Technologia informacyjna

Transkrypt

1 Technologia informacyjna Sieci komputerowe Dr inż. Andrzej Czerepicki Politechnika Warszawska Wydział Transportu 2017

2 Plan wykładu Pojęcie sieci komputerowej Rodzaje i topologie sieci komputerowych Urządzenia sieciowe Warstwy sieci Adres MAC Protokół TCP/IP Podstawowe usługi i protokoły sieciowe Architektura klient-serwer Wielowarstwowa architektura aplikacji sieciowej 2

3 Definicja Sieć komputerowa grupa komputerów połączonych przez kanały komunikacyjne oraz współpracujących między sobą w celu: zwiększenia wydajności przetwarzania danych zwiększenia niezawodności całego systemu zwiększenia bezpieczeństwa przechowania danych wspólnej oraz zdalnej pracy nad obiektami ułatwienia komunikacji pomiędzy użytkownikami 3

4 Rozwój sieci komputerowych 1962 koncepcja sieci rozległej 1969 ARPANET (sieć naukowa) 1978 UUCP (Unix to Unix CoPy) 1979 Usenet 1982 DNS 1983 Fidonet (FIDO), TCP/IP 1987 OSI (Open system Interconnection) 1989 koncepcja WWW, HTML, etc początek epoki sieci globalnej 4

5 Klasyfikacja sieci wg zasięgu PAN (Personal Area Network) LAN (Local Area Network) MAN (Metropolitan Area Network) WAN (Wide Area Network) VPN (Virtual Private Network) 5

6 Sieci PAN Sieć personalna tworzona przez komputer oraz urządzenia do niego podłączone (zasięg kilku metrów): Telefon komórkowy, zegarek smartwatch Słuchawki bezprzewodowe Telewizor Urządzenia typu tablet, PDA, etc. Technologie połączenia sieciowego: Bluetooth WiFi IrDA (przeszłość) Sieć lokalna, etc. 6

7 Sieci LAN Sieć o zasięgu lokalnym (pomieszczenie, budynek, kilka budynków, osiedle itp.) 7

8 Sieci WAN Wide Area Network sieć rozległa o szerokim zasięgu (budynek, miasto, kraj, kontynent) Może składać się z mniejszych segmentów LAN połączonych hierarchicznie 8

9 Sieci MAN Metropolitan Area Network sieć obejmująca swoim zasięgiem dzielnicę lub całe miasto 9

10 Sieci VPN Sieć wirtualna zbudowana z wykorzystaniem infrastruktury innych (najczęściej publicznych Internet) sieci Pozwala na zdalną pracę z zasobami lokalnymi firmy (połączenie zabezpieczone) 10

11 Sieć Intranet Intranet sieć wewnętrzna firmy, w obrębie której są koncentrowane usługi dla jej pracowników: Wewnętrzne strony WWW Wewnętrzne aplikacje Poczta elektroniczna Systemy pracy zespołowej, itp. 11

12 Sieć Internet Globalna sieć komputerowa Składa się z wielu sieci połączonych za pomocą różnorodnych kanałów transmisyjnych Jednolity protokół komunikacji międzysieciowej TCP/IP (Internet Protocol) 12

13 Topologie fizyczne sieci 13

14 Topologia fizyczna sieci Określa sposób połączenia komputerów w sieć: Magistrala Pierścień Gwiazda Siatka Hierarchia Mieszana Każdą topologię fizyczną należy analizować pod względem: Odporności na awarie łącza i / lub pojedynczego węzła Szybkości transmisji danych Kosztów instalacji 14

15 Topologia magistrali 15

16 Topologia magistrali - cechy Niski koszt instalacji - minimalna długość kabla Szybka transmisja Proste podłączenie nowego komputera Niska odporność na awarie przecięcie kabla paraliżuje całą sieć 16

17 Topologia pierścienia 17

18 Topologia pierścienia - cechy Koszt instalacji ~2x razy wyższy niż dla magistrali Wolniejsza transmisja (każdy komputer musi sprawdzić czy dane są przeznaczone dla niego) Odporność na przecięcie kabla w jednym miejscu Zależność od prawidłowego funkcjonowania każdego komputera 18

