Počítačová síť je souhrnné označení pro technické prostředky, které realizují spojení a výměnu informací mezi počítači. Umožňují tedy uživatelům komunikaci podle určitých pravidel, za účelem sdílení využívání společných zdrojů nebo výměny zpráv.
Historie sítí sahá až do 60. let 20. století, kdy začaly první pokusy s komunikací počítačů. V průběhu vývoje byla vyvinuta celá řada síťových technologií. V poslední době jsou všechny sítě postupně spojovány do globální celosvětové sítě Internet, která používá sadu protokolů TCP/IP.
Síťová architektura
Síťová architektura představuje strukturu řízení komunikace v systémech, tj. souhrn řídících činností umožňujících výměnu dat mezi komunikujícími systémy. Komunikace a její řízení je složitý problém, proto se používá rozdělení tohoto problému do několika skupin, tzv. vrstev. Členění do vrstev odpovídá hierarchii činností, které se při řízení komunikace vykonávají.
Každá vrstva sítě je definována službou, která je poskytována sousední vrstvě vyšší; a funkcemi, které vykonává v rámci protokolu. Řízení komunikace slouží ke spolupráci komunikujících prvků, tato spolupráce musí být koordinována pomocí řídících údajů. Koordinaci zajišťují protokoly, které definují formální stránku komunikace. Protokoly jsou tedy tvořeny souhrnem pravidel, formátů a procedur, které určují výměnu údajů mezi dvěma či více komunikujícími prvky.
Architektura otevřených systémů (Open Systems Architecture, OSA) byla normalizována organizací ISO, která vytvořila referenční model OSI. Praktickou realizací vrstvové síťové architektury je sada protokolů TCP/IP, i když neodpovídá přesně referenčnímu modelu ISO.
Typy sítí
Sítě můžeme klasifikovat podle různých hledisek. Např. podle přepojování dělíme sítě na komutační sítě, tj. s přepojováním okruhů (např. telefonní síť, ISDN) a paketové sítě s přepojováním paketů (např. ATM).
Podle druhu přenášených signálů můžeme sítě rozdělit na analogové a digitální. Nejzajímavější jsou ale typy sítí z hlediska rozlehlosti a účelu.
Z hlediska rozsahu můžeme sítě rozdělit na čtyři základní skupiny:
- LAN - Local Area Network, lokální sítě. Spojují uzly v rámci jedné budovy nebo několika blízkých budov, vzdálenosti stovky metrů až km (při použití optiky). Nejčastěji je dnes používána technologie Ethernet.
- MAN - Metropolitan Area Network, Metropolitní sítě. Propojují lokální sítě v městské zástavbě, slouží pro přenos dat, hlasu a obrazu. Spojuje vzdálenosti řádově jednotek až desítek km.
- WAN - Wide Area Network - rozsáhlé sítě. Spojují LAN a MAN sítě s působností po celé zemi nebo kontinentu, na libovolné vzdálenosti.
- PAN (Personal Area Network, osobní síť), který popisuje velice malou počítačovou síť (například Bluetooth, IrDA nebo ZigBee), kterou člověk používá pro propojení jeho osobních elektronických zařízení, jakými jsou např. mobilní telefon, PDA, notebook apod.
LAN
Lokální sítě propojují koncové uzly typu počítač, tiskárna, server. LAN jsou vždy v soukromé správě a působí na malém území. Připojená zařízení pracují v režimu bez navazování spojení, sdílí jeden přenosový prostředek (drát, radiové vlny), ke kterému je umožněn mnohonásobný přístup.
Přenosové rychlosti LAN začínají na desítkách Mbit/s, nejnovější technologie (r. 2004) umožňují přenos s rychlostí až jednotky Gbit/s.
Mezi lokální sítě patří:
- Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet (IEEE 802.3)
- Arcnet (už mrtvá technologie)
- Token Bus (IEEE 802.4)
- Token Ring (IEEE 802.5)
- IsoEthernet (IEEE 802.9)
- Bezdrátové sítě (Wi-Fi, IEEE 802.11)
- 100VG-AnyLAN (IEEE 802.12)
- Fiber Distributed Data Interface (FDDI) (ISO/IEC 9314, ANSI X3.x)
- Fibre Channel (ANSI X3.x)
MAN
Metropolitní sítě umožňují rozšíření působnosti lokálních sítí jejich prodloužením, zvýšením počtu připojených stanic a zvýšením rychlosti. Rychlost MAN sítí bývá vysoká a svým charakterem se řadí k sítím LAN. Sítě mohou být jak soukromé, tak veřejné, které provozovatel pronajímá různým uživatelům.
Normalizovaná metropolitní síť existuje jedna:
- protokol Distributed Queue Dual Bus (DQDB) (IEEE 802.6)
DQDB je založen na koncepci ATM - používá 53 oktetové buňky mezi komunikujícími stranami musí být vytvořeno virtuální spojení. DQDB používá sběrnicovou topologii: dvě protisměrné nezávisle pracující sběrnice, každá podporuje přenos v jednom směru. Přerušení média může být izolováno bez přerušení sítě.
