Az eredeti mű Farkas Éva 2002 szakdolgozata. Az eredeti lelőhelye: http://www.bibl.u-szeged.hu/inf/demo/halozatok/index.html 1. A számítógép-hálózat fogalma A számítástechnika rohamos fejlődése a számítógépek széleskörű elterjedésével, s ezáltal a felhasználók táborának növekedésével járt együtt. A számítógépek összekötése iránti igény először akkor merült fel, amikor egyes csoportok némely erőforrást, azaz háttértárolót, nyomtatót, adatbázist vagy programot közösen szerettek volna használni. Ehhez szükség volt a számítógépek fizikai összekapcsolására, valamint néhány olyan gépre, amely rendelkezett ezekkel az erőforrásokkal, és így ezeket a csoport minden tagja ugyanolyan formában tudta használni. A számítógép-hálózatok kialakítását követelő másik kihívás a helyi hálózatok összekapcsolása annak érdekében, hogy lehetővé váljon üzenetek, elektronikus levelek, valamint nagy adattömegek gyors és megbízható továbbítása akár kontinensek között is. Ugyancsak célszerűnek látszott lehetővé tenni, hogy egy-egy szuperszámítógép kapacitását ne csak a rákapcsolt gépekről lehessen használni, hanem megfelelő jogosultság esetén a világ távoli pontjairól is hozzá lehessen férni. Ezek után tisztázzuk a számítógépes hálózat fogalmát: A hálózatok önállóan is működőképes számítógépek elektronikus összekapcsolása, ahol az egyes gépek képesek kommunikációra külső beavatkozás nélkül. A számítógép hálózat olyan függőségben lévő vagy független számítógépek egymással összekapcsolt együttese, amelyek abból a célból kommunikálnak egymással, hogy bizonyos erőforrásokon osztozkodhassanak, egymásnak üzeneteket küldhessenek, illetve terhelésmegosztást vagy megbízhatóság növekedést érjenek el. 1.1. A számítógép-hálózat céljai Lehetőséget ad a különböző berendezések, perifériák, programok és az adatok közös használatára, vagyis a külön-külön is meglévő erőforrások megosztására. Tehát ezek az erőforrások a hálózati felhasználók fizikai helyétol függetlenül bárki (valójában a megfelelo jogosultságokkal rendelkezok) számára elérhetoekké válnak. Lehetőséget ad a rendszerben lévo eszközök teljesítményének egyenletesebb megosztására. A kialakított rendszer nagyobb megbízhatósággal működik. Például egy nyomtató hibája nem azonos egyúttal a nyomtatási lehetőségek megszűnésével, mivel szerepét a rendszerben lévo másik nyomtató is átveheti. A fontosabb programok, adatok a rendszer több számítógépének lemezegységén is tárolódhatnak, és így az egyik tárolt példány megszűnésével nem történik helyrehozhatatlan károsodás. Központilag figyelemmel kísérhető a hálózat működése, forgalma, a hibák felderítése és elhárítása hatékonyabban elvégezhető. Ezt közös néven hálózat menedzsmentnek hívjuk. Anyagi vonzata a költségmegtakarítás. Az eszközöket (nyomtatók, háttértárak, stb.) elég így kevesebb példányban megvásárolni. Ezen elonyök mellett a hálózatba kapcsolás a számítógépek használati körének kibovülését, sot kiterjesztését is lehetővé teszi. Lehetővé válik adatbázisok elérése, a benne lévo adatok felhasználása, sot az adatbázis sok pontról történo bovítése.
A jelenlegi egyik legizgalmasabb kibovítés az, amikor a hálózati rendszert kommunikációs közegként használjuk. Ez azt jelenti, hogy a rendszer használói egymásnak üzeneteket, leveleket vagy egyéb információt tudnak küldeni. Jelenleg a számítástechnika helyzete ebben az állapotban van. 1.2.1. Szerver A szerver (kiszolgáló) gépek általában nagy teljesítményű és tárolókapacitású, folyamatos üzemű számítógépek, amelyek a hálózatba kapcsolt többi gép számára szolgáltatásokat nyújtanak. Ezek a szolgáltatások különfélék lehetnek, sőt gyakran előfordul, hogy nem egy számítógépen koncentrálódnak, hanem a hálózatban több szerver található, egy vagy több saját funkcióval. Néha a szolgáltatást nyújtó programokat is szerverként szokták emlegetni, jó példa erre a web-szerver, amely a belső hálózat számára és a külvilág felé szolgáltatja az Internetes dokumentumokat. 1.2.2. Fájlszerver, nyomtatószerver Nagy tárolókapacitású számítógépek. Feladatuk a közösen használt állományok, adatbázisok, alkalmazások, levelezés stb. biztosítása. A nyomtatószerverek végzik a hálózaton keresztüli nyomtatással kapcsolatos feladatokat, a hozzájuk kapcsolt nagy teljesítményű nyomtatók vezérlését. 1.2.3. A hálózat sebessége A különböző hálózatok adatátviteli sebessége eltérő, sőt nagyságrendbeli eltérés is elképzelhető, amit az adott hálózati struktúra, topológia határoz meg. Nagy szerepet játszik a számítógéphálózatok átviteli képességének az alakulásában a hálózat topológiája, az adatátvitelt vezérlő protokoll típusa, a hálózat strukturális kialakítása, s nem utolsó sorban az aktív, passzív eszközök sebessége is. E paraméterek határozzák meg a hálózat maximális átviteli sebességét. A számítógép-hálózatok sebességének a mértékegysége bit/sec, illetve bps. Az egy másodperc alatt átvitt bitek számát határozza meg. Ez egy elméleti érték, mellyel a hálózat maximális átviteli képessége határozható meg. A számítógépben az információ alapegységei a bit, digit, byte. Egy bit (binary digit) 0 vagy 1 értékű lehet, melynek 1-1 feszültségi szint felel meg. A digit 4 bitbol áll, a byte 8-ból. A tárolókapacitást általában byte-okban szoktuk megadni. Magasabb mértékegységei: 1 Kbyte (kilobyte) =1024 byte 1 Mbyte (mega-byte) =1024 Kbyte 1 Gbyte (giga-byte) =1024 Mbyte. 1 Tbyte (tera-byte) =1024 Gbyte Az átviteli sebességtol meg kell különböztetni a baud-ban mért sebességet, amely a másodpercenkénti jelváltások számát adja meg. 1 baud = 1 jelváltás/s. A jelsorozat sebessége és az adatátviteli sebesség számértéke csak akkor egyezik meg, ha az alkalmazott jelkódolási eljárás egy-egy bitnek egy-egy jelváltást feleltet meg. 1.2.4. Hoszt Számítógépes hálózaton lévő "munkaállomás", amely valamilyen szolgáltatást is nyújt egy hálózatba építve. Itt futnak a felhasználói programok, helyezkednek el az adatbázisok. Ezeket a gépeket kommunikációs alhálózatok kötik össze, amelyek feladata a hosztok közötti kommunikáció megvalósítása, azaz az üzenetek továbbítása.