19 Topologia gwiazdy 19

20 Topologia gwiazdy - cechy Koszt instalacji najwyższy (każdy komputer potrzebuje doprowadzenia osobnego kabla) Szybka transmisja (nadawca może bezpośrednio komunikować się z odbiorcą) Wysoka odporność na awarie: uszkodzenie zarówno kabla jak i pojedynczego komputera nie wpływają na pracę pozostałych 20

21 Topologia siatki Każdy z każdym 21

22 Topologia hierarchiczna Może łączyć podsieci o różnych topologiach 22

23 Topologie logiczne sieci Topologia logiczna określa sposób wymiany informacją w sieci pomiędzy komputerami, w tym sposób adresacji poszczególnych komputerów oraz metody przekazania informacji Z przekazaniem żetonu (Token Ring, FDDI) Rozgłoszeniowa (Ethernet) Problem: pasmo jest wspólne. Jak określić kto w danym momencie może nadawać, a kto odbierać informacje? 23

24 Topologia logiczna sieci z przekazywaniem żetonu Po sieci krąży tzw. żeton (pakiet danych) Nadawać informacje może tylko posiadacz żetonu Wszyscy pozostali nasłuchują Po ukończeniu transmisji nadawca może przekazać żeton dalej Zalety: brak konfliktów Wady: złożona realizacja, wolne działanie 24

25 Topologia logiczna sieci rozgłoszeniowej (Ethernet) Każde urządzenie sieciowe może nadawać informacje w dowolnym momencie Jeśli dwa lub więcej urządzeń zaczną nadawać razem, zostanie wykryty konflikt: Transmisja zostaje przerwana Każde z urządzeń może przystąpić do ponownego nadawania po upływie losowo określonego czasu Każda kolejna przerwa w transmisji jest coraz dłuższa (!) 25

26 Cechy topologii Ethernet Zalety: Szybkość działania sieci jest większa (brak nakładów na obsługę żetonu) Odporność na błędy: awaria jednego komputera nie blokuje całej sieci Wady: Bardziej złożone algorytmy obsługi, częste kolizje 26

27 Elementy sieci komputerowej Media komunikacyjne (łącza) Urządzenia Protokoły Oprogramowanie 27

28 Media transmisyjne i ich charakterystyki 28

29 Media transmisyjne Rolę kanałów informacyjnych mogą pełnić następujące media: kabel elektryczny kabel optyczny (światłowód) fale elektromagnetyczne 29

30 Szerokość pasma sieci Szerokość pasma maksymalna ilość informacji, którą można przesłać przez sieć z wykorzystaniem danego medium Jednostka informacji bit Jednostka czasu sekunda Szerokość pasma jest mierzona w bps (bitsper-second) P = N bit T sek 30

31 Przepustowość łącza sieciowego Faktyczna szerokość pasma w określonych warunkach sieć, odległość, pora dnia itp. zawsze jest niższa od teoretycznej Zależy od: Topologii sieci Liczby komputerów Urządzeń pomocniczych i pośrednich Typu przesyłanych danych itp. 31

32 Media transmisyjne przewodowe Kabel koncentryczny Para skręcana ( skrętka ) Odległość do 200 m Wysoka cena Łatwo się łamie Gruby Pasmo 10 Mbps 1 Gbps Odległość do 100 m Niska cena Elastyczny Cienki Pasmo do 100 Gbps (zależy od tzw. kategorii przewodu oraz długości kabla) 32

33 Światłowód składa się z cienkich giętkich włókien szklanych zamykanych w obudowę odporną na złamanie z jednej strony włókna jest dioda świecąca, po drugiej odbiornik światła (np. światłoczuły tranzystor). Zalety: duża szybkość przesyłania informacji (Gbps) duże odległości (tysiące km) brak zakłóceń EM Wady: problemy ze znalezieniem uszkodzeń problemy ze spawaniem uszkodzonych kabli 33

34 Fale elektromagnetyczne Fale radiowe Jako medium służy powietrze Nadawane są we wszystkie strony na różna odległość (od kilku metrów do kilkuset km zależy od częstotliwości) Mikrofale W odróżnieniu od fali radiowych mogą być ukierunkowane Nie przenikają przez przeszkody metalowe mała odległość (bezpośrednia widoczność nadajnika a odbiornika) Podczerwień Bezpośrednia widoczność urządzeń Mała odległość (kilka metrów) Zastosowanie w PAN 34