WAN
Rozlehlé sítě umožňují komunikaci na velké vzdálenosti. Bývají obvykle veřejné, ale existují i soukromé WAN sítě. Typicky pracují prostřednictvím komunikace se spojením, které nepoužívají sdílený přenosový prostředek.
Přenosové rychlosti se velmi liší podle typu sítě. Začínají na desítkách kbit/s, ale dosahují i rychlostí řádu Gbit/s. Příkladem takové sítě může být Internet.
Mezi rozlehlé sítě patří:
- Integrated Services Digital Network (ISDN)
- X25
- Frame Relay
- Switched Multimegabit Data Service (SMDS)
- Asynchronous Transfer Mode (ATM)
- WiMax (IEEE 802.16d)
PAN
Osobní počítačové sítě si nekladou za cíl co nejvyšší přenosovou rychlost (ta u PAN typicky nepřekračuje jednotky Mbit/s), jako spíše odolnost proti rušení, nízkou spotřebu energie nebo snadnou konfigurovatelnost. Jejich dosah je typicky pouze několik metrů.
Nejznámějším zástupcem osobní sítě jsou
- Bluetooth
- ZigBee
- IrDA
Sítě z hlediska vzájemného vztahu stanic (je zajišťováno softwarem sítě)
Client – server
Server poskytuje služby „běžným“ stanicím – klientům (workstation, pracovní stanice). Serverů může být více typů podle poskytovaných služeb (souborový server, tiskový server, poštovní server, www server, ftp server atd.). Nemusí platit vztah server = počítač, u malých sítí plní úlohu několika typů serverů jeden „fyzický“ počítač, u velkých sítí může např. jeden „fyzický“ počítač plnit pouze úlohu tiskového serveru. Server může dokonce sloužit i jako běžná pracovní stanice sítě (ojediněle, snižuje se výkonnost a bezpečnost sítě).
Peer to peer
Termín pochází z angličtiny a znamená „rovný k rovnému“, označuje se také zkratkou P2P. Každá stanice v síti může vyčlenit některý svůj prostředek (tiskárnu, úložné médium, adresář) ke sdílení (s heslem nebo bez). Jiná stanice může tyto prostředky používat, pokud si sdílený prostředek připojí a její uživatel zná případné heslo. Sdílení a hesla mohou být kdykoliv změněna nebo zrušena uživatelem, který u stanice pracuje. Tento typ sítě v podstatě nelze centrálně spravovat. Příklady: Sdílení souborů a systémových prostředků v různých operačních systémech a souborů v internetových sítích.
Síťová zařízení
Každá počítačová síť se vyznačuje svojí topologií. Skládá se ze vzájemně komunikujících uzlů, propojených komunikačními kanály.
Technické prostředky pro počítačové sítě
Uzly jsou např.
- počítače a servery,
- tiskárny,
- datová úložiště,
- měřicí a zabezpečovací zařízení atd.
Přenosová média:
Metalické kabely
- kroucená dvojlinka např. telefonní anebo UTP
- koaxiální kabely
Optické kabely
o jednovidové
o mnohovidové
o gradienní
Rádiové bezdrátové spoje
o Bod-Mnoho bodů např. - bezdrátové sítě Wi-Fi, Motorola Canopy, Wi-Max
o Bod-Bod - mikrovlnná pojítka (Wi-Fi, Motorola Canopy)
Vzdušné optické spoje (laser, infračervené spoje v otevřeném prostoru)
Ultrazvukové spoje
Topologie počítačových sítí
Klíčovou úlohu v počítačových a informačních sítích mají takzvané aktivní síťové prvky. Jejich úkolem je sdružovat či rozbočovat komunikační kanály, provádět přeměnu druhu rozhraní a zajišťovat různé řídicí a bezpečnostní funkce v síti.
- Sběrnicová topologie (bus) – kabel prochází okolo všech počítačů, nerozvětvuje se (Ethernet s koaxiálním kabelem)
- Hvězdicová topologie (star) – všechny počítače připojeny k aktivnímu prvku (Ethernet s kroucenou dvojlinkou)
- Kruhová topologie (ring) – spojení je uzavřeno, vznikne propojením obou konců sběrnice (FDDI)
- Stromová topologie (tree) – propojení více hvězdicových sítí (typicky v LAN)
- Obecný graf – obsahuje redundantní spoje (WAN sítě, Internet, …)
- Samostatný počítač (virtuální síť)
Sběrnicová topologie
Je způsob zapojení počítačů do počítačové sítě. Spojení zprostředkovává jediné přenosové médium (sběrnice), ke kterému jsou připojeny všechny uzly sítě (koncové počítače).
Výhody
- Snadná realizace a snadné rozšíření jíž stávající sítě.
- Nevyžaduje tolik kabeláže jako např. hvězdicová topologie.
- Vhodná pro malé nebo dočasné sítě, které nevyžadují velké rychlosti přenosu.