1.2.5. Alhálózat A hálózat az összekötött alhálózatok összessége. Az alhálózatokat kapcsolóeszközök (routerek) kötik össze egymással. Az alhálózat adattovábbítás szerint lehet pont-pont kapcsolat vagy broadcast típusú. 1.2.5.1. Két pont közötti csatornával rendelkező alhálózat (pont-pont kapcsolat) A két kommunikációs végpontot egy kábellel kötik össze, és az üzenetek ezen a kábelen keresztül haladnak. Amikor egy vevő megkapja a csomagot, és az nem neki szól, akkor továbbadja egy következő pont-pont összeköttetésen keresztül. Pont-pont összeköttetésekbol felépülo nagyobb hálózat struktúrája lehet: csillag, gyűrű, fa, teljes vagy szabálytalan. A gyűrű topológia a működési biztonságot növeli. A fastruktúra elonye a hosztok (alhálózatok) közötti minimális routerszám, hátránya a forgalom torlódása. A teljes összeköttetésű hálózat mindkét elonnyel rendelkezik, azonban rendkívül drága. A pont-pont kapcsolatokból felépülo hálózatokkal kapcsolatos további fogalmak: Tárol és továbbít (store-and-forward) A csomag a routerben tárolásra kerül, amíg a következo adatvonalon lehetségessé nem válik a továbbítás. Packet switch Az adatcsomag tartalmazza a célállomás címét, ennek alapján a router (csak) a megfelelo adatvonalon továbbítja a csomagot. 1.2.5.2. Broadcast típusú alhálózat Más néven üzenetszórásos alhálózatnak is nevezik. Jellegzetessége, hogy egy csatornán (átviteli közegen) sok állomás osztozik. Minden adás minden eszközhöz eljut. Az állomások a csomagban lévo cím alapján választják ki a nekik szólókat, a többit figyelmen kívül hagyják. Topológiai kialakítása lehet busz, gyűrű vagy csillag. 1.3. Hálózati hierarchia Aszerint, hogy hálózatunkban milyen viszonyban állnak egymással a számítógépek, három típusra oszthatjuk őket. 1.3.1. Hoszt-terminál alapú hálózatok A hálózat magját egy vagy több, egymással összeköttetésben lévo központi számítógép (hoszt) alkotja. Itt fut az operációs rendszer. Ehhez kapcsolódnak hozzá az intelligencia nélküli (buta) terminálok, amelyek egy billentyűzetbol és egy képernyobol állnak. Ezen a hálózattípuson futnak a legbonyolultabb és legrégebben fejlesztett rendszerek. 1.3.2. Egyenrangú (peer to peer) hálózatok A hálózatba kötött számítógépek közül bármelyik lehet kiszolgálója a többinek, amelyek a felajánlott erőforrást beépíthetik a saját rendszerükbe. Általában LAN-ok kialakításánál alkalmazzák, ahol viszonylag kevés a gép, a hálózati forgalom kicsi. Elonyei az olcsóság, egyszerűség. Hátránya a kis kapacitás, nagy feladatok elvégzéséhez nem vagy korlátozottan használhatók.
1.3.3. Szerver-kliens hálózatok Ötvözik a peer to peer hálózatok olcsóságát, egyszerűségét a hoszt-terminál hálózatok nagy teljesítoképességével. Ebben a hálózatban találunk kiemelt számítógép-et (szerver), amely csak a kérések kiszolgálásával van elfoglalva. Itt fut a hálózati operációs rendszer. Az alkalmazói programok futtatása a kliens gép-ek feladata. A felhasználó által megfogalmazott kérések az alkalmazói programon keresztül eljutnak a szerver operációs rendszeréhez, amely ezen kéréseket kiszolgálja. Elonye: nem kíván nagyon komoly hardvert, gyors a kiszolgálás sebessége. Üzemeltetése olcsó. Nagy a szoftver ellátottság. Hátránya: az alkalmazói program a kliens gépen fut, így nagy a hálózati forgalom. 1.4. Hálózati egységek Egy számítógépes hálózat az alábbi egységekből épül fel: Munkaállomások vagy workstation Azok a számítógépek, amelyeken az egyes felhasználók dolgoznak. Itt fut az alkalmazás, ezek a gépek használják a hálózat erőforrásait. Operációs rendszerük sokféle lehet. Leggyakoribbak: DOS, Windows, Win2000, OS/2, sot Apple Macintosh, NT Workstation és különböző Linux disztribúciók is lehetnek. A munkaállomás a hálózati kártyán keresztül éri el a hálózatot. Kiszolgáló egységek és szerverek Ide tartoznak azok az egységek, amelyek kielégítik a felhasználói igényeket (adathozzáférés, nyomtatás, stb., ennek megfelelően beszélhetünk fájlszerverről vagy printer-szerverről), szervezik, adminisztrálják a hálózat munkáját. Hálózati perifériák Azok az eszközök, amelyek a szerverekhez kapcsolódnak, s amiket a hálózat tagjai közösen használnak.(pl.: nyomtató). Hálózati csatoló kártya Az az egység, amely minden számítógépben megtalálható. A hálózati kártya teszi lehetővé, hogy a hálózat fizikai közegéhez (legtöbbször kábelezés) kapcsoljuk a számítógépünket. Magyarországon elsosorban az Ethernet hálózatok terjedtek el kb. 90 %-ban, ezért itt ezen megvalósításhoz használt kártyával, azaz az Ethernet kártyával foglalkozom. Sok gyártója létezik, de a szabványosítás miatt bármelyik összekapcsolható egymással. Nincs viszont szabványosítva a számítógép - hálózati kártya felület, ezért gyártóspecifikus driver-t (meghajtó program) kell használni a kártya működtetésére. Hálózati átviteli eszköz Az az eszköz, amelyen keresztül az adatforgalom lebonyolódik. 1.5. Szabványosító szervezetek A hálózatok világában számos szervezet dolgozik a szabványosításon. Ennek előnye, hogy a születő szabványok lehetővé teszik a különböző gyártók berendezéseinek együttműködését. Hátránya, hogy a sok szervezet sokszor egymással nem kompatibilis szabványokat produkál, azután a gyártók feladata marad, hogy válasszanak vagy megoldják a különböző szabványok együttműködését. Az ISO (International Standards Organization) egy nemzetközi szabványügyi szervezet, amely széles körben dolgoz ki szabványokat. Nevéhez fűződik az OSI (Open Systems Interconnection) referencia modell és a hozzá tartozó protokollcsalád, amelyről a 4. fejezetben lesz szó.