35 Przykładowe szerokości pasma Sieci LAN (przewód) 10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps 10 Gbps Sieci WiFi 54 Mbps (stand. G) 150 Mbps 300 Mbps (stand. N) 600 Mbps Światłowód > 100 Gbps (do 10 Tbps) 35

36 Elementy sieci komputerowej 36

37 Elementy sieci komputerowej Stacja robocza komputer użytkownika Serwer specjalizowany komputer świadczący określoną usługę Medium transmisyjne łącza sieciowe Hub (koncentrator) - rozgałęźnik Switch (przełącznik) inteligentny rozgałęźnik (rozwiązanie konfliktów, przekierowanie pakietów informacji do właściwego odbiorcy) Router kieruje ruchem pakietów informacji pomiędzy sieciami Modem zamienia sygnał cyfrowy sieci na analogowy sygnał łącza (i odwrotnie) Access Point - punkt dostępowy sieci bezprzewodowej WiFi Drukarka sieciowa ma własną kartę sieciową Oprogramowanie 37

38 Warstwy komunikacji sieciowej 38

39 Warstwy komunikacji sieciowej (na przykładzie protokołu TCP/IP) Warstwa sieci Protokoły Aplikacji Transportowa HTTP, FTP, DNS,... TCP UDP Internetu Łącza danych IP ICMP Ethernet WiFi ARP RARP Token Ring 39

40 Karta sieciowa NIC Network Interface Card Urządzenie pracujące w warstwie łącza danych Zamiana sygnałów logicznych z komputera na sygnały elektryczne i odwrotnie 40

41 Adres MAC karty sieciowej Adres fizyczny karty sieciowej służy do jednoznacznej identyfikacji nadawcy/odbiorcy na poziomie łącza sieciowego Każda karta sieciowa na świecie powinna posiadać swój własny niepowtarzalny adres W praktyce adres często można zmienić więc nie można wykluczyć duplikatów Struktura adresu MAC: [producent] [rodzaj i numer karty sieciowej] Przykład: E8-2A-EA-04-2F-AF producent numer seryjny 41

42 Jak sprawdzić adres MAC W systemie Windows: Uruchomić interpretator poleceń CMD Wpisać polecenie IPCONFIG /ALL [Enter] Znaleźć spośród kart sieciowych tą której adres MAC nas interesuje 42

43 Protokół TCP/IP ang. Transmission Control Protocol / Internet Protocol TCP (warstwa transportowa) odpowiada za dialog pomiędzy nadawcą a odbiorcą w trakcie wymiany informacją (połączenie nawiązane może być w każdej chwili przerwane, zadaniem TCP jest ciągłe odpytywanie obu stron w celu zapewnienia dostarczenia danych) IP (warstwa Internetu) organizuje wymianę danych poprzez sieć Internet 43

44 Problem adresacji komputera w sieciach Aby jednoznacznie określić komputer, należy znać: Adres komputera w sieci Adres samej sieci Komputer X Sieć B Adres sieci B Sieć A Adres sieci A Komputer Y Sieć C Adres sieci C 44

45 Adres IP Adres IP = Adres sieci + Adres urządzenia Protokół IPv4 (klasyczna wersja) wykorzystuje 4 bajty w celu przechowania adresu IP Protokół IPv6 (rozszerzona wersja) wykorzystuje 6 bajtów

46 Adres sieci IP Pierwsze 1, 2 lub 3 bajty w adresie IP przechowują adres sieci (network) Liczba bajtów przeznaczonych na adres sieci, określa tzw. klasę sieci: A, B lub C 46

47 Maska sieci IP Jak określić podział adresu IP na adres sieci a adres urządzenia? Maska sieci = liczba wskazująca ile bajtów w adresie IP zajmuje adres sieci Adres sieci (3 bajty) Adres urządzenia w sieci (1 bajt)

48 Maska sieci (c.d.) Klasa sieci Maska sieci Adres sieci Zakres adresów Liczba bitów w adresie sieci Liczba sieci Liczba bitów w adresie hosta Liczba hostów w sieci A B C X ^ X.X ^ 16 2 X.X.X ^ 8 2 =

49 Adres IP przykład prostej sieci Maska sieci: Adres routera: Adres komputera stacjonarnego: Adres laptopa: Adres drukarki sieciowej: Router Komp. stac Laptop Sieći Adres sieci: Drukarka

