Úvod do počítačových sietí

História, Internet a všeobecná štruktúra Internetu, základné informácie o počítačových sieťach.

História počítačových sietí

V roku 1957 vypustil Sovietsky zväz do vesmíru satelit Sputnik 1. Bola to prvá umelá družica Zeme, ktorá odštartovala kozmickú éru ľudstva, a zároveň aj "vesmírne preteky" medzi USA a Sovietskym zväzom.

USA vedeli, že je potrebné vytvoriť decentralizovanú komunikačnú sieť ktorá umožňuje ovládať vojenské objekty na diaľku, aj v prípade ak by bola časť siete zničená (napríklad, v prípade jadrového útoku). Jednou z najväčších výziev bolo zabezpečiť to, že správa sa vždy dostane k adresátovi čo najspoľahlivejšie – ak vypadne zo spojenia jedna podsieť, správa by sa nemala stratiť a mala by byť doručená aj napriek tomu. U.S. Air Force poverili Paula Barana, aby vypracoval štúdiu na to, ako zabezpečiť spoľahlivú kontrolu nad jadrovými zbraňami aj v prípade, ak by časť siete bola zničená^[1]. Nakoniec výskumníci dospeli k záveru, že je potrebná sieť s takzvaným "prepínaním paketov".

Prvou funkčnou sieťou ktorá používala takéto prepínanie paketov (packet-switched network) bola ARPANET – predchodca dnešného Internetu. Prvý uzol tejto siete vznikol 30. septembra 1969, postupne bol doplnení o ďalšie uzly a siete.

Internet

S príchodom telekomunikačných zariadení do stále viac a viac domácností sa postupne začali klásť nároky aj na počítačové siete. Vznikla potreba viesť informácie na dlhšie vzdialenosti, aj naprieč niekoľkými kontinentmi.

Internet je najrozsiahlejšou sieťou na svete – spája milióny menších sietí naprieč poskytovateľmi internetového pripojenia (Internet Service Provider – ISP) a umožňuje globálnu komunikáciu medzi elektronickými zariadeniami.

Tieto podsiete obsahujú ďalšie pripojené zariadenia, ktoré sa nazývajú hostitelia (hosts). Niektoré z týchto zariadení môžu poskytovať služby prostredníctvom aplikácií, ktoré sa nachádzajú "na okraji siete" (network edge) – môže sa jednať napríklad o rôzne proxy služby, ochrany proti DoS (Denial-of-Service) útokom, siete pre doručovanie obsahu (CDN – Content-Delivery Network) a podobne. Takéto služby poskytujú prevádzkovatelia internetového pripojenia, alebo veľké spoločnosti ako Amazon, Google, Cloudflare, a podobne. Ďalším príkladom aplikácií na Internete je v podstate akákoľvek internetová stránka (sledovanie videí, internetové vyhľadávače, a mnohé iné).

Hostitelia medzi sebou komunikujú prostredníctvom dátových komunikačných liniek – sú to fyzické média, po ktorých putujú dáta (môžu to byť optické, medené a koaxiálne káble, rádiové veže, satelity...).

Šírka pásma týchto médií sa v angličtine nazýva bandwidth – je to maximálna veľkosť dát, ktorú môže sieť zvládnuť preniesť v danom momente. Predstavme si napríklad, že bandwidth je ako diaľnica, po ktorej idú autá (dáta) – čím je diaľnica širšia (máme k dispozícií väčší bandwidth), tým viac áut po nej môže súčasne jazdiť. Šírka pásma sa bežne uvádza v kilobitoch, megabitoch alebo gigabitoch za sekundu.

Prenosová rýchlosť siete predstavuje to, ako rýchlo sa autá (dáta) po diaľnici (kábli) pohybujú. Táto rýchlosť je viac-menej definovaná fyzikálnymi zákonmi (to jest, prenos po optickom kábli je rýchlejší ako prenos pomocou rádiových vĺn). Vo všeobecnosti ale platí, že čím väčší máme bandwidth, tým je vyššia aj prenosová rýchlosť (pretože nám umožní v daný moment v sieti prenášať viacej dát súčasne, čo vlastne vytvára ilúziu akoby dáta putovali rýchlejšie).

V súčasnosti je k internetu pripojené prakticky skoro každé elektronické zariadenie. Samozrejmosťou sú notebooky a smartfóny, ale nesmieme zabudnúť ani na iné spotrebiče – práčky, smart-home zariadenia, elektronické kolobežky, autá, hlasový asistenti, bezpečnostné kamery...