Az IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) egy szakmai szövetség, amely hálózati szabványokat definiál. Legismertebb szabványai közé tartozik az IEEE 802 sorozat a LAN-okról. Az Internet dokumentumokat RFC (Request For Comment) név alatt tartják számon. Minden RFC számot kap egytől időrendben növekedve. Egy kiadott RFC szövege később sohasem változik, ha hibát találnak benne, új szám alatt újra kiadják. Az RFC, valamint az összes munkadokumentum nyilvánosan és ingyen hozzáférhető. 2. A számítógép-hálózatok történeti fejlődése A nyolcvanas években a személyi számítógépek (PC) robbanásszerűen kezdtek elterjedni, de már az első számítógépek megjelenése után felmerült az igény ezek távolról történő használatára, majd a gépek összekapcsolására. Annak érdekében, hogy a tudományos kutatómunka fejlodését ne akadályozza a földrajzi elhelyezkedés, ezért a tudósoknak új, gyors és továbbfejlesztheto kommunikációs eszközre volt szükségük. A számítógépeknek ilyen célú felhasználása logikus megoldásnak tűnt. A szöveg rugalmas kommunikációs közeg, amelyet a számítógép - már abban az idoben is - meglehetősen jól tudott tárolni és feldolgozni, valamint szükség esetén papírra nyomtatni. Ebbol logikusan adódott a következo lépés: ha az egyik számítógép a másikkal beszélni tudna, a szöveget az egyik számítógépről a másikra el lehetne juttatni. 2.1. ARPANET A számítógépek hálózattá való összeköttetésének gyökerei a hidegháború éveire nyúlnak vissza. 1957-ben a Szovjetunió fellőtte Szputnyik nevű műholdját. Válaszként 1958-ban az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumon belül működő Korszerű Kutatási Programok Intézete létrehozta az ARPA (Advanced Research Projects Agency) nevű szervezetet, amelynek az volt a célja, hogy tudományos és technikai kutatásainak eredményeként az Egyesült Államokat vezető szerephez juttassa a hidegháborúban. Éppen ezért kísérletsorozatot folytattak, hogy létrehozzanak egy olyan számítógépes rendszert, amely ellenáll a különböző katasztrófáknak, az egész országot átfogja, és amelyben a katonaság üzeneteket, adatokat adhat és kaphat, bármi is történjék Felmerült a kérdés, hogy egy esetleges nukleáris háború esetén az amerikai kormányszervek hogyan tudnák fenntartani a kommunikációt egymás között A RAND Corporation, az Egyesült Államok első számú hidegháborús szervezete a probléma megoldására egy olyan hálózatot képzelt el, amely képes városokat, államokat, bázisokat összekötni, de nincs központja, hiszen ha lenne, az lenne az első célpont, amit megsemmisítenének A hálózatnak különböző pontokból kell állnia, a csomópontoknak egyenlő értékűnek kell lenniük, így önállóan alkothatnak, küldhetnek és fogadhatnak üzeneteket. Az üzenetek csomagokra oszlanak, minden csomagnak külön címe van. Minden csomag egy adott forráscsomóponttól indul, és egy adott célcsomóponthoz érkezik. 1967-ben megrendezték a RAND, az NPL (National Physical Laboratory) és az ARPA találkozóját, azzal a céllal, hogy továbbfejlesszék a hálózatot. 1968-ban az ARPA kezdeményezte, hogy az akkori szuperszámítógépek alkossanak egy olyan masszív hálózatot, amelyen keresztül hatékonyan le lehet bonyolítani az országos kutatási és fejlesztési terveket. E masszív hálózat első csomópontját (node) a Kaliforniai Egyetemen állították fel 1969. szeptember elsején. A második csomópontot október elsején a Stanford Kutatóintézetben (SRI) kötötték be. Az év végére bekötötték a harmadik csomópontot a Kaliforniai Egyetem Santa
Barbara-i (UCSB) egységében, és a negyediket az Utah-i Egyetemen. A négy csomópontból álló hálózatot ARPANET-nek keresztelték el. Az ARPANET-nek köszönhetően a tudósok, nagy sebességű közvetítővonalakon, távolból is megoszthatták egymással eredményeiket. A csomópontok száma egyre nőtt: 1971-ben 15, 1972-ben már 37 működött. A hálózatra a NASA, valamint neves amerikai egyetemek is kapcsolódtak. 1971-ben Ray Tomlinson kifejlesztette az e-mail programot, amely üzenetek küldését tette lehetővé a hálózat csomópontjai között. 1972. márciusban Tomlinson bevezette a @ jelet, mely az angol at prepozíciót jelölte (arra utalt, hogy az illetőt hol lehet elérni). Tomlinson írta a legelső e-mail üzenetet a világon. Egy irodában található két, az ARPANET-en keresztül összekötött számítógépen próbálta ki, hogy működik-e a rendszer. Az üzeneteket saját magának küldte. A legelső üzenet ezt tartalmazta: QWERTYUIOP. Ez nem más, mint a számítógép billentyűzetének a felső betűsora. Tomlinson találmányának akkora sikere volt, hogy két évvel később az ARPANET-en bonyolított információcsere 75 százaléka e-mailen keresztül folyt már. Azonban még néhány évnek el kellett telnie ahhoz, hogy a fejlesztők felismerjék, hogy a számítógépes kommunikációra kifejlesztett hálózat közhasználatú, elektronikus postává válhat. Miután ezt felismerték, az emberek saját "account"-ot és személyre szóló e-mail címet szereztek az ARPANET-számítógépekhez, így megkezdődhetett a privát levelezés, csevegés a hálózaton keresztül. Megjelentek a hírlevelek is, amelyeket egyszerre több felhasználónak tudtak elküldeni. 1979-ben már felbukkantak az úgynevezett "emoticon"-ok (más néven smiley) Kevin MacKenzie javaslatára (túl unalmasnak találta az e-mailek száraz, egyszerű felületét), melyek akár e-mailben, akár csevegéskor az érzelmek egyszerű kifejezésére alkalmasak. Az ARPANET másik hatalmas előnye az volt, hogy bármilyen számítógépet hozzá lehetett kapcsolni az új csomagkapcsolt hálózathoz, amely ismerte annak közvetítőnyelvét. Az ARPA kezdeti kommunikációs szabványrendszere az NPC (Network Control Protocol) volt, melyet felváltott a TCP/IP (Transmission Control Protocol), mely az üzeneteket keletkezési helyükön csomagfolyamokká alakítja, majd újra üzenetté rendezi őket a célállomáson. Az IP (Internet Protocoll) a címzésért felel, vagyis azért, hogy a csomagok többféle csomóponton és többféle hálózaton haladjanak keresztül, amelyek a legkülönfélébb szabványrendszerek alapján működnek. 1981-ben létrejött a CSNET (Computer Science Network) azzal a céllal, hogy olyan egyetemi tudósok is hozzáférjenek a hálózaton található információkhoz, akiknek nincs ARPANETelérhetőségük. A CSNET később a Számítógép és Tudomány Hálózataként lett ismert. 1983-ban az ARPANET-ről levált a MILNET elnevezésű katonai szegmens. Az akkor létező 113 csomópontból 68 a MILNET hatásköre alá került. 1984-ben a Nemzeti Tudományos Alap (National Science Foundation, NSF) tovább akarta fejleszteni a hálózatot, magasabb szintű technikát alkalmazva. Az NSFNET nagyobb tudású számítógépeket csatlakoztatott egymáshoz, növelte a telefonvonalak teljesítményét. A hálózatok egyre szaporodtak és ezzel megkezdődött az Internet terjesztése az egyetemek felé. Ezzel párhuzamosan a NASA és más állami ügynökségek is ''bekapcsolódtak'' az Internet világába. A külföldi számítógépeket elhelyezkedésük alapján jelölték meg, a többi számítógépet a hat fő internetágazat szerint csoportosították: gov, mil, edu, com, org és net (1985). Az ARPANET 1989-ben formálisan megszűnt, de az a folyamat, amit elindított, tovább fejlődött.
2.2. BITNET/EARN A BITNET (Because It's Time to NETwork, It's there) építése 1981-ben kezdodött a City University of New York (CUNYVM) és a Yale University (YALEVM) szervezésében. A hálózatban mintegy 2000 számítógépet kötöttek. 1996. év végére megszületett a határozat, hogy megszűnjön. Integrált szolgáltatásai miatt azonban érdemes említést tenni róla. A BITNET magába foglalta az USA-t és Dél-Amerikát (BITNET U.S.), Kanadát (NetNorth), Ázsiát (Asrianet) és Európát (EARN) lefedo hálózatokat. Fo szolgáltatásai: az elektronikus levelezés, levelezési listák kezelése, adatállományok átvitele, távoli munkabevitel. Az alapprotokoll a Network Job Entry (NJE), amely szimmetrikus és pár protokoll. Az NJE megengedi job-ok (egy távoli számítógépnek kiadott feladat), parancsok, üzenetek mindkét irányú adását, vételét és tárolás-továbbítását (store and forward). A legjellemzobb szolgáltatás a LISTSERV computer konferencia rendszer, amely közel 2800 konferenciát tartalmaz Az EARN (European Academic Research Network) a BITNET európai része. 1985-ben alapították, 38 ország tagja. Az 1991-es forgalom 7,4 milliárd rekord volt. Egyetemi környezetben ideális, mert nem csak a számítógép-hálózati alapszolgáltatásokat nyújtja, hanem több hasznos alkalmazást is, amelyek az alapszolgáltatásokra épülnek. Szolgáltatásait más hálózatok veszik át. 2.3. Internet A legnagyobb előrehaladást a napjainkra járványként terjedő világhálózat, az Internet hozta. A fejlődés következtében a táv-adatátviteltől, terminál-számítógép kapcsolattól eljutottunk a videokonferenciáig, s ezzel még biztosan nem ért véget a hálózatok fejlődésének a korszaka. Az Internet a számítógépek világhálózata, amely milliók számára teszi lehetővé az adatok azonnali cseréjét. Életünket szinte már elképzelhetetlennek tartjuk nélküle, hiszen óriási mértékben megkönnyíti az információszerzést Az Internet 1983-ban kezdte működését, amikor az ARPANET két elkülönült hálózatra bomlott: MILNET és ARPANET. Mindkettő kapott hálózati címet (network number), és átjárókat (gateway) tettek közéjük, amelyek információcsomagokat tudnak továbbítani egyik-ről a másikra. Ekkor a DCA (Defense Communications Agency) meghatározta, hogy minden ARPANET hoszt a TCP/IP protokollt használja. Mivel így az információ-csomagok formája szabványosítva lett, ez azt jelentette, hogy új hálózatokat lehet hozzákapcsolni a rendszerhez anélkül, hogy az eddigi felépítést meg kellene változtatni. Az Internet tehát az ARPANET-ből indult, s magába foglalt más hálózatokat, úgymint az NSFNET-et, a NEARNET-et s másokat. Több más hálózat, mint például a BITNET kapcsolódik az Internethez, de nem része annak. Később az NSFNET egyetemek és kereskedelmi intézmények szuperszámítógépei között teremtett nagykapacitású összeköttetést, amelyek köré helyi hálózatokat szerveztek. Így az NSFNET is a "hálózatok hálózata" lett, mint az Internet, amelynek részét képezi. Ahogy az évek telnek, úgy kezd a tudományos jelenlét az Interneten egyre inkább háttérbe szorulni azzal szemben, hogy a felhasználók özöne lepi el a hálót, akik információkhoz, kommunikációhoz, szórakozáshoz vagy üzleti lehetőségekhez akarnak jutni az Internet révén. Az Internet boven meghaladta eredeti céljait, amelyeket a 60-as években elképzeltek. Mára egy nagy világhálózattá notte ki magát, amelyhez a csatlakozó számítógépek száma túllépi az egymilliót. Ezen a legváltozatosabb intézmények számítógépeit kell érteni, pl. egyetemek, kutatóintézetek, számítógépgyártó cégek, kormányzati-államigazgatási hivatalok, rendorségek, könyvtárak stb.
