Počítačové sítě – Ucelené zápisky

Komplexní přehled základů a fyzické vrstvy počítačových sítí

Klíčové závěry

Architektura a topologie sítě: Základní stavební kameny, které určují strukturu a způsob komunikace v síti.
Modely TCP/IP a RM-OSI: Dva klíčové modely protokolových rodin s odlišnou strukturou a aplikací.
Funkce fyzické vrstvy: Zajišťuje fyzický přenos dat, včetně řešení problémů jako útlum, přeslechy a chybovost.

Přehledové základy počítačových sítí

Architektura a topologie komunikační sítě

Architektura sítě představuje celkový návrh a organizaci sítě, zahrnující hardwarové a softwarové komponenty, protokoly a pravidla komunikace. Topologie sítě se zaměřuje na fyzické nebo logické uspořádání jednotlivých prvků sítě, jako jsou uzly a spoje. Hlavním rozdílem je, že architektura definuje strukturu a fungování sítě, zatímco topologie popisuje, jak jsou tyto prvky propojeny.

Modely protokolové rodiny TCP/IP a RM-OSI

Struktura vrstev

TCP/IP model je prakticky orientovaný model s 4 vrstvami:

Aplikační vrstva
Transportní vrstva
Internetová vrstva
Vrstva síťového přístupu

RM-OSI model je teoretický model s 7 vrstvami:

Aplikační vrstva
Prezentační vrstva
Relační vrstva
Transportní vrstva
Síťová vrstva
Linková vrstva
Fyzická vrstva

Rozdíly mezi TCP/IP a RM-OSI

Hlavní rozdíly mezi těmito modely jsou v počtu vrstev a jejich funkcích. TCP/IP kombinuje některé vrstvy RM-OSI, což zjednodušuje model a zvyšuje jeho praktičnost pro internetovou komunikaci. Naproti tomu RM-OSI nabízí detailnější a formální rozdělení funkcí, což je užitečné pro teoretické studium a standardizaci síťových služeb.

Princip zapouzdření ve vrstvené komunikaci

Zapouzdření je proces, při kterém každá vrstva modelu přidává k datům vlastní hlavičku (a případně patičku), čímž vzniká nová datová jednotka. Tento proces se provádí při přenosu dat směrem dolů vrstvami na odesílající straně a směrem nahoru při příjmu.

Na jednotlivých vrstvách RM-OSI se data označují následovně:

Aplikační vrstva: Data
Transportní vrstva: Segmenty
Síťová vrstva: Pakety
Linková vrstva: Rámce
Fyzická vrstva: Bity

Funkce vrstev RM-OSI modelu

Přehled funkcí jednotlivých vrstev

Fyzická vrstva: Přenos surových datových bitů přes fyzické médium.
Linková vrstva: Organizace dat do rámců, kontrola chyb a řízení přístupu k médiu.
Síťová vrstva: Směrování a doručování paketů mezi sítěmi pomocí IP adres.
Transportní vrstva: Zajištění spolehlivého transportu dat, segmentace a reassemblace.
Relační vrstva: Správa relací a dialogů mezi aplikacemi.
Prezentační vrstva: Transformace dat do vhodných formátů a jejich kódování.
Aplikační vrstva: Poskytování síťových služeb přímo aplikacím (např. HTTP, FTP).

Protokoly v síti

Protokol je soubor pravidel a konvencí, které definují formát, časování, sekvencování a kontrolu chyb při komunikaci mezi síťovými zařízeními. Zajišťuje standardizaci a kompatibilitu mezi různými zařízeními a aplikacemi v síti.

Fyzická vrstva počítačových sítí

Problémy a oblasti působnosti fyzické vrstvy

Fyzická vrstva se zabývá přenosem bitů po fyzickém médiu a řeší následující oblasti:

Přenosová média
Kódování signálu
Synchronizace bitů
Topologie fyzického propojení
Přenosové rychlosti a formáty signálů

Shannon-Hartleyův teorém

Shannon-Hartleyův teorém stanovuje maximální kapacitu přenosového kanálu (C) v bitech za sekundu:

$$ C = B \cdot \log_2\left(1 + \frac{S}{N}\right) $$

Kde:

B: Šířka pásma kanálu v Hertzích (Hz)
S: Výkon signálu
N: Výkon šumu

Tento teorém ukazuje, jak šířka pásma a poměr signálu k šumu ovlivňují maximální přenosovou kapacitu kanálu.

Bitová a bloková chybovost kanálu

Bitová chybovost (BER)

Bitová chybovost (BER) je poměr chybně převzatých bitů k celkovému počtu přenesených bitů. Vyjadřuje kvalitu přenosu na úrovni jednotlivých bitů.

Bloková (paketová) chybovost

Bloková chybovost je pravděpodobnost, že celý blok dat, například paket, bude přijat s chybou. Vztah mezi blokovou chybovostí (PER) a bitovou chybovostí (BER) je dán vztahem:

$$ PER = 1 - (1 - BER)^n $$

Kde n je počet bitů v bloku.

Linkové kódy

Linkové kódy slouží k reprezentaci dat pro přenos po fyzickém médiu, redukci šumu a synchronizaci. Mezi obecné příklady linkových kódů patří:

NRZ (Non-Return to Zero)
Manchester
4B/5B

Každý kódovací schéma má své specifické vlastnosti, které ovlivňují spolehlivost a efektivitu přenosu dat.

Typy přenosových médií

Metalická přenosová média

Mezi metalické přenosové média patří:

UTP (Unshielded Twisted Pair)
STP (Shielded Twisted Pair)
Koaxiální kabel

Maximální délka UTP/STP kabelu mezi síťovými zařízeními, zásuvkou, rozvaděčem a aktivním portem je obvykle 100 metrů.

