Podstawy sieci komputerowych Materiały przygotowane na zajęcia z Sieci komputerowych. Mgr inż. Piotr Rakowski Gliwice 2002 2005 Spis treści: Podstawy sieci komputerowych 1 Spis treści: 1 Literatura: 1 Wprowadzenie 2 Cel tworzenia sieci 2 Klasyfikacja sieci 3 Role komputerów w sieci 4 Klienci 4 Serwery 4 Środowiska sieci 4 Topologie sieciowe 6 Topologia z magistralą liniową 7 Topologia gwiazdy 8 Składniki sieci 8 Medium transmisyjne 9 Okablowanie 9 Dlaczego kable są skręcone? 9 Rodzaje kabli 10 Z przeplotem i bez 10 Urządzenia sieciowe 11 Karta sieciowa 11 HUB 12 SWITCH 12 REPEATER 13 BRIDGE 14 ROUTER 14 Literatura: 1. M. Sportach, Sieci komputerowe. Księga eksperta. Helion 1999. 2. Microsoft Training and Certification. Podstawy sieci i systemu operacyjnego Windows 2000. Kurs 2243A. MSOC 2001. 3. Fragmenty rozdziałów i część ilustracji pochodzi z magazynu CHIP oraz serwisu internetowego infojama.pl 1
Wprowadzenie Pierwsza sieć komputerowa powstała w 1969 roku w USA i zbudowano ją na potrzeby wojska. Obecnie nie ma chyba sfery życia publicznego, w której nie korzystalibyśmy z przetwarzania i przesyłania danych cyfrowych. Na rynku dostępne są różnorodne technologie sieciowe, których kierunki rozwoju określone są przez międzynarodowe organizacje standaryzacyjne i grupy robocze przy współudziale największych firm dostarczających sprzęt i oprogramowanie sieciowe. Sieć komputerowa jest mechanizmem pozwalającym na komunikowanie się komputerów znajdujących się w różnych miejscach. Cel tworzenia sieci Przyczyny zakładania sieci komputerowych są następujące: współużytkowanie programów i plików; współużytkowanie innych zasobów sprzętowych: drukarek, pamięci masowych, itd. współużytkowanie baz danych; tworzenie grup roboczych; poczta elektroniczna, szybkie i łatwe komunikowanie się; oprogramowanie wspomagające pracę grup roboczych i obieg dokumentów; rozwój organizacji - sieci mogą zmieniać strukturę organizacyjną firmy i sposób jej zarządzania. 2
Klasyfikacja sieci Ze względu na obszar jaki obejmują swym zasięgiem, przeznaczenie i przepustowość sieci można podzielić na następujące klasy: lokalna sieć komputerowa (LAN - Local Area Network) - jest to sieć łącząca użytkowników na niewielkim obszarze (pomieszczenie, budynek). Sieci te charakteryzują się przede wszystkim małym kosztem dołączenia stacji, prostym oprogramowaniem komunikacyjnym i łatwością rozbudowy. Typową cechą sieci lokalnej jest korzystanie ze wspólnego medium transmisyjnego przez komunikujące się stacje; miejska sieć komputerowa (MAN - Metropolitan Area Network) - jest to sieć o zasięgu miasta. Najczęściej są to szybkie sieci wybudowane w oparciu o łącza światłowodowe. Sieci te udostępniają różne usługi, np.: połączenia między sieciami lokalnymi, możliwość bezpośredniego dołączenia stacji roboczych lub korzystanie z mocy obliczeniowej dużych komputerów pracujących w sieci; rozległa sieć komputerowa (WAN - Wide Area Network) - jest to sieć, która przekracza granice miast, państw, kontynentów. Sieć taka składa się z węzłów i łączących je łączy transmisyjnych. Dostęp do sieci rozległej uzyskuje się poprzez dołączenie systemów użytkownika do węzłów sieci. W węzłach znajdują się urządzenia umożliwiające przesyłanie danych między różnymi użytkownikami. Łączność pomiędzy węzłami realizowana jest za pomocą publicznej sieci telefonicznej, specjalnie wybudowanych łączy, kanałów satelitarnych, radiowych lub innych. 3
Role komputerów w sieci Komputery w sieci mogą pełnić funkcje klienta lub serwera. Klienci Komputery klienckie to te, które składają żądania dotyczące usług lub danych, kierowane do komputerów nazywanych serwerami. Serwery Serwery są komputerami, które dostarczają usługi lub dane do komputerów klienckich. Serwery przeprowadzają w sieci wiele różnych, złożonych zadań. Na rysunku poniżej przedstawiono różne typy serwerów występujące w sieciach komputerowych. Środowiska sieci Środowisko sieci określone jest przez sieciowy system operacyjny oraz przez protokoły, zapewniające komunikację i usługi sieciowe. Istnieją dwa podstawowe typy sieciowych systemów operacyjnych: każdy-z-każdym (peer-to-peer) typ sieci równorzędnej, umożliwia użytkownikom udostępnienie zasobów swojego komputera oraz dostęp do zasobów innych komputerów. Wszystkie systemy w sieci mają taki sam status - żaden z nich nie jest podporządkowany innemu. Wszystkie stacje uczestniczące w sesji komunikacyjnej mają podobny stopień kontroli nad sesją, dysponują własną mocą przetwarzania i mogą kontrolować swoje działania. 4
