MAN (metropoolitalne).
W sieci wystarczy np. jedna wspólna drukarka skonfigurowana tak, by wszyscy z niej korzystali.
W sieci występuje tzw. dzielenie czy współużytkowanie danych sieciowych. Jeden dokument czy wspólna baza danych jest dostępna dla grupy danych, np. księgowości, kadr.
Sieć pozwala nie tylko na posługiwanie się zdalnymi urządzeniami, lecz umożliwia także komunikowanie się z innymi ludźmi. Aplikacje służące do takiej komunikacji dzielą się na 3 kategorie: poczta elektroniczna, rozmowy elektroniczne i grupy robocze.
Poczta elektroniczna jest komputerowym odpowiednikiem zwykłej poczty. Pozwala przesyłać listy (z załączonymi ewentualnie dokumentami w postaci elektronicznej) oraz odbierać wiadomości. Zaletą jest szybkość działania. Poczta tradycyjna jest nazywana pocztą ślimaczą (snail mail).
Wiadomości prowadzone w trakcie elektronicznych rozmów w sieci są wymieniane na bieżąco. Zdania wypisywane przez jedną osobe z klawiatury pojawiają się na ekranie drugiego komputera. W przypadku poczty e-mail trzeba było wpisać całą wiadomość i dopiero wysłać.
Aplikacje grup roboczych są najnowszym narzędziem komunikacyjnym, pozwalającym kontrolować i koordynować pracę zespołów ludzkich, pracujących nad jednym przedsięwzięciem.
Do aplikacji grup roboczych zaliczamy:
Programy szeregujące
Programy szeregujące służą do automatycznego tworzenia planów działania organizacji. Program szeregujący upraszcza np. procedurę ustalenia zebrania. Muszą być tylko dostępne harmonogramy poszczególnych członków zebrania.
Tablice takie pozwalają ilustrować graficznie pewne koncepcje i pomysły. Na tablicy może rysować dowolna ilość osób. Gdy ktoś rysuje na swoim monitorze to rysunek jest widoczny] na ekranach wszystkich uczestników prelekcji.
Wideokonferencje zazwyczaj towarzyszą aplikacjom tablic. Uzupełniają je o możliwość oglądania i słuchania osoby aktualnie aktywnej. Do wideokonferencji potrzebne są kamery i mikrofony - przeważnie montowane przy monitorze. Problemem wideokonferencji jest szybkość transmisji. Sieci przeważnie działają za wolno by w czasie rzeczywistym przesyłać wiele wideo.
Są rozrywkową formą interakcji ludzi ale mocno obciążają sieć.
LAN (Local Area Network) - lokalne - umożliwiają łączenie komputerów w obrębie budynku lub budynków - firma (bank, szkoła).Niewielkie ilości danych w tysięcznych sek. Większe ilości danych przesyłane z szybkością 10 mln do 100 mln bit.sek i szybciej. (1 GB Ethernet). Dopuszczalne połączenie radiowe (podczeriwń) między budynkami
MAN (Metropolitan Area Network) - metropolitalne, zasięgiem obejmują miasto. Są to szybkie sieci komputerowe zbudowane w oparciu o światłowody. Udostępniają różne usługi, w tym połączenia miedzy lokalnymi sieciami komputerowymi, z centralami PBX, dają możliwość korzystania z mocy obliczeniowej dużych komputerów "mainframe", przesyłanie głosu i obrazów. Sieci te są budowane w oparciu o protokoły FDDI, IEEE 802.6 DQDB, ATM.
WAN (Wide Area Network) - sieć łaczy komputey oddalone o tysiące kilometrów (miast, państw). Do łączenia wykorzystuje się istniejące okablowanie - najczęściej linie telefoniczne. Jest z reguły wolniejsza od LAN. Umożliwia łączenie milionów komputerów na całej kuli ziemskiej. Przesyłanie informacji od 64 Kbit/sek do Gbit/sek. Przykładem sieci jest Internet.