Počítačové siete

Poďme od začiatku. Počítačová sieť je akákoľvek skupina navzájom prepojených výpočtových zariadení, ktoré medzi sebou môžu odosielať a prijímať údaje. Výpočtové zariadenia nie sú iba počítače – môžu to byť aj senzory (meteorologická stanica), tablety, smartfóny, televízie, inteligentné (automatizované) domácnosti a podobne...^[2]

Rozdelenie sietí podľa veľkosti

Siete delíme podľa ich veľkosti na:

LAN siete

Lokálnu počítačovú sieť (LAN = Local Area Network) tvoria dva alebo viac zariadení, ktoré sú navzájom prepojené, pričom tieto zariadenia sú obmedzené na menšie vzdialenosti (napríklad jedno poschodie, jedna domácnosť). Je to sieť, s ktorou sa stretávame každodenne, pretože prepája naše domáce (alebo kancelárske, školské a iné...) zariadenia ako sú napríklad počítače, notebooky, smartfóny, tlačiarne, skenery, inú kancelársku techniku, televíziu, práčky, termostaty a iné spotrebiče so sieťovým prístupom.

Zariadenia zapojené do siete sa nazývajú uzly (označujeme ich aj ako sieťové stanice). Podľa ich funkcií sa delia na^[3]:

pracovné stanice (workstation) – sú ľubovoľné uzly, ku ktorým má prístup používateľ (napríklad, prístup k počítaču máme pomocou klávesnice, ku tlačiarni pomocou tlačidiel a podobne);
obslužné stanice (server) – poskytujú zariadeniam zapojením do siete rôzne služby (napríklad, DNS server, DHCP server, a tak ďalej...). Servery sa ďalej delia na:
- súborové servery – zabezpečujú prístup k súborovému systému prostredníctvom siete a protokolu (napríklad, FTP protokol);
- databázové servery – pre úschovu komplexnejších informácií, na ktorých môžeme realizovať efektívne triedenie, vyhľadávanie a podobne (napríklad, MySQL server, PostgreSQL server...);
- webové servery – poskytujú prevažne statický obsah, ako webové stránky;
- aplikačné servery – spolupracujú s databázovými servermi, podobné ako webové servery, ale generujú odpovede v reálnom čase na základe požiadaviek používateľov a tým tvoria dynamický obsah;
- tlačové servery – poskytujú používateľom tlačové služby vo forme spoločných sieťových tlačiarní;
- terminálové servery – zabezpečujú vzdialenú komunikáciu a ovládanie iných zariadení prostredníctvom protokolov ako je napríklad Telnet (jedná sa o prvotnú verziu vzdialených pracovných plôch – remote-desktopov);
- komunikačné servery – modemové servery, prístupové servery, multi-protokolové smerovače (routery) a iné...;

Spôsoby prenosu dát

Všetky dáta zdieľané a používané výpočtovou technikou sú reprezentované binárne – pomocou logických jednotiek a núl (môžme ich chápať aj ako pravdivostné hodnoty: true alebo false). Celý Internet je na najnižšej úrovni v podstate iba morom jednotiek a núl. V sieti sa snažíme aby bol tento prenos čo najrýchlejší a najlacnejší. Máme viacero možností z ktorých si môžeme vybrať:

Krútená dvojlinka (twisted pair) vodič

Pevné linky pôvodne používali medené vodiče. Keďže pre ne už existovala architektúra, prvý Internet použil túto technológiu znovu a zostala s nami až dodnes.

Krútenú dvojlinku (anglicky "twisted pair") možno poznáme aj pod označením "Ethernet kábel". Je to väčšinou kábel, ktorý smeruje zo smerovača (routera) do počítača. Napríklad, krútená dvojlinka CAT5, ktorá sa používa v počítačových sieťach, vyzerá nejako takto:

Ak by sme kábel prerezali a pozreli sa dnu, uvideli by sme 4 páry skrútených medených drôtov (preto sa to nazýva "krútená dvojlinka"). Spolu teda obsahuje 8 medených drôtov, čo je dostatok pre prenos 1 bajtu (8 bitov).

Z hľadiska vnútornej kompozície sa tieto káble delia ešte na 2 podkategórie^[4]:

chránené (shielded) krútené dvojlinky – tienidlo poskytuje ochranu proti elektromagnetickému šumu, teplu a ostatným rušivým javom ktoré by mohli skresliť informáciu prenášanú vo vodiči. Keďže tienenie je vodivý kovový komponent, musí byť správne uzemnené. Neuzemnené tienenie môže indukovať napätie, ktoré degraduje vlastnosti kábla;
nechránené (unshielded) krútené dvojlinky – neposkytujú ochranu pred nežiadúcimi vonkajšími vplyvmi;

Do týchto kategórií patria konkrétne káble:

UTP káble

UTP káble (značené aj ako U/UTP, prvé písmeno U znamená unshielded) neobsahujú tienidlo (nie sú chránené). Sú vhodné pre väčšinu LAN inštalácií v komerčných prostrediach a dátových centrách so šírkou paśma do 10 Gb/s.

