vrstvových protokolových struktur, které pomáhají řešit komplexní problém
komunikace mezi systémy v síti. Uvedli jsme i konkrétní příklady protokolů z
dnes nejrozšířenější používané architektury vůbec, tj. TCP/IP (o ní bude řeč
podrobněji v některé z následujících částí seriálu). Jestliže jsme dobře
porozuměli úkolům, které jednotlivé vrstvy řeší (včetně rozdílu mezi komunikací
se spojením a bez spojení), můžeme se nyní podívat zblízka na konkrétní
uplatnění sítí v lokálním a rozlehlém prostředí. Nejprve věnujeme pozornost
sítím lokálním, LAN, a probereme jejich typy, vlastnosti, vývoj a využití, a v
tomto dílu se podrobněji podíváme na sítě typu Ethernet.
Typy sítí
Na úvod si specifikujme ve stručnosti základní charakteristiky sítí podle
obecně uznávaného dělení, tj. sítí:
- lokálních,
- metropolitních,
- rozlehlých.
Lokální sítě (Local Area Network, LAN) jsou komunikační sítě (dříve pouze
datové, ale v současnosti již řada z nich, zejména díky rostoucí šířce pásma,
umožňuje kromě dat i přenos hlasu a obrazu) propojující koncové uzly, jako jsou
osobní počítače, pracovní stanice, servery, terminály a periferní zařízení
(např. tiskárny) a umožňující jejich vzájemnou spolupráci (sdílení síťových
zdrojů procesních i paměťových). Lokální sítě (vždy v soukromé správě) jsou
omezeny, jak název napovídá, svým rozsahem maximálně do několika kilometrů,
nejčastěji však působí v rámci jediné budovy nebo jediného patra. Lokální sítě
pracují v režimu bez spojení (tj. zdrojová stanice před vysíláním nepotřebuje
navázat přímé spojení s cílovou stanicí, ale samozřejmě ji musí správně
identifikovat cílovou adresou), efektivně využívají sdílení jednoho přenosového
prostředku (drátového nebo bezdrátového), k němuž umožňují mnohonásobný přístup
všech připojených stanic. Po sdíleném přenosovém médiu se přenášejí datové
jednotky (rámce) vysíláním signálu, který je k dispozici k "odposlechu" pro
všechny aktivní připojené stanice. Přenosové rychlosti lokálních sítí se dlouho
(po dobu své krátké existence) pohybovaly řádově kolem desítek Mb/s (výjimku
tvořila síť typu FDDI, Fiber Distributed Data Interface, s rychlostí 100 Mb/s).
V současnosti však 100 Mb/s již přestává stačit, a proto se realitou stávají
sítě s rychlostí 1 Gb/s.
Metropolitní sítě (Metropolitan Area Network, MAN) se používají k propojení
lokálních sítí v rámci městské zástavby a slouží k přenosu dat, hlasu a obrazu.
Metropolitní sítě umožňují rozšíření působnosti lokálních sítí jejich
prodloužením (do řádově desítek kilometrů mezi koncovými uzly), zvýšením
celkového počtu připojených stanic i zvýšením rychlosti (při propojení pomalých
lokálních sítí). Přestože svým účelem jsou přenosovými sítěmi o vysoké
rychlosti, svým charakterem (i způsobem normalizace) se řadí k sítím lokálním.
Na rozdíl od nich však mohou být jak soukromé (ve správě a užívání jednou
organizací), tak veřejné (provozovatel sítě nebývá současně jejím uživatelem a
pronajímá její využívání několika organizacím současně). Normalizovaná
metropolitní síť existuje jediná, založená na protokolu DQDB (Distributed Queue
Dual Bus, IEEE 802.6).