3. A hálózatok tipizálása 3.1. Földrajzi elhelyezkedés alapján (topográfia) Topográfián a munkaállomások területi elhelyezkedését és összekötését értjük, tehát azt, hogy fizikailag hol találhatóak a hálózat végpontjai. Földrajzi elhelyezkedés szerint 3 féle hálózatot különböztetünk meg: 3.1.1. Lokális hálózat (Local Area Network, LAN) Kis kiterjedésű, egyszerű szervezéssel meghatározott távolságon belül (maximum 10 km), azaz egyetlen épületen belül teszi lehetővé az információ és az erőforrások megosztását a felhasználók számára. A lokális hálózatban az eszközök a hálózat fizikai kialakítására telepített kábelen, vagy más átvivő közegen keresztül közvetlenül kapcsolódnak egymáshoz. Ez ellentétes a távolsági hálózatokkal, amelyek gyakran a nyilvános távközlés-technikai berendezéseket, a vonalkapcsolt vagy csomagkapcsolt adathálózatokat veszik igénybe kommunikációs csatornaként. Ebből következik, hogy keveset hibáznak és kicsi a késleltetésük. Sebességük 10 Mb/s (megabit / másodperc) és 100 Mb/s között mozog, de ma már előfordul az optikai kábeleknek köszönhetően, hogy a 100 Mb/s-os adatátviteli sebességet is elérhetik 3.1.2. Nagyvárosi hálózat (Metropolitan Area Network, MAN) Nagyobb távolságra lévő gépek, LAN hálózatok összeköttetéséből alakul ki. Felépítése a LANokhoz hasonlít. Összeköt egymáshoz közel fekvő vállalati irodákat vagy akár egy egész várost. Egyik tipikus alkalmazása a világhálózat kiinduló pontjaihoz való belépésének biztosítása. Hatótávolsága 1 és 50 km között van. 3.1.3. Nagy kiterjedésű hálózat (Wide Area Network, WAN) Egymástól nagy távolságra elhelyezkedő hálózatokat köt össze, akár az egész világot behálózhatja. A helyi hálózatok több millió bit/s-os átviteli sebességéhez képest a nagy távolságokra szolgáló átviteli közeg, és az átviteli sebesség sokkal kisebb. 3.2. A hálózat elrendezési módjai (topológia) A számítógépek kábelezését néhány jellegzetes mértani formával szokás jellemezni, mint csillag, sín, gyűrű, fa vagy szabálytalan alak. Ennek megfelelően beszélhetünk csillag, sín, gyűrű, fa topológiákról. Ha a felsorolt elrendezési módú hálózatok közös hálózati kialakításban szerepelnek, hibrid hálózatról beszélhetünk. Topológián tehát a hálózat alkotórészeinek összekapcsolási módját, fizikai elrendezését, a hálózati eszközök összeköttetésének rendszerét értjük.
3.2.1. Csillag topológia A legelső topológiák közé tartozik, mivel ezáltal könnyen megoldható volt a korai időkben az általánosan elterjedt központosított vezérlés. A csillag topológia esetén a munkaállomások közvetlenül tartanak kapcsolatot a szerverrel, így a központi erőforrások gyorsan és egyszerűen elérhetők. Ha nincs szükség folyamatos adatátvitelre, akkor a csomagkapcsolt eljárást alkalmazzák, különben pedig a klasszikus vonalkapcsolást. Ha az egyik számítógép kapcsolatba akar lépni a hálózat egy másik számítógépével, akkor a központi vezérlő létrehozza az összeköttetést, vagy legalábbis kijelöli a másik berendezés elérési útvonalát, s miután ez megtörtént, elkezdődhet a kommunikáció. Az összeköttetést követően az információcsere úgy bonyolódik le, mintha közvetlen kapcsolatban állna egymással a két számítógép. Ekkor a központi vezérlőnek már nincs feladata, tehát mintegy közvetítőként működik. Ezt a központi vezérlő berendezést nevezik HUB-nak. A szakirodalom a hálózat egyes számítógépeit csatlakozási pontnak, angol kifejezéssel node-nak nevezi. A csillag topológia esetén az adatcsomagok az egyes csatlakozási pontoktól a központi hub felé haladnak. A központi hub az adatcsomagokat rendeltetési helyük felé továbbítja. Egy hub-ot használó rendszerben nincs közvetlen összeköttetés a számítógépek között, hanem az összes számítógép a hub-on keresztül kapcsolódik egymáshoz. Minden node egyetlen kábelen csatlakozik a hub-hoz. Mivel mindegyik gép külön kábelen csatlakozik a hub-hoz, ezért meglehetősen sok hálózati kábelre van szükség, ami adott esetben drágává teheti a telepítést. A csillag topológiához használhatunk árnyékolatlan csavart érpárú huzalt (UTP) vagy árnyékolt csavart érpárú huzalt (STP). (ld. Vezetékes átviteli közegek) A csillag elrendezés egy összetettebb változata a hópehely (snowflake) topológia, amely nagyobb kiterjedésű hálózatok esetén több csillag topográfiájú hálózat kapcsolatát biztosítja úgy, hogy a hálózatok közé egy közös csomópontot, egy újabb központi vezérlőt iktat, ami lehetővé teszi két különböző hálózatban levő gép összeköttetését. A csillag topológia legfőbb előnye az, hogy ha megszakad a kapcsolat a hub és bármelyik számítógép között, az nem befolyásolja a hálózat többi csomópontját, mert minden node-nak megvan a saját összeköttetése a hub-bal. A topológia hátránya az, hogy a központ meghibásodásával az egész hálózat működésképtelenné válik. Másik hátránya, hogy ha az egyik gép üzen a másiknak, előbb a központi gép kapja meg a csomagot, majd azt a célállomásnak továbbítja. Emiatt a központi gép gyakran túlterhelt. Strukturált kábelezéssel csökkenthető a központi gép és a hálózati szegmensek leterheltsége. 3.2.2. Gyűrű topológia Minden állomás, beleértve a szervert is, két szomszédos állomással áll közvetlen kapcsolatban. Az összeköttetés körkörös, folyamatos gyűrű (megszakítás nélküli, de szükségszerűen kört képező), ebből következően a hálózatnak nincs végcsatlakozása. Bármely pontról elindulva végül visszatérünk a kiindulóponthoz, hiszen az adat csak egy irányban halad. Az üzeneteket a gépek mindig a szomszédjuknak adják át, s ha az nem a szomszédnak szólt, akkor az is továbbítja. Addig vándorol az üzenet gépről gépre, amíg el nem érkezik a címzetthez. Mindegyik csomópont veszi az adatjelet, elemzi az adatokat, és ha az üzenet másik gép részére szól, akkor az adatokat a