System rozproszony
Przyjmuje się, że sieć komputerowa obejmuje także system rozproszony, wyposażony w rozproszony system operacyjny, gdzie każdy z użytkowników nie powinien wiedzieć o pozostałych. Wszystkie funkcje (przesyłanie itp.) realizowane automatycznie. Rozproszone systemy na uczelniach.
Miejskie sieci komputerowe MAN - obszar miasta w oparciu o światłowód. Pętle światłowodowe zamknięte. Komunikacja w jednym kierunku poprzez routery. Obecnie ATM jako sieć szkieletowa. Kiedyś FDDI (100 Mbit/sek), ATM (150Mbit/sek). Możliwość przesyłania danych, głosu, obrazów. Banki, instytucje - Warszawa, Kraków, Wrocław, Poznań.
Sieci radiowe - jako medium używa się fal radiowych. Transmisję gwarantują stacje odbiorczo nadawcze, stałe lub ruchome. Zasięg ograniczony. Protokół AX25 (CB radio - dostęp do Internetu)
Sieć satelitarna Motoroli (Irydio?) - telefony komórkowe przez satelitę - ok. 100tys (nie 3 mln).
Sieci satelitarne - budowane w oparciu o satelity geostacjonarne. Transmisje z opóźnieniem do 0.25 sek. Satelity muszą być wymieniane.
Sieci fotoniczne (photonics networks) - na łączach światłowodowych. Impulsy światła o różnej długości fali. 10Gbit/sek - multimedia, telewizja, przystawki do telewizorów - Internet.
HSLN - High Speed Local Network - lepszy protokół (światłowód)
Transmisja analogowa - przesyłane dane przyjmują ciągłe wartości (przekształcone sinusoidy) i mogą dotyczyć np. natężenia dźwięku, jasności.
Transmisja cyfrowa - dane przyjmują ściśle określone wartości - ze skończonego przedziału - mogą to być impulsy cyfrowe o wartości max.
Komputery są cyfrowe. Transmisja miedzy nimi cyfrowo lub analogowo - używane wtedy są modemy.
Modulacja może być amplitudowa, częstotliwościowa i fazowa.
Najważniejszymi własnościami transmisji są: szybkość w bit/s oraz zasieg w km.
LAN ma zasieg do 10 km, szybkość do 10 Mbit/s oraz 100 Mbit/s dla High Speed LAN. W WAN zasięg do 20 tys mk, szybkość od 1200 bit/s do 150 Mbit/s. MAN ma dużą przepustowość (od 150 Mbit/s) ale zasięg do kilkuset km.
Asynchroniczny - odstępy między przesyłanymi znakami o dowolnej długości. Musi być początek ramki (bit startu 0) i koniec (bit stopu 1)
Synchroniczny - wymaga synchronizacji komputerów - ta sama podstawa czasu. Sieci bardzo drogie. Sygnały startu i stopu nie są wymagane.
Izochroniczny - ramka opatrzona bitem startu i stopu, przedziały pomiędzy znakami są wielokrotnością czasu trwania - kompromis obu trybów poprzednich.
Wyróżnia się:
Komutację kanałów (łączy) - bezpośrednie
połączenie między nadawcą a odbiorcą. Może ono być
tymczasowe (X25 - Internet) lub stałe wirtualne (ok. 1 doby)
Komutację pakietów - dane dzielone na pakiety. Każdy ma nagłówek
i może być przesyłany inną trasą.
Pakiety mogą być przesyłane metodą bezpołączeniową
- met. Datagramów. Każdy datagram posiada adres nadawcy,
odbiorcy i nr identyfikacyjny. Datagramy są kierowane do
adresata na podstawie aktualnej sytuacji i potem ustawiane u
adresata . Nie stosuje się potwierdzeń odbioru pakietów.
Metoda połączeniowa wymaga utworzenia połączenia wirtualnego
- trasowanie (routing).
1. Połączenia typu punkt - punkt (między 2 komputerami poprzez pojedynczy kanał)
2. Wielopunktowe
3. Struktury mieszane
Struktury sieci mogą tworzyć hierarchie - lokalne sieci (najniższa warstwa), sieć miejska (warstwa wyższa), komputery odpowiadające za ruch między miastami poziom najwyższy.