Rozwiązanie takie oferuje spore możliwości, nie jest jednak chętnie stosowane przez administratorów sieci ze względu na niewielkie możliwości zarządzania i niski poziom bezpieczeństwa. Występują tutaj problemy związane z lokalizacją danych, tworzeniem kopii zapasowych oraz z zapewnieniem odpowiedniej ochrony danych. Zalety sieci każdy-z-każdym: o nie wymagają skomplikowanych i drogich serwerów dedykowanych o łatwe w eksploatacji o wystarcz instalacja prostego systemu operacyjnego (np. Windows 98) o każdy komputer znajduje się pod opieką jego użytkownika o w wyniku braku hierarchicznej zależności wyższa odporność na błędy niż sieci oparte na serwerach awaria jednego komputera powoduje tylko jego niedostępność w sieci o funkcje administracyjne rozłożone są na wszystkich użytkowników Ograniczenia tego typu sieci: o użytkownicy muszą pamiętać wiele haseł (do każdego komputera w sieci) o brak serwera wymusza samodzielne poszukiwanie informacji o obniżone bezpieczeństwo sieci ze względu na niejednakowy stan wiedzy i umiejętności techniczne jej użytkowników. Sieci tego typu doskonale nadają się do potrzeb małych instytucji i firm dysponujących ograniczonym budżetem na cele informatyczne. Innym zastosowaniem ich jest instalacja w celu współdzielenia informacji w ramach grup roboczych będących częścią większej organizacji. klient serwer zawiera dedykowany serwer, czyli jeden lub więcej komputerów spełniających rolę serwera. Wprowadzają one hierarchię która ma zwiększyć wykorzystanie różnych funkcji sieciowych wraz z jej rozbudową. W sieciach takich zasoby gromadzone są w komputerach odrębnej warstwy, tzw. serwerach. Są to komputery wielodostępne, regulujące wielodostęp do swoich zasobów innym użytkownikom sieci. Współdzielenie zasobów niesie ze sobą zarówno korzyści jak i wady. 5
Do korzyści płynących z połączenia serwer-klient zaliczyć należy: o bezpieczeństwo zarządza się nim centralnie, nie ma tu elementu najsłabszego ogniwa łańcucha jak np. w sieci typu peer-to-peer. To implikuje kolejną korzyść: mniejsza ilość haseł do zapamiętania do minimum (najczęściej jest to jedno hasło). Tworzenie kopii zapasowych przeprowadzane może być stale i w sposób wiarygodny dzięki centralizacji zasobów. o wydajność sieci tego typu maja większą wydajność komputerów które się na nią składają. Dzieje się tak dlatego ponieważ z klienta zdjęty jest ciężar obsługi żądań innych klientów. Żądania te przejmuje serwer specjalnie skonfigurowany do tego typu zadań o administracja kontrola na taka siecią jest ułatwiona dzięki sieciowemu systemowi operacyjnemu, który zainstalowany jest na serwerze. Sieć taką łatwo można skalować czyli zmieniać jej rozmiary i to niezależnie od liczby przyłączonych do niej klientów. Pomimo wielu zalet, sieci te posiadają jedną główną wadę. Jest nim koszt. Koszt związany z eksploatacją i instalacją sieci. Wynika to z tego, że wymagany jest tu zakup dodatkowego komputera pełniącego rolę serwera oraz zainstalowanie na nim specjalistycznego oprogramowania umożliwiającego obsługę klientów. Topologie sieciowe Topologia określa kształt i konfigurację sieci. Innymi słowy, topologia sieci jest geometrycznym rozplanowaniem połączonych ze sobą komputerów. Topologie sieci LAN mogą być opisane na płaszczyźnie fizycznej lub logicznej. Projektując sieć komputerową określenie określa kształt i wyjściowym. sieci. Innymi słowy, topologia oznacza strukturę, czyli przebieg połączeń pomiędzy zasobami sieci tzn. różnymi urządzeniami sieciowymi. Topologia jest jednym z tych parametrów sieci, które decydują o jej niezawodności. Wybór odpowiedniej topologii uzależniony jest 6
od technologii która będzie wykorzystana do realizacji sieci. Każda z technologii przewiduje użycie określonych technologii. Topologia fizyczna określa geometryczną organizację sieci lokalnych oraz ustala standardy komunikacji. Jej zadaniem jest również zapewnienie bezbłędne zapewnienie transmisji danych. Topologia logiczna pokazuje wszelkie możliwe połączenia pomiędzy parami mogących się komunikować punktów końcowych sieci. Za jej pomocą opisywać można, które punkty końcowe mogą się komunikować z innymi, a także pokazać które z takich par mają wzajemne bezpośrednie połączenia. Topologia logiczna opisuje ponadto reguły komunikacji, z których powinna korzystać każda stacja robocza przy komunikowaniu się w sieci. Obie powyższe topologie są ze sobą ściśle powiązane. Topologia z magistralą liniową Jest to konfiguracja, w której do pojedynczego kabla głównego (magistrala, szyna), stanowiącego wspólne medium transmisyjne, podłączone są wszystkie węzły. Na ogół użyte łącza są jednorodnymi łączami elektrycznymi. Dopuszczalna długość kabla oraz liczba stacji są jawnie ograniczone w zależności od typu kabla. Nadawane sygnały docierają do wszystkich stacji poruszając się we wszystkich możliwych kierunkach. Czas propagacji sygnału zależy wyłącznie od długości kabla. W danej chwili tylko jeden węzeł może wysyłać dane w trybie rozgłaszania. Gdy sygnał dociera do końca kabla zostaje wygaszony przez znajdujący się tam terminator, dzięki czemu nie występują odbicia. Dane poruszają się nie przechodząc przez węzły sieci. Do zalet tego typu konfiguracji sieci należą: niewielka długość użytego kabla i prostota układu przewodów. Wyłączenie lub awaria jednej stacji nie powoduje zakłóceń w pracy sieci. Wadą topologii z magistralą jest niewielka liczba punktów koncentracji, w których można by było diagnozować sieć, lokalizować uszkodzenia oraz zarządzać siecią. Niekorzystną cechą tej topologii jest to, że sieć może przestać działać po uszkodzeniu kabla głównego w dowolnym punkcie. 7
Topologia gwiazdy Sieć zawiera centralny element (hub lub switch), do którego przyłączone są wszystkie węzły. Cały ruch w sieci odbywa się przez hub. Sygnały mogą być nadawane z huba do wszystkich stacji lub tylko do wybranych. Odległość każdej stacji od huba oraz liczba stacji do niego podłączonych są ograniczone. Czas propagacji sygnału nie zależy od liczby stacji. Nadane przez hub sygnały zanikają samoczynnie. Możliwe jest wystąpienie kolizji, która może być łatwo wykryta przez hub i zasygnalizowana wszystkim stacjom. Zaletą tej topologii jest łatwość konserwacji, wykrywania uszkodzeń, monitorowania i zarządzania siecią. Awaria jednej stacji nie wpływa na pracę reszty sieci. Układ okablowania jest łatwo modyfikowalny (łatwo dołączyć stację roboczą), ale jego koszt jest stosunkowo duży (potrzeba duże ilości kabla w celu podłączenia każdej stacji osobno). Należy również zauważyć, że hub jest centralnym elementem sieci i jego ewentualna awaria paraliżuje całą sieć. Składniki sieci Sieć komputerowa składa się zarówno ze sprzętu jak i z oprogramowania. Podstawowymi składnikami sieci są: sieciowy system operacyjny; serwery urządzenia lub oprogramowanie świadczące pewne usługi sieciowe, np.: serwer plików (udostępnianie plików, włącznie z kontrolą praw dostępu i funkcjami związanymi z bezpieczeństwem), serwer poczty elektronicznej, serwer komunikacyjny (usługi połączeń z innymi systemami lub sieciami poprzez łącza sieci rozległej), serwer bazy danych, serwer archiwizujący, itd. 8
systemy klienta węzły lub stacje robocze przyłączone do sieci przez karty sieciowe. System operacyjny klienta może zawierać oprogramowanie kierujące żądania sieciowe użytkowników lub aplikacji do serwerów; karty sieciowe adapter pozwalający na przyłączenie komputera do sieci. Stosowane są różne rodzaje kart w zależności od tego do pracy w jakiej sieci są przeznaczone; medium transmisyjne system okablowania łączący stacje robocze, serwery i urządzenia sieciowe. W przypadku sieci bezprzewodowych może to być podczerwień lub kanały radiowe; współdzielone zasoby i urządzenia peryferyjne mogą to być drukarki, napędy dysków optycznych, plotery, itd. inne urządzenia sieciowe opisane poniżej. Medium transmisyjne Okablowanie Najprostszy podział sieci LAN wynika z rodzaju medium używanego do transmisji danych. Istnieją sieci bezprzewodowymi (wykorzystujące fale radiowe) oraz sieci kablowe. Te ostatnie składają się z kolei ze sterujących ruchem urządzeń aktywnych oraz części pasywnej, stanowiącej warstwę fizyczną (kable, złącza itd.). Do przesyłania informacji używa się najczęściej przewodów UTP, STP lub FTP kategorii 5e, potocznie zwanych skrętką. Dlaczego kable są skręcone? Zwyczajowa nazwa skrętki wzięła się stąd, że składa się ona z ośmiu drutów skręconych w cztery pary. Każda para oznaczona jest innym kolorem (brązowy, niebieski, pomarańczowy i zielony), przy czym jedna żyła ma jednolitą barwę otuliny, a w drugiej ten kolor pomieszano z białym paskiem (np. brązowy i brązowo-biały). Dwa druty są tak splecione, by na odcinku 6 do 10 centymetrów długości wypadał jeden zwój (istnieją różne technologie splotu, a poszczególne skrętki mogą mieć inny skręt). Taki zabieg ma na celu zrównoważenie pól elektromagnetycznych, wytwarzanych przez każdą parę podczas przesyłania sygnału, tak by nie zakłócały się one wzajemnie. Warto zwrócić uwagę na materiał, z którego wykonane są żyły: może to być linka bądź drut. Ten ostatni jest tańszy, ale bardziej podatny na uszkodzenia mechaniczne (np. w wyniku zgięć). 9
Rodzaje kabli Do budowy sieci lokalnych używa się różnych odmian przewodów. Najczęściej są to skrętka nieekranowana UTP (Unshielded Twisted Pair) lub foliowana FTP (Foiled Twisted Pair), która jest ekranowana za pomocą folii z przewodem uziemiającym. Używa się ją głównie do budowy sieci komputerowych zlokalizowanych w pobliżu źródeł dużych zakłóceń elektromagnetycznych. Takie przewody są też stosowane w sieciach Gigabit Ethernet, wykorzystujących wszystkie cztery pary drutów (w Ethernecie i Fast Ethernecie używane są tylko dwie pary). Innym przewodem jest skrętka ekranowana STP (Shielded Twisted Pair). Różni się ona od kabla FTP tym, że ma ekran wykonany w postaci oplotu i zewnętrzną koszulkę ochronną. Z przeplotem i bez Najprostszą metodą stworzenia małego LAN-u jest połączenie kart sieciowych w obu komputerach kablem z przeplotem, zwanym często krzyżowym lub skrosowanym. Aby uzyskać przeplot, należy końcówki kabla zacisnąć na przemian: jedną zgodnie ze standardem EIA/TIA 568A, a drugą tak, jak przewiduje norma 568B. Osiągniemy dzięki temu zamianę par odpowiedzialnych za nadawanie i odbieranie danych (pary 1-3 i 2-6), a karty sieciowe będą się mogły ze sobą "dogadać". W celu połączenia komputera z przełącznikiem stosuje się tzw. kabel prosty, którego obie końcówki są zaciśnięte zgodnie z tym samym standardem 568A. 10
Zachowanie właściwej kolejności żył w złączu jest bardzo ważne. Jej zmiana może to być później przyczyną wielu problemów (np. niskiej wydajności sieci). Odstępstwo od normy EIA/TIA jest możliwe, trzeba jednak pamiętać, by żyły transmisyjne (przewody: 1 i 2 oraz 3 i 6) pochodziły z tej samej pary. Urządzenia sieciowe Karta sieciowa Umożliwiają komunikowanie się komputerów w LAN-ie. Każda karta jest przystosowana tylko do jednego typu sieci (np. Ethernet.) i posiada niepowtarzalny w skali światowej numer, który identyfikuje zawierający ją komputer. Głównym zadaniem karty sieciowej jest transmisja i rozszyfrowywanie informacji biegnących łączami komunikacyjnymi. Przesyłanie danych rozpoczyna się od uzgodnienia parametrów transmisji pomiędzy stacjami (np. prędkość, rozmiar pakietów). Następnie dane są przekształcane na sygnały elektryczne, kodowane, kompresowane i wysyłane do odbiorcy. Karta sieciowa odbior- 11