Nevýhody
- Nesnadné odstraňování závad.
- Omezená délka kabelu a také počtu stanic.
- Pokud nastane nějaký problém s kabelem, celá síť přestane fungovat.
- Výkon celé sítě rapidně klesá při větších počtech stanic nebo při velkém provozu.
Hvězdicová topologie
V počítačových sítích pojem hvězdicová topologie označuje propojení počítačů do útvaru tvarem připomínající hvezdici. Jedná se o nejpoužívanější způsob propojování počítačů do počítačové sítě. Každý počítač je připojený pomocí kabelu (UTP, STP) k centrálnímu prvku hubu nebo switchi. Mezi každými dvěma stanicemi existuje vždy jen jedna cesta. Toto zapojení pochází z počátků používání výpočetní techniky, kdy byly počítače připojeny k centrálnímu počítači (mainframe).
Při zkolabování hubu zkolabuje celá síť. Proto je dobré chránit ho před výpadkem el. proudu záložním zdrojem energie (UPS).
Výhody
- Pokud selže jeden počítač nebo kabel nebude fungovat spojení pouze pro jednu stanici a ostatní stanice mohou vysílat i přijímat nadále
- Dobrá výkonnost v porovnání se sběrnicovou topologií. To souvisí s tím, že na jednom kabelu je připojen pouze jeden počítač a tudíž jednak nedochází ke kolizím mezi pakety a také může současně přenášet data více počítačů.
- Snadno se nastavuje a rozšiřuje
- Závady se dají snadno nalézt
Nevýhody
- U větších sítí vyžadováno velké množství kabelů - ke každému počítači jeden.
- Potřeba extra hardware v porovnání se sběrnicovou topologií. Toto dnes ale není vzhledem k pořizovacím cenám příliš důležité (výjimkou je gigabitethernet, ale to se do budoucna jistě změní).
- V případě selhání centrálního síťového prvku přestane fungovat celá síť.
Kruhová (prstencová) topologie
V počítačových sítích pojem kruhová topologie označuje zapojení kde je jeden uzel připojen k další dvěma uzlům tak, že vytvoří kruh. Kruhová topologie je méně efektivní než hvězdicová topologie, protože v ní musí data projít přes mnoho uzlů než se dostanou ke svému cíli. Například pokud má daná kruhová síť osm počítačů, musí data z prvního počítače projít na čtvrtý počítač přes počítače dva a tři PC 1 -> PC 2 -> PC 3 -> PC 4). Mohou také jít opačným směrem, tedy z prvního počítače přes osmý, sedmý, šestý, pátý na čtvrtý (PC 1 -> PC 8 -> PC 7 -> PC 6 -> PC 5 -> PC 4). Tato metoda je pomalejší, protože data musí projít přes více počítačů. Kruhová topologie má také nevýhodu v tom, že pokud zkolabuje jeden uzel, zkolabuje celá síť, protože k funkčnosti potřebuje, aby byl celý okruh v pořádku.
Výhody
- Přenos dat je relativně jednoduchý, protože packety se posílají jedním směrem.
- Přidání dalšího uzlu má jen malý dopad na šířku pásma.
- Nevznikají kolize
- Náklady jsou menší než u hvězdicové topologie
Nevýhody
- Data musí projít přes každý počítač mezi odesilatelem a příjemcem, což zvyšuje dobu trvání přenosu
- Pokud se zhroutí jeden uzel, zhroutí se s ním celá síť a data nemohou být správně přenášena
- Je těžké najít a odstranit závadu
- Protože jsou všechny stanice navzájem propojené, musí se kvůli přidání nového uzlu dočasně vypnout celá síť
Stromová topologie
V počítačových sítích pojem stromová topologie označuje propojení počítačů do útvaru tvarem připomínající strom. Vycházejí z hvězdicové topologie spojením aktivních síťových prvků, které jsou v centrech jednotlivých hvězd. Takovéto propojení se používá především v rozsáhlých počítačových sítích ve velkých firmách. Jednotlivé hvězdice často představují jednotlivá oddělení firmy, patra budovy nebo celé budovy. Tyto hvězdice jsou pak znovu spojeny hvězdicovitým způsobem.
Výhody
- Pokud selže jeden aktivní síťový prvek, ostatní části sítě mohou dále pokračovat.
- Snižuje se potřebné množství kabelů.
- Zvýšení bezpečnosti - zvyšuje se obtížnost odposlouchávání síťové komunikace.
Síťové prvky
- Směrovače (router)
- Přepínače (switch)
- Koncentrátory a rozbočovače (hub)
- Síťové mosty (bridge)
- Měniče rozhraní (mediakonvertory)
- Bezpečnostní zábrany (firewall)
- Opakovače (repeater)
- Modulátory/demodulátory (modem)
- Vysílače/přijímače (transceiver)
Softwarové prostředky
- Síťový operační systém (Linux, *BSD, Novell Netware,…)
- Aplikace schopné využívat prostředky systému, určené k síťové komunikaci