Biuro Międzynarodowych Standardów (ISO) opracowało model wzorcowy sieci komputerowych
Wyszczególnia poziomy składowe - warstwy i
opisuje funkcje.
Model ten nazywa się OSI (Open System Interconnection Reference
Model).
W modelu OSI wyróżnia się 7 warstw:
Każda warstwa dostarcza interfejsu warstwie następnej.
Warstwa fizyczna leży najniżej,
kolejne coraz wyżej, 7-a ma kontakt z procesami
Warstwa fizyczna to podstawowa warstwa komunikacyjna, można ją
utożsamiać z medium komunikacyjnym. Są to niejako impulsy
elektroniczne wysyłane przez kartę sieciową lub np. drogą
radiową. Dotyczy transmisji zer i jedynek. Najbardziej znanym
protokołem tej warstwy jest IP (Internet Protocol).
Warstwa łącza danych pozwala na niezawodne przesyłanie pakietów między węzłami. Pakiety w tej warstwie są uzupełniane o informacje kontrolne pozwalające na wykrywanie błędów w transmisji. W tej warstwie są zaimplementowane protokoły sieci Ethernet, Token Ring.
Warstwa sieciowa dokonuje zestawienia fizycznego przez sieć lub kilka sieci. Przetwarza dane w postaci pakietów, w przypadku komutacji pakietów, analizuje adresy.
Warstwa transportowa odpowiada
za bezbłędne przekazywanie danych w postaci bloków. Sprawdza
ustala kolejność w jakiej zostały wysłane i odpowiednio
zestawia. Może zlecić hostowi ponowne wysłanie danych
utraconych.
Najczęściej używanymi protokołami tej warstwy są TCP oraz TP4.
Warstwa sesji odpowiada za logiczne połączenie między komputerami. Określa sposób przesyłania danych, początek dialogu i koniec. Warstwa ta pozwala dowolnej stacji roboczej komunikować się z kilkoma urządzeniami na raz, otwierając nowe sesje komunikacyjne. Do programów tej warstwy należy NETBIOS Extender User Interface.
Warstwa prezentacji odpowiada za interpretację danych, dokonuje szyfrowania, deszyfrowania, kompresji. Są w niej zaimplementowane wirtualne terminale.
Warstwa zastosowań (aplikacji) pozwala na różnorodne zastosowania sieci komputerowej. Komunikuje się z programami. Umożliwia zarządzanie bazami danych, korzystanie z poczty, zarządzanie sieciami, umożliwia pracę na zdalnym komputerze, przesyłanie plików itp. Do warstwy tej można zaliczyć dowolny program, który komunikuje się z serwerem za pośrednictwem sieci. Przykłady: aplikacje baz danych oparte na architekturze klient /serwer, programy Internetowe (Telnet, Gopher, przeglądarki WWW), aplikacje grup roboczych (Lotus Notes).
Model OSI/ISO jest standardem dla sieci LAN i MAN.
Podstawowe protokoły w sieci LAN są inne, jest ich mniej, bo sieć lokalna nie zajmuje się trasowaniem i sterowaniem obciążeniem, ale można je odwzorować na OSI.
Warstwy w LAN: Physical, Medium Access Control, Logical Link Control, Interworking.
W 1980 r. stowarzyszenie IEEE powołało komitet Project 802, którego celem było utworzenie standardów sieci LAN. Utworzono najpierw 6 podkomitetów, potem 11, zajmujące się poszczególnymi rodzajami sieci, np. Token Ring, Token Bus, MAN, HILI, BBTAG.
Standardy dla materiałów:
Urządzenia łączące sieci komputerowe są ważnymi elementami sieci. Są to komputery odpowiedzialne za komunikację LANu z LANem, LANu z WANem, Wanu z MANem itp. Do najważniejszych należą:
Są to droższe komputery. Różna ilość zaimplementowanych protokołów. Najbardziej zaawansowane bramowe - 7 warstw, do wszystkich zastosowań. Rutery mają tylko do 3 warstwy, mosty tylko 2 warstwy, koncentratory tylko 1 warstwę.
