5. előadás Hálózatok Dr. Kallós Gábor 2014 2015 1
Tartalom Definíció, motiváció A hálózathoz szükséges eszközök Hálózatok osztályozása Kiterjedtség A kommunikációs partnerek száma Hálózati topológiák Sín, gyűrű, csillag, fa, szabálytalan, egyéb Adatátviteli közeg Vezetékes és vezeték nélküli A résztvevők rangja P2P hálózat, kliens-szerver és vékony kliens architektúra Általános hálózati architektúra Az ISO-OSI modell TCP/IP A kommunikációs folyamat áttekintése 2
Definíció, motiváció Számítógép-hálózaton két vagy több egymással összekapcsolt, együttműködő, autonóm számítógép kapcsolatát értjük (esetleg: egy számítógép és legalább egy hálózati eszköz kapcsolatát), ahol az összekapcsolt gépek között adatforgalom van Azaz: az összekapcsolás célja az adatcsere Példa: a számítógépünkhöz közvetlenül kapcsolt nyomtató és a gép együtt nem hálózat Számítógépek a hálózatban: csomópontok (node, host) Miért lehet szükség hálózat kialakítására? Erőforrások összevonása, perifériák közös használata (takarékosság) Hálózatban összevonhatók és megoszthatók bizonyos erőforrások, pl. elegendő egyetlen nyomtatót elhelyezni az irodában (egyszerű számítás igazolja ) Erőforrások helytől független elérése Az igénybe vevő csomópontok fizikai távolsága, földrajzi elhelyezkedése alig befolyásolja egyes erőforrások igénybevételi lehetőségét (pl. Neptun rendszer otthonról vagy egyetemi gépteremből) Fájlok távoli elérése, megosztása (pl. C100) Hálózati kapcsolat megosztása (internet) Pl. otthonra elegendő egyetlen internet előfizetés, és ezt megfelelő berendezések (switch vezetékes, wlan access point drótnélküli) segítségével tudja az egész család több számítógéppel használni Megbízhatóság (redundancia, adatbiztonság) növelése távoli helyen való tárolással Speciális hálózati szolgáltatások igénybe vétele Pl. közösségi háló 3
A hálózathoz szükséges eszközök Kommunikációs szabvány Bármilyen adatcseréhez (kommunikációhoz) szükség van egy közös jelrendszerre (nyelvre), hogy a felek megértsék egymást A hálózatot szabvány szerint kezelni tudó eszközök Operációs rendszer Természetesen a hálózatba kötött gép operációs rendszerének támogatnia kell a hálózati szabványt, illetve a kapcsolódáshoz szükséges eszközöket A hálózathoz való fizikai kapcsolódást megvalósító eszköz Ez a hálókártya, pontosabban hálózati csatoló, amelynek nagyon sokféle típusa lehet Jeltovábbító átviteli közeg Jellemzően kábelek, de lehet valamilyen vezeték nélküli, sugárzás jellegű átvitel is rádiófrekvencia, mikrohullám A hálózat működtetéséhez szolgáló különböző elektronikus berendezések A jelek erősítésére a repeater (jelismétlő) szolgál, a jelek elosztására a switch. A korábban különálló hálózatok illesztésére való berendezés a bridge (híd) vagy a router (útválasztó) mára az utóbbi két eszköz funkciója összeolvadt. 4
A hálózathoz szükséges eszközök Gépünk hálózati beállításai 5
Hálózatok osztályozása Kiterjedtség Hálózat mérete: az a területnagyság, ahol a hálózat elhelyezkedik (nagy részben meghatározza a kiépítési technológiát; az egyes kategóriák határai részben elmosódtak) PAN Személyi hálózat (Personal Area Network) Pl. mobiltelefon notebook LAN Helyi hálózat (Local Area Network) Otthon, iroda MAN Városi hálózat (Metropolitan Area Network) Pl. kábeltévé hálózat, vagy a ma divatos Smart City ( okos város ) városirányítási koncepció tipikus területe WAN Kiterjedt méretű hálózat (Wide Area Network) Internet Más csoportosítás szerinti felosztás: cégen vagy irodaházon belüli helyi hálózat, és az azon kívüli világ (intranet és internet) Kommunikációs partnerek száma Két alapvető kommunikációs forma Pontosan két csomópont kommunikál (pont-pont kapcsolat) Ez logikai felosztás, nem foglalkozunk külön azzal, hogy lehetséges-e ezt a kommunikációt harmadik félnek hallania (ehhez külön biztonságtechnikai megoldás szükséges titkosítás, pl. skype beszélgetés) Üzenetszórásos csatornára épülő kapcsolat A kommunikációs csatornán minden csomópont osztozik. A feladott üzenetet mindenki veszi, és aki nem címzett, az figyelmen kívül hagyja. Ugyanezen a módon visszairányú kommunikáció is lehetséges. 6
