Na sítěs Ritou - Moderní síťové technologie a propojování sítí

V úvodní části seriálu jsme se ponořili do základů síťových architektur, jejich
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 802.3×.

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