gyűrű mentén a következő géphez továbbítja. Az adatfeldolgozás cím alapján történik, azaz csak a címzett dolgozza fel az adatot, a többiek csak továbbítják. A csillag topológiától eltérően a gyűrű topológia folyamatos útvonalat igényel a hálózat összes számítógépe között. A gyűrű bármely részén fellépő meghibásodás hatására a teljes adatátvitel leáll. A hálózattervezők a meghibásodások ellen néha tartalék útvonalak kialakításával védekeznek. Ezenkívül hátránya még az is, hogy az adat a hálózat minden számítógépén keresztülhalad, és a felhasználók illetéktelenül is hozzájuthatnak az adatokhoz. A gyűrű alakú topológia esetén a hálózati kommunikáció lehet csomagkapcsolt és vezérjel elve alapján működő. Ezen az elven működik a vezérjeles gyűrű (Token Ring), amit egy későbbi fejezetben fogok részletesen ismertetni. Mégis hogy ne lebegjen üresen a levegőben ez a fogalom, egy-két szóval ismertetem a lényegét. Itt egy vezérjel kering körbe a vonalon, és csak az a gép küldhet üzenetet, amelynél éppen a vezérjel van. A küldő gép csak az üzenetküldés után továbbítja a vezérjelet. 3.2.3. Sín (busz) topológia A sín topológia valószínűleg a legegyszerűbb hálózati elrendezés. Ez az elrendezés egyetlen, busznak nevezett átviteli közeget használ. A buszon lévő mindegyik számítógépnek egyedi címe van, ez azonosítja a hálózaton. Egy busz topológiájú hálózat esetén a számítógépeket az esetek többségében koaxiális kábellel csatlakoztatják Nem egyetlen hosszú kábel, hanem sok rövid szakaszból áll, amelyeket T-csatlakozók segítségével kötnek össze. Ezenkívül a T-csatlakozók lehetővé teszik a kábel leágazását, hogy más számítógépek is csatlakozhassanak a hálózathoz. Egy speciális hardverelemet kell használni a kábel mindkét végének lezárásához, hogy ne verődjön vissza a buszon végighaladó jel, azaz ne jelenjen meg ismételt adatként. Ahogy az adat végighalad a buszon, mindegyik számítógép megvizsgálja, hogy eldöntse, melyik számítógépnek szól az üzenet. Az adat vizsgálata után a számítógép vagy fogadja az adatot, vagy figyelmen kívül hagyja, ha az nem neki szól. A busz topológiával az a probléma, hogy ha a buszkábel bárhol megszakad, a szakadás egyik oldalán lévő számítógépek nem csak az összeköttetést veszítik el a másik oldalon lévőkkel, hanem a szakadás következtében mindkét oldalon megszűnik a lezárás. A lezárás megszűnésének hatására a jel visszaverődik és meghamisítja a buszon lévő adatokat. Ha úgy döntünk, hogy busz topológiájú hálózatot alakítunk ki, akkor korlátozott a buszhoz köthető gépek száma. Ez amiatt van, mert ahogy a jel a kábelen halad, egyre inkább gyengébb lesz. Ezt azzal magyarázhatjuk, hogy minden egyes hoszt felfűzésével a T-dugók illesztésénél kábelszakadások keletkeznek. Ha sok hosztot fűzük fel egy szegmensre, akkor sok szakadás keletkezik, ezáltal megnő az ellenállás és gyengébb lesz a jel. Ez okból kifolyólag, ha több számítógépet csatlakoztatnunk a hálózathoz, akkor használnunk kell egy jelerősítőnek (repeater) nevezett speciális hálózati eszközt, amely a busz mentén meghatározott helyeken felerősíti a jeleket. Előnye az egyszerűsége és olcsósága, hátránya viszont, hogy érzékeny a kábelhibákra.
3.2.4. Fa topológia A fahálózat jellemzője a központi, kiemelt szerepkört betöltő számítógép. A központi gép ún. közvetítő gépekkel vagy munkaállomásokkal van összekötve. Van egy gyökér, amelyre rákapcsolódnak a kisebb központok. Azután ezekre a kisebb központokra kapcsolódnak a kliens gépek vagy még kisebb szerverek. Tehát a munkaállomások hierarchikus rendben kapcsolódnak egy vagy több másik munkaállomáshoz. Egy-egy ilyen ágat alhálózatnak is nevezünk. Minden összekötött gép között csak egyetlen út van. Előnye a kis kábelezési költség, valamint, hogy nagyobb hálózatok is kialakíthatók. Hátránya viszont, hogy egy kábel kiesése egy egész alhálózatot tönkretehet. A következő táblázat az egyes topológiák összehasonlítását tartalmazza, olyan kritériumok alapján, mint a megbízhatóság, összetettség, rugalmasság, bővíthetőség, költségek, kapacitás. 3.3. Átviteli módszer alapján Az átviteli mód arról ad felvilágosítást, hogy miként alkalmazzák összeköttetésre a fizikai közeget. Ahhoz, hogy a hálózatban kapcsolt számítógépek egymással kommunikálni tudjanak, az adatátviteli közegen információt kell cserélniük. Az információ továbbítása valamiféle jelek átviteli közegen való áthaladását jelenti. Amit az egyik ad, azt a másik képes venni. Lehetséges módok: 1. alapsávú vagy digitális, 2. szélessávú vagy analóg, 3. aszinkron kommunikáció és 4. a szinkron kommunikáció. 3.3.1. Alapsávú vagy digitális átvitel A helyi hálózatok közül általában azokat nevezik alapsávúnak, amelyekben az átvivőközegen haladó jel digitális. A jel a bináris értékeket képviseli. A vonalon egymás után jól meghatározott időközönként jelennek meg az elektromos vagy fény impulzusok, amelyek az üzenet bináris kódjának, 0 és 1 értéknek felelnek meg. Amikor a vonalon nem történik adás, az elektromosan teljesen csendes, optikailag pedig, ami ugyanennek megfelelő, teljesen sötét. A jel haladása során különféle zavaró hatások következtében
információt veszíthet, emiatt van szükség az adatátviteli közegbe iktatott jelismétlőkre, amelyek által a jelek visszanyerik eredeti értéküket. Az alapsávú hálózatok az átvivoközegen más hálózattal nem osztoznak 3.3.2. Szélessávú vagy analóg átvitel A vonalon állandóan végighalad egy elektromágneses vivőhullám, amelynek három alapvető tulajdonsága valamelyikét módosítják a továbbítandó üzenetnek megfelelően. Ez a három alapvető tulajdonság: a frekvencia, az amplitúdó és a fázis. (frekvencia: az elektromágneses hullám másodpercenkénti rezgésszáma, mértékegysége a Hertz (Hz), amplitúdó: a rezgőmozgás nyugalmi helyzete és maximális kitérése közötti távolság, fázis: két hullám akkor van fázisban, ha a frekvenciáik megegyeznek, és egymásnak megfelelő pontjaik egy adott pillanatban ugyanabban a rezgési állapotban vannak.) A jellegzetes szélessávú hálózatok átvivőközegén frekvenciaosztással több, egymástól független csatornát képeznek, amely csatornák mindegyikén önálló adathálózat alakítható ki. E hálózatok egyesíthetok egyetlen hálózattá, vagy használhatók külön-külön is, egyegy sajátos feladat ellátására. A hírközlő csatornák számának megfelelően beszélhetünk egycsatornás (egysávú) és többcsatornás (többsávú) hálózatokról. Az alapsávú hálózatok jellemző módon egycsatornásak, a szélessávú hálózatok pedig általában többcsatornásak. Az üzenetek (csomagok) lehetnek bit-, oktett- vagy karakterszervezésűek A bitszervezésű üzenet tetszés szerinti számú bitből áll, az oktettszervezésű bitben mért üzenet hossza mindig 8 (esetleg 16) egész számú többszöröse, a karakterszervezésű üzenet pedig valamely adott karakterkészlet (pl. ASC II) karaktereiből épül fel. 3.3.3. Aszinkron kommunikáció Más néven start-stop mód a karakterszervezésű üzenetek jellegzetes átviteli módja. Az összeköttetésben álló két állomás közül bármelyik adásba kezdhet, nincs meghatározva az időintervallum, de ilyenkor ezt a vevő tudomására kell hozni. 3.3.4. Szinkron mód A bitszervezésű üzenetek jellegzetes átvitelmódja. Szinkron kommunikáció esetén a két kapcsolatba lépő állomás egyezteti az adatátviteli sebességet, vagyis azt, hogy másodpercenként hány darab jel kerüljön továbbításra, valamint meddig történhet az adás. Az adó elkezdi az adást, és a rendelkezésre álló idő alatt átküldi a továbbítandó üzenetnek bitjeit. A vevő folyamatosan veszi a biteket és összeállítja azokat számára feldolgozható byte-okká.