Hálózatok osztályozása Topológia Hálózati topológia: a csomópontok közötti kapcsolatok logikai elrendezése, azaz a hálózat alakja Egy adott csomópont egy vagy több másik csomóponthoz kapcsolódhat Grafikus ábrázolásnál a csomópontok közötti kapcsolatokat egyszerű vonalak jelzik (ezek általában oda-vissza kapcsolatok) A topológia vizsgálatánál a csomópontok távolságát, az adatátvitel sebességét stb. nem vizsgáljuk, csupán az összeköttetés tényét (ennek mintázatát) vesszük figyelembe A különböző topológiák matematikailag irányítatlan gráfokkal írhatók le Sín topológia Logikailag az egyik legegyszerűbb elrendezés (hasonlít a karácsonyfaizzókhoz) 1-2 évtizede ez még gyakori megoldás volt A sín két végére ún. lezáróelemet kell(ett) csatlakoztatni Egyetlen kapcsolat megszűnésekor (kábelszakadás) a két hálózat-darab működésképtelenné vált (nem voltak lezáróelemek az új végeken) 7
Hálózatok osztályozása Topológia (folyt.) Gyűrű topológia A sín topológiából alakul ki, a végpontok összekapcsolásával; ezzel zárt lánc jön létre A rendszer elméletileg igen, de gyakorlatilag nem viseli el a kábelszakadást Biztonsági probléma és sebességi kérdés: az adatok minden gépen áthaladnak Két távolabbi gép kommunikációja esetén a köztes gépek is mindent hallanak Csillag topológia Centralizált, van a hálózatban kiemelt csomópont (az előző topológiákkal ellentétben) A központi csomópont általában nem egy normál számítógép, hanem egy erre a célra készített speciális hálózati eszköz (akár: szervergép) Manapság is használatos (kisebb hálózatok esetén legfeljebb néhány tucat csomópontig) Kivitelezése jóval drágább, mint az eddigi topológiáknak Hálózati hiba esetén csak az érintett csomópont esik ki, a hálózat többi része működőképes marad (a központi eszköz nagyon megbízható) 8
Hálózatok osztályozása Topológia (folyt.) Fa topológia Több csillagtopológiás hálózat összekapcsolásával jöhet létre, így több központ is van a hálózaton Manapság gyakori hálózattípus Példa: egy közepes méretű cég irodaházában Itt már lehetnek olyan gépek, amik több csomóponton keresztül érik el egymást, de minden gép között pontosan egy útvonal van, ami meghibásodás esetén probléma lehet A fa analógiára bevezethetők: ágak útvonal, levelek végeszközök Szabálytalan topológia A fa topológia fenti gyengeségén (hiba az útvonalon megszűnik a kapcsolat) további, redundáns kapcsolatok beállításával lehet javítani Nagyobb redundancia esetén a hálózat megbízhatósága nő (alternatív útvonalak) Ez a matematikailag általános gráfként leírható topológia jellemző a nagy hálózatokra és az internetre Teljes topológia Minden csomópontnak közvetlen kapcsolata van minden más csomóponttal Kommunikáció szempontjából ideális lenne, de a gyakorlatban csak kis méretekre építhető meg Egyéb speciális topológiák Célfeladatokra (van egy jellemző kommunikációs minta) 9
Hálózatok osztályozása Adatátviteli közeg A technikai megvalósítás szempontjából lényeges tulajdonság (két fő csoport) Vezetékes Az átlagos felhasználó számára ez csak a letöltési sebesség és az anyagiak miatt lehet érdekes Elektromos vezeték (jellemzően rézből) Egyszerű működési elv, olcsó megvalósítás Hátrányok: a kábelek elektromágneses zavarokra érzékenyek; a maximális átviteli távolság pár száz méter körül van, nagyobb távolságokra jelismétlőket (erősítőket) kell telepíteni A leggyakoribb típus az UTP (Unshielded Twisted Pair árnyékolatlan csavart érpár), ennek 4 pár, egyenként szigetelt vezetéke van (tipikus átviteli sebesség: 100 Mbit/s vagy 1000Mbit/s) Zavarok csökkentése: a páronkénti összesodrás, és kül. mértékben sodorják az egyes párokat Fényátvitelen alapuló vezeték (különböző üvegekből vagy műanyagokból) Sok előny az elektronikus átvitelt használó vezetékekkel szemben Az így továbbított jelek nem érzékenyek külső villamos zavarra (például villámlásra), a fényvezetők nem okozhatnak vill. meghibásodást a csatlakoztatott készülékekben Elektromágneses jellegű lehallgatás optikai kábeleken nem lehetséges (sokkal nagyobb biztonság) A jelek akár 100 kilométeres távolságra is továbbíthatók erősítés nélkül 10