Ich spájkovanie je jednoduchšie, pretože nemusíme brať ohľad na tienidlo, ktoré sa tam nenachádza. Vo všeobecnosti sú teda aj o niečo lacnejšie.

FTP káble

FTP káble (formálne značené ako F/UTP; F = foil) sú UTP káble, ktoré sú celé chránené tenkou vrstvou ľahkého hliníkového materiálu.

So 100 % pokrytím FTP káble dobre odolávajú vysokofrekvenčnému šumu. Sú preto ideálne pre priemyselné a zdravotnícke prostredia. Často sa používajú aj v kritických a životu-ohrozujúcich situáciách, kde skreslenie signálu v dôsledku šumu nie je prípustné.

STP káble

STP káble majú (podobne ako FTP káble) tienenie, ktoré nie je hliníkové, ale je tvorené z pletenej kovovej mriežky malých medených alebo cínových prameňov (to predstavuje prvé písmeno S = screen shielding).

Takáto konštrukcia dodáva tomuto typu káblov lepšiu mechanickú výdrž, ale neposkytuje 100 % pokrytie. Káble STP dosahujú najlepšie výsledky v nízkofrekvenčných použitiach, napríklad pri rýchlostiach do 1000 Mb/s. Nejedná sa o bežne používaný typ tieneného kábla, ale ponúka ochranu pred nízkofrekvenčným šumom v prostrediach vyžadujúcich pevné a flexibilné káble (napríklad, v elektrických obvodoch, domácich spotrebičoch, elektrárňach, železničných systémoch...).

STP shielded káble

STP shielded káble, formálne označované aj ako S/FTP káble, majú pletené (screen) tienenie okolo všetkých štyroch párov, pričom každý je obklopený hliníkovým (foil) tienením. Vďaka celkovému aj individuálnemu tieneniu párov sa káble S/FTP považujú za plne tienené a poskytujú maximálnu ochranu pred nízkofrekvenčným aj vysokofrekvenčným šumom.

Konštrukcia káblov S/FTP ich robí drahšími a časovo náročnejšími na spájkovanie kvôli množstvu kovu, ktorý je potrebné odstrániť. Káble S/FTP sa používajú predovšetkým v náročnejších priemyselných prostrediach.

Optické vlákno

Tento kábel (anglicky fiber-optic cable) obsahuje optické vlákno, ktoré dokáže prenášať svetlo (namiesto elektrického prúdu). Toto vlákno je obalené vo vrstvách plastu a zapuzdrené v ochrannej tube. Optické vlákna fungujú na fyzikálnom princípe totálnej reflexie svetelného lúča. Vďaka svojej rýchlosti, schopnosti prenosu na dlhé vzdialenosti a šírke pásma (niekoľko terabitov za sekundu) sú vhodným riešením pre komunikáciu naprieč kontinentami (napríklad cez morské dno).

V súčasnosti sú lacnejšie ako v minulosti, preto sa začínajú používať vo veľkom aj pre komunikáciu naprieč mestami a v dedinách (takzvaný, moderný "optický internet"). Keďže svetlo je odolné voči elektromagnetickému šumu a rôznym iným vplyvom, prenos údajov cez optické vlákno sa považuje za bezstratový.

Topológie LAN sietí

Ak máme definované káble a spôsoby prenášania dát, môžeme konečne medzi sebou začať prepájať nejaké zariadenia. Najjednoduchšia sieť medzi sebou prepája iba dve zariadenia:

Schéma vyššie sa formálne nazýva sieťová topológia. Táto konkrétna sieť s dvomi zariadeniami medzi sebou dokáže posielať údaje aj bez adresovania (tieto zariadenia teoreticky nemusia mať pridelené identifikátory). Inými slovami: vieme, že ak idú informácie von, tak ich posielame tomu druhému. Naopak, ak dáta prijímame, tak sú to informácie od toho druhého. Neexistuje žiadny tretí hostiteľ ktorý by nám vedel niečo poslať, vieme že odosielateľom alebo príjemcom je ten druhý.

Akonáhle by sme ale do siete pridali jedno alebo viacej zariadení, museli by sme hostiteľov medzi sebou aj zoznámiť – prideliť im nejakú adresu, inak by sa nevedelo, komu je nejaká správa určená.