Rozlehlé sítě (Wide Area Networks, WAN) umožňují komunikaci mezi koncovými
uzly, stanicemi, lokálními nebo metropolitními sítěmi, zpravidla na velkou
vzdálenost. Rozlehlé sítě mohou být buď veřejné (jejich služby poskytuje
zákazníkům provozovatel veřejné sítě a je za její chod plně zodpovědný), nebo
soukromé (slouží výhradně majiteli podniku pro jeho účely). WAN jsou typicky
sítě poskytující přenosové kapacity prostřednictvím komunikace se spojením (tj.
vyžadují vyhrazený komunikační kanál pro celou dobu spojení, a to na základě
navázání spojení mezi zdrojem a cílem), které nepoužívají sdílený přenosový
prostředek, podporují omezeně vysílání na skupinovou adresu a nepodporují
vysílání na všeobecnou adresu. Přenosové rychlosti se velmi liší podle typu
sítě, výjimkou nejsou ani řádově stovky Mb/s (o rozlehlých sítích bude
podrobněji řeč v některém příštím dílu seriálu).
Lokální sítě dneška
Dnešní uživatelé, či správci sítí mají na výběr z mnoha typů lokálních sítí.
V prvopočátcích lokálních sítí se budovala firemní řešení propojení počítačů v
lokálním prostředí, která se postupně normalizovala. Některá z populárních
firemních řešení se normalizace nedočkala (např. ArcNet), a v současné době tak
prakticky vymizela. Normalizací lokálních sítí se zabývá zejména organizace
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a podle jejích
jednotlivých podvýborů jsou označovány normy různých typů lokálních sítí
(802.x). Normy IEEE jsou přebírány mezinárodní normalizační organizací ISO
spolupracující s IEC (ISO/IEC, International Organization for
Standardization/International Electrotechnical Commission), proto je lze také
nalézt pod označením ISO 8802-x. Dva typy lokálních sítí nespecifikoval IEEE,
ale ANSI (American National Standards Institute), jak je uvedeno dále ve výčtu
typů sítí.
Mezi normalizované lokální sítě patří:
- Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet (IEEE 802.3),
- Token Bus (IEEE 802.4),
- Token Ring (IEEE 802.5),
- IsoEthernet (IEEE 802.9),
- bezdrátová lokální síť (IEEE 802.11),
- 100VG-AnyLAN (IEEE 802.12),
- Fiber Distributed Data Interface (FDDI) (ISO/IEC 9314, ANSI X3.x),
- Fibre Channel (ANSI X3.x)
Charakteristiky lokálních sítí
Je potřeba si uvědomit, v čem tkví v zásadě odlišnosti jednotlivých možných
řešení. V zásadě se od sebe lokální sítě liší v následujících třech
charakteristikách:
- metodě přístupu pro sítě se sdíleným elektrickým nebo optickým vedením,
případně rádiovým kanálem, je třeba zajistit nerušené předávání dat mezi
jednotlivými uživateli připojenými k síti. Proto vzniklo několik možných
přístupových metod řídících přístup stanic ke sdílenému médiu (přenosovému
prostředku). V lokálních sítích se lze nejčastěji setkat buď s náhodným
přístupem na základě zjištění obsazenosti přenosového prostředku (CSMA/CD),
nebo deterministickým přístupem na základě povolení (token) a/nebo priorit;
- topologii v zásadě sběrnice, hvězda nebo kruh pro jediný segment sítě, při
propojování segmentů se pak topologie stává složitější, nejčastěji strom;
- přenosové rychlosti u jednotlivých typů sítí se velmi liší, od Mb/s až ke
Gb/s. Většina lokálních sítí pracuje v základním pásmu (baseband), tzn. že celá
šíře pásma je po dobu přidělení přístupu k médiu využívána právě jedinou
stanicí a síť tak tvoří jediný komunikační kanál. Některé z nich umožňují
variantu širokopásmové sítě (broadband), která vlastně podporuje současně více
úzkopásmových sítí prostřednictvím několika komunikačních kanálů.
Typy lokálních sítí
V obecném povědomí (a nejširším používání) jsou především dva typy
normalizovaných lokálních sítí, a to Ethernet/IEEE 802.3 a Token Ring/IEEE
802.5, přičemž v našich podmínkách (ale i celosvětově) silně převažuje
implementace Ethernetu, a v souvislosti s jeho podporou postupně řádově vyšších
rychlostí jeho obliba ještě roste (Fast Ethernet a Gigabit Ethernet sdílejí
mnoho společného s původní specifikací pro Ethernet, proto jsou všechny
označeny IEEE 802.3). V první části průhledu do světa lokálních sítí se
zaměříme právě na sítě typu Ethernet.