50 Przydzielanie adresów IP Adresy IP w ramach jednej sieci nie mogą się powtarzać każde urządzenie powinno mieć własny adres Metody nadawania adresów IP: Statyczna do każdego hosta jest przydzielany stały adres IP (np. przez administratora sieci) Prosta metoda dla małych sieci Szybkość działania Dynamiczna adres jest nadawany automatycznie przy podłączeniu się hosta do sieci Wymaga dodatkowego urządzenia w sieci: serwera adresów Host otrzymuje za każdym razem adres IP z puli wolnych adresów Protokół DHCP 50

51 Protokół DHCP ang. Dynamic Host Configuration Protokol protokół sieciowy do konfiguracji adresów hostów w sieci Host element sieci posiadający adres IP DHCP Server komputer na którym zainstalowano oprogramowanie świadczące usługi DHCP DHCP Client komputer lub inne urządzenie sieciowe korzystające z usług serwera DHCP Protokół nie zależy od platformy (!) 51

52 Translacja adresów IP Adresacja komputerów poprzez liczby (adresy IP) jest zorientowana na komputer Człowiek posługuje się mnemonicznymi nazwami komputerów (łatwiejsza do zapamiętania postać tekstowa) DNS (ang. Domain Name System) protokół translacji nazw hostów w sieci na adresy IP (i odwrotnie) 52

53 Adres a nazwa komputera w sieci 53

54 Statyczna translacja adresów Każde urządzenie w sieci ma stały adres IP Na każdym komputerze jest przechowywany plik z adresami oraz nazwami pozostałych hostów Przy każdej zmianie konfiguracji sieci należy zmienić wszystkie pliki Własna nazwa komputera: localhost = Adres IP Hostname NetGear MojKomputer SCX4300printer 54

55 Protokół DNS dynamiczna translacja adresów Serwer DNS: dodatkowe urządzenie którego celem jest: Zbieranie danych o adresach oraz IP hostów w sieci Przechowywanie tych danych Wyszukiwanie IP po nazwie hosta Wyszukiwanie nazwy hosta po adresie IP (rzadziej) Rejestracja komputera na serwerze DNS 55

56 Zasoby sieciowe Urządzenia sieciowe Komputery, drukarki, streamery, plotery, skanery, kamery, itp. Foldery plików udostępnione w sieci Usługi świadczone przez serwery HTTP, FTP, DNS, DHCP, SMTP, itp. Usługi katalogowe Konta logowania użytkowników, dane użytkowników, wyszukiwarki zasobów, itp. 56

57 Uprawnienia do zasobów sieciowych Uprawnienia pozwalają użytkownikom na korzystanie z określonych zasobów sieciowych Uprawnienia są przypisywane do obiektu posiadacza uprawnień (użytkownik, grupa, komputer) Uprawnienia dotyczą konkretnego zasobu podmiotu uprawnień Uprawnienia mogą obowiązywać lokalnie lub w całej sieci (domenie) 57

58 Drukarki sieciowe Drukarka sieciowa = drukarka widoczna w sieci (niezależnie od sposobu podłączenia!) Router PrintServer 58

59 Architektura klient-serwer Architektura sieciowa polegająca na podziale zadań przetwarzania informacji pomiędzy dostawcami usług (serwery) oraz konsumentami usług (klienci) Klienci oraz serwery mogą być zarówno urządzeniami fizycznymi tak i oprogramowaniem Sposób komunikowania się pomiędzy serwerem a klientem określa protokół 59

60 Architektura klient-serwer: zalety Scentralizowane zarządzanie usługami w sieci Zmiany konfiguracji serwera nie wymagają wprowadzania zmian na stacjach roboczych Scentralizowane udostępnianie i obróbka danych Wspólny dostęp wielu użytkowników do zasobów sieciowych Zarządzanie konfiguracją sieci z poziomu serwera Bezpieczeństwo Dane na serwerze są lepiej zabezpieczone niż na stacjach roboczych Możliwość przechowania danych użytkowników na serwerze wraz z regularnym wykonaniem kopii zapasowych Możliwość centralnej autentykacji użytkowników sieci Łączy wiele platform i systemów operacyjnych 60

61 Architektura klient-serwer: wady Awaria serwera może unieruchomić cała sieć Zarządzanie serwerem wymaga wysokich kwalifikacji Wysoka wydajność serwera skutkuje wysokimi kosztami jego zakupu oraz utrzymania 61