V zásade existuje 5 štandardných zapojení fyzických topológií:

Zbernicová topológia

Kruhová topológia

Polygonálna topológia

Hviezdicová topológia

Protokol

Aby si zariadenia navzájom rozumeli, musia mať medzi sebou dohodnuté protokoly. Protokol definuje formát a poradie správ ktoré sa odosielajú a prijímajú medzi sieťovými entitami, a akcie ktoré sa majú vykonať pri prenose a potvrdení správ^[5].

Medzi najznámejšie protokoly v sieťovej komunikácií patria napríklad: Hypertext Transfer Protocol (HTTP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), File Transfer Protocol (FTP), Transmission Control Protocol (TCP), Internet Protocol verzia 4 a 6 (IPv4, IPv6), Ethernet, Wi-Fi a mnohé iné.

Tieto protokoly sa môžu organizovať do dvoch konvenčných, referenčných modelov (vrstiev):

OSI model;
TCP/IP referenčný model;

OSI Model

Referenčný model OSI, ktorým je možné opísať balík internetových protokolov.

Open Systems Interconnection (OSI) model funkčne rozdeľuje sieťové protokoly do 7 vrstiev. Každá vrstva má vlastnosť, že používa funkcie vrstiev pod ňou (je závislá na podradených vrstvách):

Aplikačná vrstva – sieťové procesy aplikácií, každý typ aplikácie má svoj vlastný sieťový protokol ktorému rozumie (webové prehliadače používajú HTTP, manažéri súborov používajú FTP, a tak ďalej...);
Prezentačná vrstva – reprezentácia dát a kryptografia (šifrovanie);
Relačná vrstva – predstavuje komunikáciu medzi strojmi;
Transportná vrstva – spoľahlivosť siete, end-to-end spojenia (TCP, UDP, RTP...);
Sieťová vrstva – určovanie cesty paketov a logické adresovanie pomocou internetového protokolu (IP adries);
Spojová vrstva – fyzické adresovanie (napríklad: MAC adresa);
Fyzická vrstva – predstavuje fyzické médiá (káble, binárne prenosy, atď...);

OSI model vznikol ešte v skoršej fáze vývoja počítačových sietí, a popisuje takzvaný protocol stack.

TCP/IP Model

Ako sa Internet vyvíjal, dospelo sa k presnejšiemu modelu ktorý sa nazýva TCP/IP Model. Jeho analógiou je pôvodný OSI Model, avšak TCP/IP je model ktorý sa používa v praxi.

TCP/IP model obsahuje tieto vrstvy:

Aplikačná vrstva – predstavuje koncové aplikácie, ktoré využívajú transportnú vrstvu, každá aplikácia si definuje svoj vlastný protokol ktorému rozumie (napríklad: webové prehliadače používajú HTTP, pre prenos súborov sa používa FTP...);
Transportná vrstva – rieši spoľahlivosť siete – aby prišli pakety v správnom poradí (napríklad: TCP, UDP, RTP...);
Sieťová vrstva – rieši problém transportu paketov v rámci jednej siete (IPv4 a IPv6);
Linková vrstva – špecifikuje spôsob prenosu paketov (napríklad: Ethernet, Token Ring);
Fyzická vrstva – predstavuje fyzické médiá (drôty, optické káble...);

V nasledujúcich témach si popíšeme jednotlivé vrstvy OSI Modelu, od najspodnejšej vrstvy po najvrchnejšiu.

Fyzická a spojová vrstva »

Referencie

↑ P. Švec, J. Reichel, P. Kuna; Princípy počítačových sietí; (UKF, 2020)
↑ Khan Academy; Computers and the Internet; (odporúčané; khanacademy.org)
↑ UPOL; Výučbové internetové stránky zaoberajúce sa popisom počítačových sietí; (https://upol.jecool.net/sk/)
↑ Cables Plus USA; The Difference Between UTP, FTP, STP, and S/FTP Cabling; (26 júna 2023; cablesplususa.com)
↑ J. F. Kurose, K. W. Ross; Computer Networking: A Top-Down Approach (8th edition); 2020 (http://gaia.cs.umass.edu/kurose_ross/ppt.php; voľný preklad do slovenčiny)

[1] P. Švec, J. Reichel, P. Kuna; Princípy počítačových sietí; (UKF, 2020)

[2] Khan Academy; Computers and the Internet; (odporúčané; khanacademy.org)

[3] UPOL; Výučbové internetové stránky zaoberajúce sa popisom počítačových sietí; (https://upol.jecool.net/sk/)

[4] Cables Plus USA; The Difference Between UTP, FTP, STP, and S/FTP Cabling; (26 júna 2023; cablesplususa.com)

[5] J. F. Kurose, K. W. Ross; Computer Networking: A Top-Down Approach (8th edition); 2020 (http://gaia.cs.umass.edu/kurose_ross/ppt.php; voľný preklad do slovenčiny)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]