Trochu ve stínu za těmito dvěma typy lokálních sítí zůstává FDDI (Fiber
Distributed Data Interface), rozsahem, kapacitou a spolehlivostí plnící funkci
vysoce spolehlivé vysokorychlostní páteřní sítě, v cenové relaci odpovídající
svým schopnostem. Nicméně tím řada dnes existujících normalizovaných typů
lokálních sítí zdaleka nekončí, jak naznačuje obr. Normy lokálních sítí
(ukazuje porovnání jednotlivých normalizovaných typů z hlediska přenosových
rychlostí, použitého přenosového prostředku i metody přístupu k němu).
Mezi lokální sítě s malou odezvou patří Token Bus/IEEE 802.4, ale i
100VG-AnyLAN/IEEE 802.12. V roce 1993 se rozhodovalo v IEEE o rozvoji lokálních
sítí pro podporu vyšších rychlostí a (zcela výjimečně) přistoupilo se na
paralelní vývoj dvou naprosto odlišných specifikací: 100BASE-T (Fast Ethernet,
IEEE 802.3) a 100VG-AnyLAN, trh však dal za pravdu pokračovatelům Ethernetu na
úkor zcela nové a zajímavé metody deterministického přístupu, vyvinuté pro
100VG-AnyLAN.
Začínají se prosazovat sítě bezdrátové (IEEE 802.11 a Hiperlan specifikovaný
pod vedením ETSI, European Telecommunications Standards Institute). Bezdrátové
(rádiové) lokální sítě nemohou sice konkurovat ostatním typům kvůli podporované
přenosové rychlosti, která se u nich pohybuje pouze řádově v Mb/s, ale
představují zajímavou alternativu vyhýbající se starostem s kabeláží. V době
vzniku měly velkou šanci také sítě integrovaných služeb IsoEthernet (IEEE
802.9), určené nejen pro přenos dat, ale i hlasu a obrazu. Nicméně rychlý vývoj
jednak v oblasti rychlého Ethernetu, a jednak možnost uplatnění ATM v lokálním
prostředí potlačily nutnost zavádět zcela nový typ sítě, a tak tento pokus
vyšel naprázdno.
V současnosti se z dosud méně používaných dalších možností řešení lokálních
sítí největší pozornost upírá ke specifikaci ANSI, v originále nazývané Fibre
Channel. Ta má pozoruhodnou strukturu, vyplývající z jeho původního určení pro
velkokapacitní přenos dat mezi procesory, pamětí a periferiemi, a ze všech
existujících specifikací lokálních sítí může nabídnout nejvyšší přenosovou
rychlost. Sítě Fibre Channel se tak staly řešením pro nové podnikové potřeby z
hlediska velkoobjemového ukládání a vyhledávání dat, v tzv. "skladových
sítích" (SAN, Storage Area Network).
Rodina sítí typu Ethernet
Ethernet ve všech svých normalizovaných variantách (pod hlavičkou IEEE 802.3)
se ve světě podnikových sítí prosadil v 80 % všech instalovaných sítí.
Podívejme se, v čem tkví jeho popularita. Je to především jednoduchost
protokolu a tím i samotné instalace. U lokálních sítí Ethernet/IEEE 802.3 se
používá pro přístup ke sdílené sběrnici metoda mnohonásobného přístupu
prostřednictvím naslouchání nosné (pro zjištění obsazenosti média) a s detekcí
kolizí (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).
Jak pracuje Ethernet
Stanice, která potřebuje vysílat, sleduje, co se děje na přenosovém prostředku.
Pokud je médium v klidu, stanice začne vysílat. Pokud se několik stanic takto
připravuje na vysílání, může se stát, že dvě z nich vyšlou svá data ve stejný
okamžik. V tom případě dojde ke kolizi na médiu, neboť ani jeden signál nebude
celým médiem přenesen bezchybně. Kolize jsou vlastně způsobeny přenosovým
zpožděním, proto se obě vzdálené vysílající stanice mohou současně domnívat, že
je médium volné, zatímco se signál od druhé z nich k nim teprve blíží. Největší
zpoždění může nastat u nejvzdálenějších stanic.