Mosty - dostarczają połączenia typu punkt-punkt między 2 różnymi LAN-ami. Mosty są wyposażone tylko w 2 pierwsze warstwy protokołów OSI (fizyczna i łącza danych). Most przekopiowuje pakiety. Procesury MAC dokonują retransmisji
Rutery są przeznaczone do połączeń sieci o różnych sposobach adresowania przez warstwę MAC. Pozwalają na budowę sieci rozległych, łączenie LAN z LANem, WANem. Filtrują sieć, sprawdzają, znajdują optymalną drogę. Ruter jest wyposażony w 3 warstwy. Znajduje optymalną drogę. Jest drogi - ok. 150000USD. Każda uczelnia, większa firma ma ruter. Np. w Cyfronecie jest wiodący ruter dla Krakowa.
Bramy są używane do połączenia ze sobą różnych sieci. Są bardzo inteligentne, mają 7 warstw OSI. Mogą zajmować się trasowaniem pakietów działają jako rutery, przełącznikami (switches), konwersją protokołów itp. Software inteligentny. Bramy są bardzo drogie - miliony dolarów. Komputer bramowy jest w Instytucie UW.
Koncentratory są uzywane w sieciach FDDI. Są to komputery, które posiadają dodatkowe porty. Pozwala to na przyłączenie do nich jednego lub 2 pierścieni FDDI. Są wyposażone tylko w pierwszą warstwę protokołu OSI, tzn. dokonujątylko transmisji bitów, nie sprawdzając pakietów. Brak roli filtrów.
Przełączniki (switches) są urządzeniami stosowanymi w szybkich sieciach komputerowych. Pozwalają osiągnąć skalowanie szerokości pasma transmisji. Fizycznie przełącznik jest wieloportowym mostem tworzącym oddzielne segmenty sieci. Używa się dla sieci z dużymi szybkościami
(FDDI, FastEthernet, ATM) lub dla grup roboczych, np. CAD/CAM.
Token Ring (pierścień) specyfikuje najniższe warstwy OSI, dodatkowo opisano warstwę sieciową i transportową. Obsługę wyższych poziomów zleca innym protokołom.
Ethernet definiuje sposób porozumiewania się komputerów na najniższych warstwach modelu OSI. Wyższe warstwy są obsługiwane przez protokoły takie jak: IPX, TCP/IP i NetBIOS.
W protokole Ethernet moment rozpoczęcia transmisji określa się na podstawie metody CSMA/CD - badanie czy sieć wolna. Dane przesyłane wszędzie, odbiera tylko adresat.
Protokół TCP/IP jest niskopoziomowym językiem służącym do określenia miejsca dostarczenia danych. W protokole tym każdy host i sieć mają swe unikatowe adresy - w formie 32-bitowych liczb, 4 x 8 oktetów, oddzielonych kropkami, np. 192.217.215.12 Występuje tu system nazw domen (DNS). Domeną jest grupa hostów.
Protokół IPX/SPX - firmy Novell dla serwerów NetWare. IPX jest protokołem bezpołączeniowym, weryfikacja zostawiona warstwie transportowej lub wyższym. SPX weryfikuje dostarczone dane. Towarzyszy serwerom baz danych. IPX może używać jednego z 2 pakietów: 802.3 - surowy Ethernetowy oraz 802.2 (z zabezpieczeniem)
NetBIOS - prosty protokół dla sieci lokalnych, pozwla włączyc do 255 komputerów. Założenie, że dostępna tylko jedna sieć.
Protokoły dostepu do zasobów komunikacyjnych można podzielić na 3 kategorie:
Statyczne zarządzanie alokacją zasobów w LAN-ach
polega na podziale pasma częstotliwości między użytkowników.
Metody FDMA (Frequency Division Multiple Access) i TDMA (Time
Division..).