3.4. Kapcsolási technika szerint Általános esetben az állomásokat nem közvetlen vonalak kötik össze. Egy állomástól valamely másikhoz több adatútvonal vezethet, s az állomások közötti kommunikáció során az üzenetek tényleges útvonalát a csomóponti kapcsolók határozzák meg. A hálózati kommunikáció módja többféle lehet: lokális hálózatokra az üzenetszórás (ld. fentebb) vagy a vezérjel elv jellemző a távolsági hálózatok vonal-, üzenet- vagy csomagkapcsolt elven működhetnek. 3.4.1. Vonalkapcsolt hálózat Erre a hálózattípusra legjobb példa a telefonhálózat. Ezt a folyamatot hívásnak nevezzük a távbeszélő technikában. Először kapcsolatteremtés történik az adó és vevő állomás között több kapcsoló központon keresztül, és csak ezután jön létre a kommunikáció. A fizikai kapcsolat csak az összeköttetés idejére áll fenn. Amíg ez a két eszköz beszél egymással, más eszközök nem csatlakozhatnak a vonalra. Miután megtörtént az adatátvitel, felszabadítják a kommunikációs vonalat, és azt más eszközök vehetik igénybe. Fontos tény, hogy először létrejöjjön a híváskérés hatására az összeköttetés felépítése. Ezután a két állomás úgy képes kommunikálni, mintha pont - pont összeköttetés valósult volna meg közöttük. A rendszer 3 fázisból épül fel: kapcsolatteremtés, kommunikáció, kapcsolatbontás. A vonalkapcsolás jellemzője, hogy az összeköttetés létrehozása meglehetősen hosszú időt vesz igénybe, de a létrehozott összeköttetésen át késedelem nélkül továbbíthatók az üzenetek. Sajátossága továbbá az, hogy az összeköttetés állandó csatornakapacitást köt le, ezért a vonalkapcsolás alkalmazása ott előnyös, ahol a forgalmat nagy tömegű adat folyamatos átvitele jellemzi. 3.4.2. Üzenetkapcsolás Ennél a kapcsolási módnál nincs szükség előre kiépített fizikai összeköttetésre adó és vevő állomás között. Az ilyen típusú kapcsolási hálózatok esetében, ha valamely állomás korlátozatlan hosszúságú üzenetet kíván küldeni egy másiknak, akkor az üzenethez csatolja a címzett azonosítóját, majd az üzenet az átvivohálózatra kerül, amelyen át csomópontról csomópontra halad, míg a rendeltetési állomásra nem ér. Az egyes csomópontokon az üzenet eltárolódik és a kapcsoló megvizsgálja a rendeltetési címet, és ennek megfelelően továbbítja a soron következő csomópontra. Azokat a kapcsolókat, amelyek az üzenetet tárolják, mielőtt továbbítanák, tárolva továbbító kapcsolóknak nevezzük. Az üzenet az ilyen kapcsolók mindegyikén késést szenved, hiszen meg kell várnia, amíg a következő vonal felszabadul. Az üzenet viszont jelentős késéssel érkezhet, ha több csomóponton kell keresztül haladnia. A módszer előnye: Az üzenet azonnal indulhat az adó állomásról, amint az első vonalszakasz felszabadul, és nem kell megvárni a teljes útvonal szabaddá válását. Nem szükséges, hogy az üzenet továbbításakor a címzett szabad legyen. Az esetleg foglalt címzett felszabadultáig az üzenet a kapcsolók egyikén várakozik.
3.4.3. Csomagkapcsolt hálózatok Két alapvető összetevőből állnak: a kapcsolóelemekből és az átviteli vonalakból. Ebben az esetben a tetszőleges hosszúságú üzenetek meghatározott terjedelmű csomagokban érkeznek meg, mivel a csomag hossza maximálva van. Amennyiben a csomagkapcsoló hálózatban a csomagméretet meghaladó üzenetet kell átvinni, akkor a forrásállomás az üzenetet részekre tördeli, és az egyes részeket egy egy csomag alakjában továbbítja Az egyes üzenetdarabok így elszakadhatnak egymástól, és csak a célállomásnál áll össze belőlük a teljes egész eredeti üzenet. Egy csomagkapcsolásos hálózat egyidejűleg több üzenetet továbbít az átviteli vonalakon. Ezt az átviteli eljárást multiplexelés-nek nevezik. A csomagkapcsolás nagyon hatékonyan képes a vonalak kihasználására, mivel az adott két pont közötti összeköttetést több irányból érkező és továbbhaladó csomag is használja. A csomagkapcsoló hálózatok jelentos része szintén a tárolva továbbítás elvét alkalmazza. E hálózatok az üzenetkapcsoló hálózatokhoz hasonlóan működnek, viszont a csomagkapcsolás az üzenetkapcsolásnál lényegesen gyorsabb és gazdaságosabb. Nem minden csomagkapcsoló hálózat tárolva továbbít; hanem létezik olyan módszer is, ahol a csomagkapcsoló hálózatban az állomásokat egyetlen többpontú vonal köti össze, amelynek mentén nincsenek kapcsolók Két jellegzetes változata létezik: az összeköttetés nélküli és a virtuális összeköttetést alkalmazó hálózat. (Részletesebben kifejtve a 4.3. fejezetben olvasható.) Az összeköttetés nélküli hálózatban a csomagok átvitelét az ún. datagramszolgálat (datagram service) végzi. Datagramnak a teljes rendeltetési címet tartalmazó csomagot nevezzük A csomagok külön továbbítódnak, és útközben a sorrendjük is változhat. Hátránya a bonyolult csomagösszeépítés. Virtuális összeköttetés: a csomagok átvitelét egy virtuális adatáramkör (virtual circuit) biztosítja. Ez hívás útján jön létre, és a bontásig áll fenn. Ezen a rögzített adatúton kerülnek át a csomagok, amelyeknek csak az adatáramkör azonosítóját kell tartalmazniuk a teljes cím helyett. A virtuális összeköttetést az jellemzi, hogy a csomagok ugyanabban a sorrendben érkeznek meg rendeltetési helyükre, mint ahogyan elindultak. Ez megbízható adatközlést tesz lehetővé. A virtuális összeköttetéshez általában áramlásszabályozási eljárás is társul, ami megakadályozza, hogy akár a kommunikáció végpontjain, akár a közbenso csomópontokon adattorlódás álljon elo.