Stanice vysílající svá data nadále naslouchají médiu, proto snadno detekují
kolizi. Aby se zamezilo zbytečnému prodlužování možné kolizní situace na médiu,
je třeba nejen ihned přestat s vysíláním, ale také všem stanicím sdělit, že ke
kolizi došlo. Stanice, která první kolizi detekuje, vyšle speciální krátký
signál oznamující kolizi (jam) o 32 bitech. Po přenosu tohoto signálu je médium
opět volné a stanice mohou dále vysílat. Aby však nedošlo k opakování předchozí
situace, účastníci kolize tentokrát nevysílají ihned po zjištění klidového
režimu na médiu, ale po určité náhodně dlouhé době.
Omezení Ethernetu
Právě náhodnost vysílání a nejistota jeho úspěchu činí z CSMA/CD stochastickou,
nedeterministickou metodu, která je velmi efektivní v sítích s menším zatížením
(přibližně do 30 % využití šířky pásma), ale selhává v případě vyšší zátěže,
zejména v souvislosti se zvyšováním počtu připojených stanic, kdy může dojít k
exponenciálnímu nárůstu kolizí a minimalizaci skutečného využití sítě pro
přenos uživatelských dat.
Pro rychlost 10 Mb/s se z celkového maximálního povoleného zpoždění mezi dvěma
stanicemi v hodnotě 51,2 mikrosekundy (pro minimální rámec s délkou 64 oktetů,
tj. 512 bitů) odvozuje maximální rozsah sítě Ethernet na 2 500 m, a to
samozřejmě i pro případ propojování segmentů opakovači (o opakovačích jako
prostředcích prodloužení síťového segmentu a o dalších propojovacích zařízeních
bude jedna z následujících částí seriálu), které kolizní signál reprodukují
dále (lze propojovat mezi sebou maximálně 5 segmentů pomocí 4 opakovačů tak, že
pouze 3 segmenty slouží pro připojování stanic a zbylé 2 segmenty jsou
propojovací pravidlo zkratkovitě označované jako "5-4-3"). Pro Fast Ethernet o
100 Mb/s se velikost minimálního rámce nemění, proto se řádově zmenšuje
povolená maximální délka segmentu na 205 m a snižuje se počet opakovačů na
jeden (opakovač třídy I umožňující převod signálů pro připojení různých médií k
jedné kolizní doméně, 100BASE-X a 100BASE-T4) nebo dva (opakovače třídy II
nepodporující převod signálů).
Maximální délky segmentů u Gigabit Ethernetu (tj. s šířkou pásma 1 Gb/s) a
povolený počet opakovačů v síti se neodvozují jako u předchůdců, z doby přenosu
rámce minimální délky 64 oktetů, protože tato hodnota by znamenala u gigabitové
přenosové rychlosti skutečně nepoužitelně omezenou délku segmentu. Pro
přijatelnou topologii se v tomto případě přistoupilo k "prodloužení" segmentu
tím, že u rámců kratších než 512 oktetů (o něco méně než desetkrát 64 oktetů)
musí následovat speciální signál, doplňující rámec do požadované délky (při
přenosu velmi malých rámců to sice znamená značný pokles výkonnosti sítě z
hlediska uživatelských dat, ale při průměrném provozu v síti by mělo být
využito kolem 400 Mb/s). V režimu polovičního duplexu lze využít jediný
opakovač, s omezením celkové maximální vzdálenosti mezi dvěma stanicemi na 200
m, po 100 m na každé straně opakovače. V režimu plného duplexu se používají
rozbočovače s vyrovnávacími paměťmi (buffered distributors), využívající
mechanismu řízení toku podle nové specifikace IEEE 802.3x.