W FDMA każdy uzytkownik ma przyznaną określoną częstotliwość
do wysyłania danych a odbioru może dokonac na wszystkich innych
częstotliwościach. Wada - każdy musi miec mozliwość czytania
na innych częstotliwościach - przestrajalne odbiorniki. TDMA -
każdy użytkownik ma przydzielony kwant czasu. Wadą są puste
szczeliny, niewykorzystanie medium gdy nie ma uzytkownika.
Metody dynamiczne - stosowane na codzień
Metody dostępu losowego należą do najpopularniejszych i stosowane są w LANach. Po raz pierwszy zostały użyte w sieci radiowej ALOHA na Hawajach w latach 70.
Czyste ALOHA - wysyłanie pakietów (informacji w ramkach) bez sprawdzenia czy nie nastąpi superpozycja - a może sie uda.
Szczelinowe ALOHA - podział czasu na szczeliny, stacje
nadawcze muszą byc zsynchronizowane. Dostęp losowy z badaniem
nośnej - technika CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Każdorazowo
przed wysłaniem danych stacja sprawdza czy środek transmisji
jest wolny. W trakcie transmisji sprawdza czy nie ma kolizji.
Koncepcja 3COM - standard wszedł do historii.
Po wykryciu kolizji są metody rozwiązań:
HYBRYDOWE METODY DOSTEPU DO ŚRODKA TRANSMISJI
Połączenie metod deterministycznych (token) z losowymi. Eliminacja ujemnych stron. Dane synchroniczne (np. video) i asynchroniczne (dane komputerowe). Specjalne karty - kosztowne.
W każdej sieci komputerowej można wyróżnić 3 podstawowe elementy:
Komputer do zainstalowania w sieci likalnej powinien mieć wolny slot do włożenia karty sieciowej (NIC - Networking Intarface Card) - gniazdo ISA, EISA lub PCI.
Urządzenia peryferyjne w sieci to: drukarki, napędy CD.-ROM, faksy itp. Bardzo często urządzenia te są podłączone do jednego komputera (serwera) w sieci i są dzielone przez wszystkich lub wielu użytkowników. Niektóre drukarki mogą być podłączane bezpośrednio do sieci, bez dodatkowego komputera. Oprogramowanie kontrolujące pracę drukarki jest zapisane w pamięci drukarki.
Karta sieciowa pozwala podłączyć komputer do kabla sieci. Karta sieciowa zbiera od komputera komendy, zamienia na sygnał elektryczny i wysyła do sieci. Przechwytuje również sygnał z sieci i zmienia na rozkazy procesora.
Okablowanie
Do transmisji danych w sieciach LAN używane są 3 rodzaje kabli: koncentryczne, skrętka i kable światłowodowe.
Kabel koncentryczny jest zakończony wtykiem BNC (Bayonet-Neill-Connection).
Kabel składa się z przewodnika wewnętrznego (miedzianego), grubej izolacji plastikowej, przewodnika zewnętzrnego i pokrywy plastikowej.
Skrętka nieekranowana (UTP - unshielded twisted-pair) jest podobna do amerykańskich kabli telefonicznych. Zawiera z reguły 8 przewodów pogrupowanych w 4 pary. Przewody każdej pary są wokół siebie skręcone. Wtyk sieciowy grubszy od telefonicznego dla kabli UTP nosi nazwę RJ45.
Skrętka ekranowana (STP - shielded twisted-pair) wyposażona jest dodatkowo w specjalny ekran, chroniący przed zakłóceniami wywołanymi interferencją elektromagnetyczną. Ekran pokrywa każdy z przewodów i z powłoki, która pokrywa wszystkie skręcone pary. W kablach STP są z reguły 2 skręcone pary, a w UTP aż 4 pary.
Kable światłowodowe
Kabel taki jest złożony z cienkiej nici ze szkła lub plastiku, przez którą przechodzi promień świetlny. Na impulsy świetlne nie wpływa interferencja elektromagnetyczna, dlatego światłowody mogą przenosić fale nośne na bardzo duże odległości. Zaletą światłowodów jest też szybkość transmisji. Wadą jest cena.