Symetrické vs. nesymetrické přenosové médium

Symetrické médium (např. UTP, STP) má dva vodiče se stejnými elektrickými vlastnostmi, což zlepšuje odolnost proti rušení. Nesymetrické médium (např. koaxiální kabel) má jeden vodič a stínění, které chrání před elektromagnetickým rušením.

Typické délky UTP/STP kabelů pro instalaci rozvodu LAN sítě v budovách jsou také kolem 100 metrů.

Složení a konektory UTP kabelu

UTP kabel se skládá ze 4 párů kroucených vodičů, které jsou zakončeny konektorem RJ-45. Tento typ kabelu je široce používán pro Ethernetové sítě díky své jednoduchosti a efektivitě.

Rozdíl mezi UTP a STP kabelem

UTP (Unshielded Twisted Pair) nemá žádné stínění, což jej činí levnějším a jednodušším na instalaci, ale méně odolným proti rušení. STP (Shielded Twisted Pair) má stínění, které poskytuje lepší ochranu proti elektromagnetickému rušení, ale je dražší a náročnější na instalaci. Oba typy kabelů se zakončují konektorem RJ-45.

Útlum a přeslechy na metalickém vedení

Útlum (A) je ztráta signálu na délce kabelu, což snižuje sílu signálu a může vést k chybám v přenosu. NEXT (Near-End Crosstalk) a FEXT (Far-End Crosstalk) jsou typy přeslechů, kdy se část signálu přenáší z jednoho páru vodičů do druhého, což způsobuje interference a snižuje kvalitu přenosu.

Tyto problémy nám vadí, protože útlum oslabuje signál a přeslechy způsobují interference, což může vést k vyšší chybovosti a nižší spolehlivosti sítě.

Ethernet a počet párů vodičů

Pro přenos dat je potřeba určité množství párů vodičů:

100 Mbit/s Ethernet: Používá 2 páry vodičů.
1 Gbit/s Ethernet: Vyžaduje 4 páry vodičů.

Kategorie UTP kabelů a jejich frekvence

UTP kabely jsou klasifikovány podle jejich maximální použitelné frekvence:

Cat5e: Až 100 MHz
Cat6: Až 250 MHz
Cat6a: Až 500 MHz
Cat7: Až 600 MHz

Struktura a typy optických vláken

Struktura optických vláken

Optická vlákna se skládají z:

Jádro: Nosná část, skrz kterou se přenáší světelný signál.
Plášť: Vnější vrstva, která zajišťuje totální odraz světla v jádru.
Ochranný povlak: Chrání plášť a jádro před fyzickými poškozeními.

Jednovidová (SM) a mnohovidová (MM) optická vlákna

Jednovidová (SM) optická vlákna mají menší jádro (9 µm), což umožňuje přenos na delší vzdálenosti s menším útlumem (0,2 dB/km). Jsou vhodná pro vysokorychlostní a dlouhé spojení.

Mnohovidová (MM) optická vlákna mají větší jádro (50/62,5 µm), ale vyšší útlum (0,5 dB/km) a jsou určena pro kratší vzdálenosti. Jsou levnější a snadněji se připojují v LAN sítích.

Měrný útlum a útlumová okna v optických vláknech

Měrný útlum optických vláken je definován jako ztráta signálu na jednotku délky. Pro jednotlivé třídy vláken platí:

Jednovidová (SM): Přibližně 0,2 dB/km
Mnohovidová (MM): Přibližně 0,5 dB/km

Nejpoužívanější útlumová vlnová okna jsou:

850 nm
1300 nm
1550 nm

Snellovy zákony a totální odraz v optických vláknech

Snellovy zákony popisují lom světla na rozhraní dvou médií a jsou klíčové pro pochopení přenosu světla v optických vláknech. Při určitém úhlu dopadu dochází k totálnímu odrazu, což znamená, že světlo zcela odráží zpět do jádra, čímž se zabraňuje úniku světla z vlákna.

Totální odraz umožňuje vedení světla v optickém vlákně bez ztráty a je zásadní pro efektivní přenos dat na velké vzdálenosti.

Průměry optických vláken

Typické průměry jednotlivých částí optických vláken jsou:

Jádro: 9 µm pro SM, 50/62,5 µm pro MM
Plášť: 125 µm

Disperze v optických vláknech

Disperze je rozptyl světelného signálu při průchodu vlákny, který způsobuje rozšíření impulzů a tím zkreslení přenášených dat. Disperze omezuje přenosovou rychlost a maximální vzdálenost, na kterou lze data přenášet bez ztráty kvality.

Existují různé typy disperze:

Módová disperze: Rozptyl způsobený různými cestami, kterými mohou světelné paprsky procházet v jádře.
Chromatická disperze: Rozdílný útlum různých vlnových délek světla.
Polarizační disperze: Rozdílný průchod světla různými polarizacemi.

Shrnutí a závěr

Počítačové sítě jsou komplexní systémy, které vyžadují důkladné pochopení jak architektury a topologie sítí, tak i detailních aspektů fyzické vrstvy. Modely TCP/IP a RM-OSI poskytují rámec pro návrh a analýzu síťových služeb a komunikace. Fyzická vrstva hraje klíčovou roli v zajištění spolehlivého přenosu dat pomocí různých přenosových médií a řešením problémů jako útlum a přeslechy. Důkladná znalost těchto základů je nezbytná pro efektivní návrh, implementaci a správu počítačových sítí.