Typy Ethernetu
Norma IEEE 802.3 dnes nabízí již několik možných přenosových rychlostí i
fyzických řešení přenosových médií:
10 Mb/s realizuje se v šesti možných variantách (F/T/x ve zkratce označuje
přenosový prostředek nebo maximální délku jednoho segmentu, tj.
optika/symetrický kabel/2 nebo 5 jako délka segmentu ve stovkách metrů):
- 10BASE-T nejpopulárnější typ v topologii hvězda s centrálním rozbočovačem, k
němuž se jednotlivé stanice připojují pomocí nestíněného symetrického kabelu,
UTP, Unshielded Twisted Pair,
- 10BASE-5 a 10BASE-2 sběrnice na bázi koaxiálního kabelu s maximální délkou
segmentu 500 m, resp. necelých 200 m, konkrétně 185 m,
- 1BASE-5 málo používaná varianta s přenosovou rychlostí jen 1 Mb/s,
- 10BROAD-36 širokopásmová obdoba 10BASE-5,
- 10BASE-F sběrnice s využitím optického kabelu;
100 Mb/s (IEEE 802.3u, y) realizuje se ve čtyřech možných variantách:
- 100BASE-TX nestíněný symetrický kabel UTP kategorie 5 a stíněný symetrický
kabel STP, Shielded Twisted Pair, s využitím dvou párů,
- 100BASE-T2 UTP kategorie 3, 4, 5 s využitím dvou párů,
- 100BASE-T4 UTP kategorie 3, 4, 5 s využitím čtyř párů,
- 100BASE-FX využívající dvě optická vlákna;
1 Gb/s první tři fyzická uspořádání jsou předmětem normy IEEE 802.3z, poslední
pak je předmětem normy IEEE 802.3ab (podporou rozvoje sítí typu Gigabit
Ethernet se zabývá sdružení GEA, Gigabit Ethernet Alliance):
- 1000BASE-SX na bázi optického kabelu pro horizontální kabeláž v budovách,
- 1000BASE-LX pro páteřní propojení i mezi budovami, opět na bázi optického
kabelu,
- 1000BASE-CX na bázi měděného vodiče do malé vzdálenosti podporuje propojení
skupin zařízení,
- 1000BASE-T čtyři páry nestíněného symetrického kabelu UTP kategorie 5 do
vzdálenosti maximálně 100 m.
Sdílený Ethernet, bez ohledu na základní rychlost, kterou podporuje, je svým
charakterem náchylný ke kolizím, neboť vždy probíhá "boj" o přístup ke
sdílenému přenosovému prostředku na základě použité metody přístupu CSMA/CD.
Ten může v jednom okamžiku využívat pouze jediná stanice pro vysílání. Navíc
práce v jednodušším a běžnějším režimu polovičního duplexu znamená, že stanice
pracuje buď ve vysílacím (Tx), nebo v přijímacím (Rx) režimu, neboť není možné
současně podporovat na jednom kanálu oba směry komunikace, jak je tomu v režimu
plného duplexu.
Plný duplex, kdy dvě komunikující zařízení mohou současně používat kanál pro
vysílání i příjem, znamená vyloučení přístupové metody CSMA/CD, a tím možnosti
detekce kolizí (proto jsou duplexní spoje v zásadě dvoubodové). Režim plného
duplexu se používá pouze pro komunikaci mezi přepínači (o budování komplexních
sítí prostřednictvím mostů a zejména přepínačů bude jedna z následujících částí
seriálu) nebo mezi přepínačem a serverem (plný duplex je výhodný pouze v
případě relativně symetrické komunikace). Někdy se uvádí maximální rychlost při
použití režimu plného duplexu jako dvojnásobek základní rychlosti (např. 200
Mb/s pro Fast Ethernet), a to může být poněkud zavádějící: i nadále totiž
platí, že lze vysílat data maximálně rychlostí 100 Mb/s u Fast Ethernetu
(nikoli 200 Mb/s) a přijímat data také maximálně touto rychlostí, pouze lze obě
tyto činnosti provádět současně (ale nelze si "půjčovat" nevyužitou kapacitu
např. vysílacího kanálu pro příjem), takže 200 Mb/s se uvádí jako agregovaný
výkon.