1. Sieć Ethernet
Sieć została zbudowana przez Xerox Corporation a następnie
była rozpowszechniana przez DEC, Intel i Xerox.
Oparta jest o metodę CSMA/CD. Używa się kabla koncentrycznego
o przepustowości 10 Mbit/s, max 1024 stacje, odległości między
stacjami do 2.5 km. Architektura oparta o magistralę
wielopunktową, które mogą być łączone dzięki regeneratorom
(repeaters). Długość magistrali do 500 m. Wykorzystano 2
warstwy OSI. Poziom łączy danych ograniczony do detekcji
kolizji i błędów transmisji dokonywanej przez warstwę fizyczną.
Długośc pola danych w ramce o długości 1518B wynosi max 1500B.
Każda ramka jest datagramem, który może samodzielnie wędrować
przez sieć.
Postac ramki danych:
Adres przeznaczenia | Adres źródła | Typ | Dane | CRC |
6 Bajtów | 6 B | 2 B | 46 do 1500 B | 4 B |
2. Sieć Cambridge Ring
Lokalna sieć Cambridge Ring została zbudowana w Laboratorium
Komputerowym Uniwersytetu w Cambridge.
Do budowy uzyto skręconej pary ekranowanych przewodów, tzw. skrętki
(twisted wire pairs) tworzącej zamknieta petlę przechodzącą
przez 2 rodzaje regeneratorów (repeaters). Jeden regeneruje
sygnał, drugi jest połączony ze stacją. Jedna ze stacji
monitoruje pracę i koryguje.
3. Sieć IBM Token Ring
Lokaln sieć utworzona przez IBM, działa w paśmie podstawowym, w oparciu o metodę przekazywania uprawnień. Przepustowość 4 Mbit/s, potem 16 Mbit/s. Architektura hierarchiczna. Centralny węzeł - most (bridge), regeneruje sygnały i przekazuje z jednego pierścienia do drugiego (łączenie pierścieni przez mosty). W każdym pierścieniu może być 100-200 stacji, w tym jedna monitorująca. Dane mogą być asynchroniczne (znacznik ramki TM=0) lub synchroniczne (TM=1).
Druga generacja lokalnych sieci komputerowych charakteryzuje
się dużo lepszymi własnościami - duża szybkość transmisji,
możliwość przesyłania danych komputerowych jak i wideo, audio
itp. Przy budowie sieci drugiej generacji wykorzystuje się światłowody.
Światłowody mają doskonałe parametry techniczne, pozwalają
na przesyłanie sygnałów o częstotliwości 10^14 do 10^16Hz (światło
widzialne i podczerwień). Minimalna tłumienność. W latach 70-tych
tłumienność wynosiła 20 dB/km, obecnie 0.2 dB/km.
Światłowód zbudowany z rdzenia i płaszcza.
Są 3 rodzaje światłowodów:
W oparciu o światłowody zostały zbudowane sieci komputerowe drugiej generacji, m.in. Fastnet, Expressnett, FDDI, FDDI-II.
Sieć Fastnet
Lokalna sieć komputerowa o przepustowości 200 Mbit/s. Pozwala na przesyłanie sygnałów wideo i audio. W sieci są 2 kanały: A i B do których są pzryłączone stacje. Przesyłanie danych tylko w jednym kierunku. Są 4 przyłącza do komputera.
Sieć Express-Net
Do budowy użyto pojedynczego, jednokierunkowego kanału, do którego przyłączono wszystkie stacje. W sieci możliwe są topologie: C, Z i pierścienia.
Sieć FDDI - Fiber Distributed Data Interface
Jest standardem sieci swiatłowodowej o przepustowości 100 Mbit/s. W opracowaniu brało udział ponad 100 firm. Jest siecią jednokanałową o konfiguracji pierścieniowej, z przekazywaniem uprawnień. Węzły odbierają sygnały optyczne.