Az állomások közötti adatút Adatútvonal a társalgás során Az üzenettovábbítás módja Vonalkapcsolás Csomagkapcsolás Üzenetkapcsolás Adatgramma szolgálat közvetlen közvetlen közvetett rögzített tárolás nélküli üzenetenként változhat strukturált tárolással üzenetenként változhat Az átvitelmód folyamatos szakaszos szakaszos Virtuális adatáramkör rögzített csomagonkénti tárolással Hívás és bontás szükséges nem kell nem kell szükséges A hívás ideje hosszú - - hosszú Átvitelkésés jelentéktelen nagy Foglaltságjelzés címzettől A túlterhelés hatása Üzenetveszítés elleni védelem sokkal kisebb, mint az üzenetkapcsolása van nincs lehet van blokkolást idézhet elő az üzenetkésés megnő a csomagkésés megnő a használó dolga a hálózat dolga a hálózat dolga Igénybevett csatornakapacitás állandó változó az igénytől függően változó A kapcsoló rendszere elektromechanikus vagy elektronikus adatállomáskezelő üzenetkapcsoló 8. ábra: A különböző adatkapcsolási típusok összehasonlítása belső tárat használó egyszerű csomagkapcsoló
4. Hálózati architektúrák A korszerű számítógép-hálózatok tervezését szigorúan strukturált módon végzik, ami azt jelenti, hogy a hálózat egymásra épülő részeit réteg-ekbe (layer) vagy más néven szint-ekbe (level) szervezik. Számuk, nevük, tartalmuk, funkciójuk minden hálózaton más és más. A rétegek csak a közvetlenül alattuk, illetve felettük lévő réteggel tudják tartani a kapcsolatot egy réteginterfész-en (hálózati kártya) keresztül. Az azonos szintű rétegek csak egymással kommunikálnak. E kommunikáció szabályait protokollnak nevezzük, amely meghatározza a hálózatba kapcsolt számítógépek egymás közötti párbeszédének szabályait, és ezáltal lehetővé teszi a legkülönbözőbb típusú számítógépek közötti kommunikációt. A rétegek és protokollok halmazát hálózati architektúrának nevezzük. A különböző munkaállomásokon lévő azonos rétegek egymással beszélgetnek, informálják egymást az aktuális adatcsomag paramétereiről (pl.: adathossz, csomag sorszáma stb.). Ezek az információk fejléc formájában hozzácsatolódnak az adathoz, amikor az érintett rétegen halad keresztül. Lejutva a következő rétegbe szintén kap egy információs fejlécet, ennek megfelelően mire az adat a fizikai réteget elhagyja, már valójában jóval nagyobb, mint amikor az elindult. A vevő oldalon a rétegek lecsatolják az információkat, ennek alapján ellenőrzik az adatcsomagokat, és amennyiben hibátlannak bizonyultak, akkor a "megcsonkított" adatcsomagok a következő rétegnek adódnak át immár fölfelé. A rétegek feladataira, felosztásukra vonatkozó hálózati referenciamodellt OSI (Open System Interconnect) néven 1980-ban adta ki az ISO. Erre a modellre valós hálózatok építhetők fel. A hálózat rendeltetésétől függően azonban a szintek száma, elnevezése és funkciója egy adott hálózat esetén eltérhet ettől az alapmodelltől. Az OSI hálózati modell 7 rétegből áll szemben az Internet TCP/IP hálózat 5 szintjével. 9. ábra: Az ISO/OSI hálózati modell
4.1. Adatátvitellel foglalkozó rétegek 4.1.1. Fizikai réteg (phisical layer) A bitek kommunikációs csatornára való kibocsátásáért felelős. A fizikai szinten helyezkednek el a hálózat fizikai elemei. Ide tartoznak a hálózat átviteli vonalai, hálózati technológiák, a csatlakozások elektromos és mechanikai meghatározása, átviteli irányok megválasztása, adatátviteli eljárások stb. Biztosítania kell, hogy az adó oldalon kibocsátott 1-et a vevő is 1-ként értelmezze. 4.1.2. Adatkapcsolati réteg (data link layer) Nyers bináris adatokat továbbít a fizikai és a hálózati szint között. Alapvető feladata, hogy egy hibától mentes adatátviteli vonalat transzformáljon, amelyen az adatok meghibásodás nélkül eljutnak a hálózati réteghez. Ezt úgy valósítja meg, hogy a küldo fél a bemeno bináris adatokat keretekké (frames) tördeli a hálózati szint számára, a kereteket sorrendhelyesen továbbítja, majd a vevo által visszaküldött, az átvitelt igazoló nyugtakereteket feldolgozza. Mindegyik keret egy ellenőrző összeggel van ellátva. A keret megérkezése után ez az ellenőrző összeg a vételi oldalon a vett adatokból is kiszámításra kerül. Ha ez az összeg nem egyezik meg a kiinduló összeggel, akkor a keretet a vevő eldobja, és az adónak meg kell ismételnie a keret elküldését. Az adatkapcsolati szint a hálózati szintről is fogad adatokat, amelyeket hibátlan bináris formátummá alakít át az alatta levő fizikai réteg számára. Mivel a fizikai réteg csupán a bitfolyam adásával, valamint vételével foglalkozik, ennek a rétegnek a feladata az adatkerethatárok létrehozása, felismerése. Ezt speciális bitmintáknak a keretek elé, illetve mögé helyezésével éri el. Az adatkapcsolati réteg feladatai továbbá: " Elveszett keretek újraadása. " Tévedésbol eloforduló kettozött keretek kivonása. " A forgalom szabályozása, amelyre a gyors adók miatt van szükség, amelyek adatelárasztással fenyegethetik a lassú vevoket. " Az A-B irányú adatkeretforgalom, valamint a B-A irányú nyugtakeretforgalom szabályozása, kezelése. 4.1.2.1. Adatkapcsolati protokollok Ebben a részben az adó és vevő közötti keretek segítségével megvalósított adatkapcsolati protokollokat mutatom be. Két állomás egyirányú (szimplex), váltakozó irányú (fél-duplex) vagy egyidejű kétirányú (duplex) üzemmódban kommunikálhat egymással. 4.1.2.1.1. Korlátozás nélküli, egyirányú (szimplex) protokoll Ez a protokoll igen egyszerűen működik. Az adatátvitel mindig csak egy irányban, az adótól a vevohöz folyhat, csak egy irányban továbbítódhatnak az adatok. Tehát az adó csak adhat, a vevő csak vehet. Nincs meghatározva az adatátviteli sebesség, a feldolgozás. Amilyen sebességgel küldi az adó a kereteket, a vevő ugyanolyan sebességgel képes azt fogadni. Ez azt jelenti, hogy az adó és vevő hálózati rétege mindig készen áll. Az adatkapcsolati rétegek közötti csatorna hibamentes, kerethiba nem fordul elő.
4.1.2.1.2. Váltakozó irányú (fél-duplex) vagy más néven egyirányú "megáll" protokoll Többször előfordul, hogy a vevő nem képes olyan sebességgel feldolgozni a kapott információt, amilyen sebességgel azt az adó küldte. Ezért valamilyen módon le kell lassítani az adót, hogy a vevő képes legyen a kereteket feldolgozni. Ez egy módon lehetséges, ha a vevő valamilyen nyugtát küld az adónak, hogy megkapta a keretet és feldolgozta, és csak ezután indulhat a következő keret. Tehát az adónak addig várni kell, amíg valamilyen üzenetet nem kap vissza a vevőtől. Ezért nevezik ezt a protokoll "megáll és vár" protokollnak. 4.1.2.1.3. Kétirányú (full duplex) protokollok A gyakorlatban az adatátvitel legtöbbször kétirányú. Egyazon a csatornán küldi el az adó az adatkereteket, és küldi vissza a vevő a nyugtakeretet. A két keret megkülönböztethető egymástól a keret fejrészében elhelyezett jelző alapján, ami a keret vételekor azonosítható. Hogy ne legyen olyan nagy forgalom az átviteli vonalon, a keretek számát lehet csökkenteni. Ennek lehetséges módja, hogy bármelyik irányba tartó adatkeretre ráültetjük az előző másik irányból jövő adatkeret nyugtáját. Ezt nevezi a szakirodalom ráültetési technikának (piggy-back). Az eddigi esetekben a csatornán mindig csak egy adatkeret és a rá válaszoló nyugtakeret haladt. A csatorna jobb kihasználása érdekében azonban több keret is tartózkodhat a csatornán egyszerre. Ezt az eljárást csúszóablakos protokollnak nevezik. A protokollban minden egyes, az adótól kiinduló keret kap egy 0-7 közötti sorszámot. Így a sorban elküldendő keretek sorszámaiból egy aktualizált listát tart fenn az adó. A listába szereplő sorszámú keretek az adási ablakba esnek. Az adó adási ablakában az elküldött, de még nem nyugtázott keretek vannak. Mikor egy nyugta megérkezik az ablak alsó fele feljebb csúszik, lehetővé téve egy újabb keret elküldését. A vevő egy vételi ablakot tart fenn, amely a fogadható keretek sorszámait tartalmazza. Útközben megtörténhet, hogy megsérül a keret és hibásan érkezik meg a vevőhöz. Ebben az esetben két lehetséges változat lép fel. Az egyik esetben a hibás keret utáni kereteket nyugtázatlanul eldobja a vevő, és így kényszeríti az adót, hogy újból ismételje meg a küldést. A másik esetben pedig a fogadó állomás az összes jó keretet eltárolja a hibás keret után. Az adó akkor veszi észre, hogy volt hibás kerete, ha nem kap nyugtát róla, és ekkor újból elküldi a sérült keretet. 4.1.2.2. Közeg-hozzáférési módszerek Ahogyan már a számítógép-hálózatok fogalmainál ismertettem a hálózatok két kategóriába sorolhatóak. Vannak, amelyek pont-pont összeköttetést alkalmaznak, és vannak, amelyek adatszóró csatornát használnak. Üzenetszórásos csatornával rendelkező alhálózatok esetében egy kommunikációs csatorna létezik, és ehhez az egyetlen csatornához, közeghez kell minden állomásnak hozzáférnie. A hozzáférés itt az adást jelenti. Minden adatszóró hálózat esetében kulcskérdés az, hogy melyik állomás nyerje el a jogot a csatorna használatára. A közeg elérési módja szerint három fő hozzáférési módszer lehet: véletlen vezérlés, osztott vezérlés és központosított vezérlés.
4.1.2.2.1. Véletlen átvitel-vezérlés Mindegyik állomás a csatornán véletlenszerűen kezd adni. Ezt jól szemlélteti egy telefonos konferenciabeszélgetés. Mindenkinek külön készüléke van, és ezek egymással kapcsolatban állnak. Ha valaki befejezi mondanivalóját, akkor egyszerre többen is magukhoz ragadhatják a kezdeményezést. Ez nem fordulhat elő, ha szemtől szemben állnak egymással, mert akkor valamilyen módon jelezni tudják, hogy ki akarja folytatni a beszélgetést. Ebben az esetben az ütközések elkerülhetetlenek. Mivel a keretek küldése véletlenszerű, ezért valószínűség-számítási módszerekkel meghatározható az ütközés valószínűsége. Az ütközés akkor kerülhető el, ha a keret elküldésétől a végéig más állomás nem küld új keretet vagy csak meghatározott időpontokban. Ezen hozzáférési módszeren belül több megoldás lehetséges. Én ezek közül egyiket szeretném ismertetni: az ütközést jelző vivőérzékeléses többszörös hozzáférést (CSMA/CD). A módszer angol elnevezése Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Ennek a módszernek a lényege abban áll, hogy mielőtt egy állomás elküldené keretét, először "lefüleli" a csatornát, hogy van e más állomás, ami használja a közeget. Ha egyik állomás sem használja a csatornát, akkor a "fülelő" állomás elküldi üzenetét. A csatorna lehallgatása jelenti a vivőérzékelést. Azonban előfordulhat olyan eset, hogy egyszerre két vagy több állomás akarja igénybe venni a csatornát. Az adás közben - mivel közben az üzenetet veszi - el tudja dönteni, hogy az adott és vett üzenet egyforma-e. Ha ezek különbözőek, akkor ez azt jelenti, hogy más is van a "vonalban", azaz a küldött üzenet hibás, vagyis ütközés történik. Ekkor az állomás megszakítja az üzenetküldést. Azok az állomások, amelyek ismételt üzenetküldésre kényszerülnek, az újabb adás előtt egy véletlenszerűen megválasztott ideig várakoznak. Ezek az idők a véletlenszerűség miatt eltérőek. Így amelyiknek a legrövidebb a várakozási ideje, annak van lehetősége az adásra. A többi állomás, miután lejárt a várakozási idejük, és adni szeretne, belehallgat a csatornába, már foglaltnak fogja észlelni. 4.1.2.2.2. Osztott átvitel-vezérlés Ez a módszer elvben kiküszöböli az ütközéseket, azzal a megvalósítással, hogy a csatornához való hozzáféréshez mindig csak egy állomásnak van joga egy adott időpontban. Ez a jog állomásról állomásra egymás után halad. Lehetséges módjai: vezérjeles gyűrű (Token Ring), vezérjeles sín (Token Bus) és az ütközést elkerülő, vivőérzékeléses többszörös hozzáférés (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). 4.1.2.2.2.1. Vezérjeles gyűrű (Token Ring) Az IEEE 802.5 szabványa a vezérjeles gyűrű. E topológiájú hálózatok esetében a leggyakrabban használt hozzáférési módszer a vezérjel továbbításos eljárás, amelynek során egy vezérjel (token) halad körbe, állomásról állomásra. A vezérjel egy kis üzenet, amely a gyűrű foglaltságáról ad információt. Ha jelzése szabad, akkor a token-t vevő állomás elküldheti üzenetét. A token-t foglaltra állítja, és az üzenettel küldi tovább vagy kivonja a gyűrűből. Az üzenet a gyűrűn halad körben állomásról állomásra. Amikor a gyűrűben az üzenet visszaér az elküldő állomáshoz, akkor kivonja az üzenetét a gyűrűből, a token-t szabadra állítja, és továbbküldi az immár szabad jelzést adó vezérjelet más állomásnak.
10. ábra: Token Ring 4.1.2.2.2.2. Vezérjeles sín (Token Bus) Fizikailag a vezérjeles sín egy lineáris vagy fa elrendezésű kábel, amelyre állomások vannak csatlakoztatva logikailag gyűrűbe szervezett módon. Mindegyik állomás ismeri a szomszédjainak címét. Amikor a gyűrűt üzembe helyezik, elsőként a legmagasabb sorszámú állomás küldhet üzenetet. Ez az üzenet tulajdonképpen a vezérjel. Két értéke lehet: szabad vagy foglalt. Ha egy állomás veszi a vezérjelet, és azt szabadnak találja, üzenettovábbításra van lehetősége. Ha van elküldendő üzenete, akkor a vezérjelet foglaltra állítja, és azt hozzáfűzve az üzenethez, elküldi a címzett részére. A vezérjel állomásról állomásra továbbítása egy logikai gyűrűt képez. Helyi hálózatokra vonatkozó szabványát az IEEE 802.4 szabvány alatt deklarálták. 11. ábra: Vezérjeles sín 4.1.2.2.2.3. Ütközést elkerülő, vivőérzékeléses többszörös hozzáférés (CSMA/CA) Lényegét tekintve nagyon hasonlóan működik, mint a véletlen vezérlésű, ütközést jelző vivőérzékeléses többszörös hozzáférésű megoldás. Ez a módszer arra törekszik, hogy valóban elkerülje az ütközést. Itt minden állomás "belehallgat" a vonalba, és ezt követően minden állomás egy adott ideig vár, amit egy logikai listában elfoglalt helyük határoz meg. Ha ez alatt az idő alatt más állomás nem kezd el adni, akkor elkezdi az adást.