Specifikace pro Fast Ethernet umožňuje připojit k jednomu segmentu zařízení,
která podporují nejen rychlost 100 Mb/s, ale i původních 10 Mb/s a pracují v
režimu polovičního nebo plného duplexu. Pak je nezbytná automatická dohoda o
rychlosti a režimu (specifikovaná v normě), aby se mezi sebou stanice dohodly
na nejvyšší přípustné rychlosti práce, tj. zda se použije rychlost 10 Mb/s nebo
100 Mb/s. Duální adaptéry především na propojovacích síťových prvcích tak
usnadňují konfigurace a zajišťují efektivní práci sítě. Podobně jako rychlost
lze automaticky dohodnout také režim práce: buď plný nebo poloviční duplex.
Aplikace sítí typu Ethernet
Největší podíl na instalovaných sítích typu IEEE 802.3 má Ethernet o 10 Mb/s,
ale velmi rychle se prosadil i Fast Ethernet (IEEE 802.3u) díky své snadné
implementaci v sítích se stávajícím Ethernetem. Díky snadnému přechodu z
Ethernetu na gigabitový Ethernet lze předpokládat jeho využití především jako
velmi rychlé páteřní sítě v lokálním prostředí na bázi optiky, ale podpora
symetrických kabelů UTP přispívá i k rychlému prosazení v připojení serverů k
přepínači. Jako první aplikace se nabízejí modernizace spojů o 100 Mb/s mezi
přepínači nebo mezi serverem a přepínačem na propustnost 1 Gb/s. To samozřejmě
vyžaduje modernizaci samotných přepínačů o moduly podporující Gigabit Ethernet
a také serverů o nové síťové karty. Nepředpokládá se, že musí všechny sítě typu
Ethernet nutně přejít na gigabitové varianty, protože jejich využití by nebylo
optimální ani z hlediska ceny, ani dalších omezení.
Terminologie
Síťový segment je lokální síť schopná samostatné existence, tj. bez prostředků
propojování (s výjimkou rozbočovače).
Síť tvoří jeden nebo více síťových segmentů s opakovači, přepínači nebo mosty.
Pro příklad: síť či segment s protokolem IP (Internet Protocol) budou sdílet
stejnou (pod)síťovou IP adresu.
Intersíť (Internet) je taková síť, v níž jsou použity pro propojování
jednotlivých segmentů směrovače. V intersíti se bude vyskytovat více než jedna
(pod)síťová IP adresa.
V další části seriálu se podíváme na lokální sítě Token Ring a FDDI a také na
perspektivní nové typy lokálních sítí, a to bezdrátové (IEEE 802.11 a Hiperlan)
a typu Fibre Channel (používaný pro SAN, Storage Area Networks).0 0158/FEL o
Výhody rychlých sítí typu Ethernet
- velmi výkonná metoda při malém zatížení sítě
- jednoduchý protokol
- snadná modernizace z předchozích (pomalejších) verzí Ethernetu a možnost
jejich kombinace
- cenově výhodné řádové zvyšování výkonnosti sítě
- možnost segmentace sítě pomocí přepínačů
Nevýhody rychlých sítí typu Ethernet
- malá výkonnost při zvyšujícím se provozu v síti
- nezaručená délka čekání na přístup k médiu (nedeterministická metoda přístupu
ke sdílenému médiu)
- omezení rozsahu v souvislosti s vyšší rychlostí
Seznam použitých zkratek
ANSI American National Standards Institute
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
DQDB Distributed Queue Dual Bus
ETSI European Telecommunications Standards Institute
FDDI Fiber Distributed Data Interface
GEA Gigabit Ethernet Alliance
IEC International Electrotechnical Commission
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISO International Organization for Standardization
LAN Local Area Network
MAN Metropolitan Area Network
SAN Storage Area Network
STP Shielded Twisted Pair
UTP Unshielded Twisted Pair
WAN Wide Area Network
Zdroje WWW
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
http://standards.ieee.org nebo http://www.ieee.org
ANSI (American National Standards Institute) http://www.ansi.org
GEA (Gigabit Ethernet Alliance) http://www.gigabit-ethernet.org
Další Zdroj
Komunikační sítě od A do Z, Rita Pužmanová, Computer Press, ISBN 80-7226-098-7,
446 s., 1998
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU