5. Hálózati példák A következő szakaszban néhány példán keresztül mutatjuk be a számítógép-hálózatok sokszínűségét. Első példánk az internet lesz, amely valószínűleg a világ legismertebb hálózata. Majd megismerkedünk a helyi hálózatok legkiemelkedőbb technológiájával, az Ethernettel, s a vezeték nélküli Wifi hálózatokkal. 5.1. Az Internet Mint ahogy azt már említettük, az Internet nem is számítógépes hálózat, hanem különféle hálózatok óriási gyűjteménye, amelyek néhány közös protokollnak köszönhetően kiválóan együtt tudnak működni. Ez egy nem szokványos rendszer abból a szempontból, hogy senki sem tervezte meg, és senki sem felügyeli. 5.1.1 Az APRANET Az Internet története az 1950-es években kezdődik. A hidegháború tetőfokán az amerikai védelmi minisztérium (Department of Defense, DoD) egy olyan parancsnoki és irányítási hálózatot akart létrehozni, amely képes túlélni egy atomháborút. Abban az időben a teljes katonai kommunikáció a nyilvános telefonhálózatot használta, amelyet sebezhetőnek tartottak. Ennek a védekezésnek a kiváltó oka a köv. ábrából olvasható ki. Telefonhálózat felépítése, ARPANET felépítése. A fekete pontok a telefonközpontokat jelölik, amelyek közül mindegyikhez több ezer telefon kapcsolódik. Ezek a központok hasonlóképpen egy magasabb szintű kapcsoló központhoz kapcsolódnak. Ezzel egy olyan országos hálózat alakul ki, amely csak nagyon kevéssé redundáns, azaz felesleges, tehát nem tartalmaz biztonsági vonalakat. A rendszer sebezhetősége éppen abban rejlik, hogy elég néhány kulcsfontosságú központot elpusztítani, s a rendszer elszigetelt részekre esik szét. 1957 októberében a Szovjetunió megelőzte az Egyesült Államokat az űrversenyben a Szputnyik, vagyis az első műhold fellövésével. Azonnali ellenlépésként megteremett egy védelmi célú központi kutatási szervezetet, az ARPA-t (Advanced Research Agency),
melynek azonban nem voltak tudósai és laboratóriumai. Munkája abból állt, hogy támogatásokat és szerződéseket adott a szerinte ígéretes ötletekkel előálló egyetemeknek és vállalatoknak. A National Physical Laboratory (NPL; Nemzeti Fizikai Laboratórium) irányítása alatt megvalósítottak egy néhány számítógépet összekötő csomagkapcsolt hálózatot, melynek továbbfejlesztése az ARPANET nevet kapta. A hálózat átviteli vonalakkal összekapcsolt miniszámítógépekből (ún. csomóponti gépekből) állt, a nagyobb megbízhatóság érdekében mindegyik csomóponti gépnek legalább két másik csomóponti géphez kellett csatlakoznia. Így néhány vezeték vagy csomóponti gép elpusztítása esetén az üzeneteket automatikusan más alternatív útvonalakon lehetne továbbítani. Idővel egyre több és több számítógép csatlakozott a hálózathoz, melyek 56 kb/ses átviteli sebességgel működtek. A későbbiekben műholdas és mobil rádiós hálózatok is csatlakozni szerettek volna az ARPANET-hez, azonban világossá vált, hogy protokolljai nem igazán megfelelőek több hálózatból álló rendszerek esetén. Ez az észrevétel a protokollok további fejlesztéséhez vezetett, aminek csúcspontja a TCP/IP modell és a TCP/IP protokollok kifejlesztése volt 1974-ben. A TCP/IP-t kifejezetten az internethálózatokon való kommunikációra tervezték, amire egyre nagyobb szükség volt, miután az ARPANET-hez kapcsolódó hálózatok száma rohamosan nőtt. A protokollt beépítették a Berkeley-féle UNIX-ba, így az ilyen hálózati programmal rendelkező operációs rendszerrel ellátott számítógép könnyen csatlakozni tudott az ARPANET-hez. Az 1980-as években további hálózatokkal, főleg LAN-okkal bővült az ARPANET. Ahogy a gépek száma nőtt, egyre nehezebbé vált egy bizonyos hoszt megkeresése, azért létrehozták a DNS (Domain Name System) rendszert. Célja az, hogy a gépeket doménekbe szervezze, és a hosztok neveit leképezze az IP címükre. 1983-ban a TCP/IP lett az egyetlen hivatalos protokoll az ARPANET-en, a hozzá csatlakozó hálózatok száma gyorsan nőtt, s az emberek úgy kezdtek tekinteni erre a hálózatcsoportra, mint egy internetre, majd Internetre. Mit is jelent valójában rajta lenni az Interneten? Egy gép akkor van rajta az Interneten, ha a TCP/IP protokollkészlete használja, van saját IP címe, és tud más gépeknek IP csomagokat küldeni az Interneten át. Az Internetnek és elődjeinek hagyományosan (1970-től 1990-ig) négy fő alkalmazása volt: e- mail, hírek, távoli bejelentkezés és fájltranszfer. Az 1990-es évek kezdetéig az Internetet főleg oktatási és kormányzati intézmények, valamint kutatási intézmények használták. Egy új alkalmazás, a Világháló (World Wide Web, WWW) ezt a helyzetet gyökeresen megváltoztatta, és több millió új felhasználót vont be a hálózatba. A Mosaic nevű böngészőnek köszönhetően lehetőség nyílt arra, hogy olyan szövegeket, képeket, hangokat tartalmazó információs oldalakat hozzanak létre, amelyekről más oldalakra is el lehet jutni. Rövid időn belül rengeteg honlap született. Az 1990-es évek növekedésének nagy része az internetszolgáltatóknak (Internet Service Provider, ISP) nevezett cégeknek köszönhető. Ezek olyan vállalatok, melyek az egyéni felhasználóknak nyújtják szolgáltatásaikat. A felhasználók otthonról fel tudják hívni a cég valamelyik gépét, és így az Internetre kapcsolódhatnak, ahol aztán használhatják az internetes szolgáltatásokat.
Az Internet felépítése 5.2. Az Ethernet A helyi hálózatok kialakításához manapság leggyakrabban használt technológia az Ethernet. A történet Hawaii érintetlen szigetén kezdődött az 1970-es évek elején. Az érintetlen ebben az esetben annyit jelent, hogy működő telefonhálózattal nem rendelkező. A szabadságukat töltőknek kellemes, hogy nem szakítják meg a napjaikat telefonhívások, de Norman Abramson kutató és a Hawaii Egyetemen dolgozó két kollégái számára ez nem tette kellemesebbé az életet, mivel ők éppen a távoli szigeteken levő felhasználóikat próbálták a Honoluluban található fő számítógéphez csatolni. A Csendes óceán fenekére kábeleket fektetni nem állt módjukban, így más megoldás után néztek. A megoldást a kis hatósugarú rádiózásban találták meg. Minden felhasználói terminált felszereltek egy kis rádióval, amely két frekvencián üzemelt: az egyik frekvenciát a felfelé (a központi számítógép felé, uplink), a másikat pedig a lefelé (a központi számítógép felől, downlink) utazó adatok használták. Amikor a felhasználó csatlakoztatni akarta a számítógépét, csak elküldött egy csomagot a felfelé irányuló csatornán. Ha senki más nem forgalmazott abban a pillanatban, akkor a csomag valószínűleg átment, és nyugtát küldtek rá a lefelé irányuló csatornán. Ha versenyhelyzet alakult ki a felfelé irányuló csatornáért, és a terminál észrevette, hogy nem jött válasz, akkor újra próbálkozott. Mivel a lefelé irányuló csatornán egyetlen küldő volt (a központi számítógép), itt soha sem történt ütközés. Ezt a rádiós rendszert ALOHA-nak nevezték, s alacsony forgalmi terhelés esetén egészen jól működött. Néhány évvel később a Xerox cégen belül folyó kutatások egy ALOHA mintájára tervezett vezetékes hálózat létrehozását célozták meg. A rendszert Ethernet-nek (éterhálónak) keresztelték el, arról az anyagról, amelyet az elektromágneses sugárzás terjedési közegének véltek korábban. Régebben ugyanis a tudósok azt feltételezték, hogy a tér valamilyen könnyű közeggel van kitöltve, amelyben az ilyen hullámok terjednek. Csak 1887- ben fedezték fel, hogy az elektromágnese sugárzás vákuumban is tud terjedni. Az átviteli közeg azonban itt nem vákuum volt, hanem egy vastag koaxiális kábel, amelyhez akár 256 gépet is csatlakoztatni lehetett. A rendszer 2,94 Mb/s-os sebességgel üzemelt. A rendszer nagy előnnyel bírt az ALOHA-val szemben: a számítógépek adás előtt belehallgattak a csatornába, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy éppen senki más nem ad. Ha egy számítógép foglaltnak találta a csatornát, megvárta a folyamatban lévő adás végét. Ez a vizsgálat megelőzte, hogy az új adás keveredjen egy már folyamatban levővel, és így sokkal nagyobb hatékonyságot tett lehetővé. Az ALOHA ezért ne így működött, mert az egyik
szigeten elhelyezett terminálnak nem volt módja érzékelni egy tőle távoli szigeten elhelyezett másik terminál adásait. Amikor egyetlen közös kábel van, ez a probléma nem létezik. Az eredeti Ethernet felépítése Annak ellenére, hogy a számítógépek adás előtt belehallgatnak a csatornába, egy probléma mégis felmerül: mi történik, ha két vagy több számítógép várja az éppen folyó adás végét, és utána mind egyszerre kezd adni? A megoldás az, hogy a számítógépek hallgatják a csatornát adás közben is, és ha interferenciát fedeznek fel, akkor zavarni kezdik a csatornát, hogy figyelmeztessék a küldőket. Ezután véletlen hosszú ideig várnak, és csak utána próbálkoznak újra. Ha további ütközések történnek, akkor a véletlen időt mindegyik ütközés után megduplázzák, így időben szétszórják a versenyhelyzetben levő adásokat, így adva esélyt arra, hogy valamelyik elkezdhessen adni. A Xerox Ethernete olyan sikeres volt, hogy 1978-ban létrejött egy 10 Mb/s-os Ethernet szabvány, majd kisebb változtatás után 1983-ban a ma is használatos IEEE 802.3 Ethernet szabvány. Az Ethernet tovább fejlődött, létrejöttek a 100 Mb/s-os Fast Ethernet, az 1000 Mb/s-os Gigabit Ethernet, de dolgoznak a 10 Gb/s-os és 40 Gb/s-os változaton is. Meg kell említeni, hogy az Ethernet nem az egyetlen LAN szabvány. Létezik vezérjeles sín (token bus, IEEE 802.4) és vezérjeles gyűrű (token ring, 802.5) technológia is. Ezeknek lényege, hogy a számítógépek csak felváltva adhatnak, az adás jogát a vezérjelnek (token) nevezett rövid csomag képviseli, amit gépről gépre adnak tovább. Az ütközések elkerülése érdekében mindig csak az a számítógép adhatott, mely éppen birtokolta a tokent. Az IBM telephelyein kívül már lényegében sehol sem használják, mindezek ellenére létrejött egy gigabites változatuk is. 5.3. Vezeték nélküli LAN-ok Kényelmi célokat szolgálva az IEEE bizottsága szabványosított egy vezetés nélküli LAN technológiát, mely az IEEE 802.11 elnevezést kapta, s gyakori beceneve a WiFi. A szabvány szerint az ilyen hálózat kétféle módon működhet: o egy bázisállomás jelenlétében, o ill. bázisállomás jelenléte nélkül. Az első esetben a teljes kommunikációnak keresztül kell haladnia a bázisállomáson, amelyet egy hozzáférési pontnak (access point) neveznek. A második esetben a számítógépek közvetlenül egymásnak adnak, ezt a működési módot ad hoc hálózatnak (ad hoc networking) nevezik. Tipikus példája az, amikor két vagy több ember együtt leül egy olyan szobában, amit nem szereltek fel vezeték nélküli LAN-nal, és a számítógépeik közvetlenül kommunikálnak egymással. A két működési elvet a köv. ábra szemlélteti:
A szabvány az 1990-es évek közepén keletkezett, az Ethernet már szinte egyeduralkodó volt a helyi hálózatok területén, ezért a bizottság úgy döntött, hogy kompatibilissé teszi az Ethernettel az adatkapcsolási réteg feletti rétegekben. Tulajdonképpen arra kellett lehetőséget biztosítani, hogy egy IP csomagot ugyanúgy lehessen feladni vezeték nélküli LAN-on, mint ahogyan egy kábelen csatlakozó számítógép Etherneten küld IP csomagokat. A fizikai és adatkapcsolási rétegekben azonban lényeges különbségek vannak. Először is, egy Ethernetre kötött számítógép mindig belehallgat a csatornába, mielőtt adásba kezd. Csak akkor kezd el ténylegesen adni, ha az éter szabad. A vezeték nélküli LAN-okban ez az ötlet nem működik ilyen hatékonyan, ami a köv. ábrából látszik. Tegyük fel, hogy az A számítógép a B számítógépnek ad, de A rádiójának hatótávolsága túl kicsi ahhoz, hogy a C számítógépet elérje. Ha C B-nek akar adni, belehallgat az éterbe az adás megkezdése előtt, de az a tény, hogy nem hall semmit, még nem jelenti azt, hogy az adás sikeres lesz. A másik probléma, amit meg kellett oldani, hogy a rádiójeleket a szilárd testek visszaverhetik, így a jelek több útvonal mentén többször is megérkezhetnek a vevőhöz. Az így létrejövő interferencia az úgynevezett többutas terjedés gyengülése vagy fédingje (multipath fading).
Az 1997-ben szabványosított WLAN 1 Mb/s-os és 2 Mb/s-os sebességen tudott működni, de mivel túl lassú volt a már megszokott Ethernethez képest, a későbbiekben még két új szabvány született. A 802.11b szabvány másmilyen modulációs módszert alkalmazva 11 Mb/s-os sebességre képes, míg a 802.11g ugyanebben a frekvenciatartományban más moduláció alkalmazásával 54 Mb/s-os sebességet ér el.