cy dokonuje ich deszyfracji i dekompresji. Zatem karta odbiera i zamienia pakiety na bajty zrozumiałe dla procesora stacji roboczej. HUB Nazywany jest również koncentratorem. Jest to urządzenie posiadające wiele portów służących do przyłączenia stacji roboczych zestawionych przede wszystkim w topologii gwiazdy. W sieci takiej nie ma bezpośrednich połączeń pomiędzy stacjami. Komputery podłączone są przy pomocy jednego kabla do centralnego huba, który po nadejściu sygnału rozprowadza go do wszystkich linii wyjściowych. SWITCH Nazywany jest również przełącznikiem lub hubem przełączającym. Stosuje się je zwykle w sieciach opartych na skrętce. Switch jest urządzeniem służącym do przyłączania stacji w topologii gwiazdy. Główną zaletą jest umiejętność rozładowania ruchu w sieci i wyeliminowania kolizji. 12
Switche umożliwiają zmniejszenie obciążenia w sieci, poprzez jej podział na mikrosegmenty i tzw. przełączanie (komutowanie). Polega to na tym, iż do jednego segmentu można przydzielić zaledwie jedną stacje roboczą, co znacznie redukuje rywalizację o dostęp do medium. Użytkownik otrzymuje wtedy całą szerokość pasma dla siebie. Każdy port switcha stanowi wejście do jednego segmentu sieci. Urządzenia te eliminują więc wąskie gardło w sieciach LAN związane z węzłami, przez które przekazywane są dane z centralnego serwera, a dalej rozprowadzane do odpowiednich stacji. Nowoczesne, inteligentne switche posiadają dwa tryby przełączania: fast forward (zwany też cut-through) i store-and-foreward. W fast forward odebrana ramka jest wysyłana natychmiast po otrzymaniu adresu docelowego. Powoduje to, iż mogą zostać wysłane ramki z błędami lub biorące udział w kolizji. W store-and-foreward ramka jest sprawdzana pod kątem sumy kontrolnej. Eliminowane są ramki błędne i biorące udział w kolizjach. Wadą tego trybu są jednak dość duże opóźnienia w transmisji. Inteligentne przełączanie polega na tym, że standardowo przełącznik pracuje w trybie fast forward, a gdy liczba błędów przekracza kilkanaście na sekundę, zaczyna automatycznie stosować metodę store-and-foreward. Gdy licz-ba błędów spada poniżej tego poziomu, przełącznik powraca do trybu fast forward. REPEATER Nazywany jest również wzmacniakiem. Informacja przesyłana kablem ulega zniekształceniom proporcjonalnie do jego długości. Jednym z urządzeń, które wzmacnia i regeneruje sygnały przesyłane kablem jest repeater. Repeater służy do fizycznego zwiększania rozmiarów sieci. Repeater powtarza (kopiuje) odbierane sygnały i wzmacnia sygnał. Polega to na zwiększeniu poziomu odbieranego przebiegu falowego bez zmiany jego częstotliwości. Jest to najprostsze urządzenie tego typu. Może łączyć tylko sieci a takiej samej architekturze, używające tych samych protokołów i technik transmisyjnych. Potrafi jednak łączyć segmenty sieci o różnych mediach transmisyjnych. 13
BRIDGE Bridge czyli mostek to urządzenie posiadające 2 lub więcej portów, służące do łączenia segmentów sieci. Na bieżąco identyfikuje swoje porty i kojarzy konkretne komputery. Pozwala na podniesienie wydajności i zwiększenie maksymalnych długości sieci. ROUTER To najbardziej zaawansowane urządzenie stosowane do łączenia segmentów sieci i zwiększania jej fizycznych rozmiarów. Router jest urządzeniem konfigurowalnym, pozwala sterować przepustowością sieci i zapewnia pełną izolację pomiędzy segmentami. Zadaniem routera jest miedzy innymi wybór najlepszej trasy do przesłania danych. Do kierowania danych routery używają tzw. tablicę routingu, zawierającą informacje o sąsiadujących routerach i sieciach lokalnych. Służy ona do wyszukania optymalnej drogi od obecnego położenia pakietu do innego miejsca sieci. Tablica routingu może być statyczna lub dynamiczna, zależy to od postawionych wymagań. Statyczna musi być aktualizowana ręcznie przez administratora sieci, dynamiczna natomiast jest aktualizowana automatycznie przez oprogramowanie sieciowe. Zaletą dynamicznej tablicy routingu jest to, że w wypadku zablokowania sieci z powodu ruchu o dużym natężeniu oprogramowanie sieciowe może zaktualizować tablicę, tak aby poprowadzić pakiety drogą omijającą zator. 14