Hálózatok osztályozása Adatátviteli közeg (folyt.) Vezeték nélküli Infravörös Direkt rálátást igénylő kommunikációs forma, a jelek nem képesek falakon, de még kisebb akadályokon sem áthatolni (lásd: távirányítók) Lézer Néhány száz méter, akár néhány kilométer áthidalására alkalmas A lézer terjedését (a fényhez hasonlóan), zavarják a légköri szennyeződések és lebegő anyagok (köd, eső, por) A lézerfény ugyanakkor nem széttartóan, hanem iránytartóan, minimális szóródással terjed Rádióhullám A rádióhullámok antenna által kisugárzott elektromágneses hullámok, fénysebességgel haladnak; kényesek más elektromos berendezések közelségére Terjedési tulajdonságaik frekvenciafüggőek Az alacsony frekvenciájúak minden irányban terjednek és sok akadályon is (pl. épületek) viszonylag jól áthaladnak A nagyfrekvenciás hullámok (100 MHz felett) kevésbé szóródva, szinte egyenes vonalban terjednek (nagyobb távolságnál már a Föld görbülete is probléma magas továbbító tornyok), jól fókuszálhatók, a tereptárgyakról visszaverődnek A mikrohullám (kb. 300 MHz-től 300 GHz-ig) a nagyobb sávszélességű vezeték nélküli komm. tipikus megoldása, régebben igen elterjedt volt (az optikai kábelek megjelenésével és egyre olcsóbbá válásával a szerepe valamelyest csökkent) 11
Hálózatok osztályozása Hálózati modellek a résztvevők rangja Kérdés: milyen viszonyban állnak egymással a hálózat résztvevői? Itt a hardver és szoftver vonatkozások együtt érdekesek Egyenrangú résztvevők (Peer to Peer P2P hálózat) A résztvevők közvetlenül egymással kommunikálnak, bármiféle (magasabb rangú) központi hálózati csomópont nélkül (A P2P fogalmat önállóan, közvetlenül egymáshoz kapcsolódó szoftverekre is szokás használni) Bárki lehet szolgáltató vagy szolgáltatást igénybe vevő szerepben (példa: torrent) A módszer előnyei: skálázhatóság, hibatűrés; hátrányai: pazarló erőforrás-kihasználás, bonyolultabb adminisztráció és megvalósíthatóság Nem egyenrangú résztvevők az eltérő szerepek miatt dedikált (kitüntetett) gépek is vannak a hálózaton Kliens-szerver architektúra Az egymás között egyenrangú kliens számítógépek egy kiszolgáló géphez kapcsolódnak, a kiszolgáló (szerver) gép valamely szolgáltatást nyújt, a kliensek ezt igénybe veszik Többféle egyidejű szolgáltatáshoz akár egy időben több kiszolgáló is működhet Egy kiszolgáló is lehet kliens is valamely más szerver szolgáltatásának vonatkozásában, és hasonlóan, egy kliens is lehet kiszolgáló A kliensek önálló működésre képesek 12
Hálózatok osztályozása Hálózati modellek a résztvevők rangja Nem egyenrangú résztvevők (folyt.) Vékony kliens (terminálszerver) architektúra Hasonlít a klasszikus kliens-szerver megoldásra, de fontos különbség: a terminálszerver kliensei (terminálok, vékony kliensek, buta kliensek ) egyetlen szolgáltatóhoz kapcsolódnak, nem lehetnek kiszolgálók (és saját erőforrásokkal nem rendelkeznek) A vékony kliensek minden igényét/kérését egyetlen szerver, a gazdagép szolgálja ki Működés közben gyakorlatilag mindent (az op. rendszert, annak szoftvereit és a szükséges hardver erőforrásokat is) a gazdagépről vesznek, helyben csak az adatok megjelenítése, adatbevitel, stb. zajlik A felhasználó gyakorlatilag a gazdagépen dolgozik, a vékony kliensben csak minimális hardver (processzor, memória, stb.) és egy nagyon leegyszerűsített operációs rendszer van (tudjon kapcsolódni a terminálszerverhez) A terminálszerveres munkahelyek kialakításának előnyei Az alkalmazások, adatok egy könnyen védhető, biztonságos, megbízható kiszolgálón vannak A felhasználók olcsó, kicsi, keveset fogyasztó, nagyon üzembiztos, de meghibásodás esetén mégis gyorsan kicserélhető, kis helyet foglaló eszközt használhatnak (szűk célszoftverkészlettel; monitor, billentyűzet, egér ugyanúgy csatlakozik hozzájuk). 13
Általános hálózati architektúra Megfigyelés: a hálózat kezelése összetett, és gyakran ismétlődő (részekből álló) feladat Ha nekünk kellene a hálózati működés feltételeit biztosítani hardver és szoftver szinten sokat dolgozhatnánk (fizikai tárolás részletei, biztonságos szállítás stb.) Ötlet: kellene egy egységes koncepció a sok részfeladat ügyes szervezéséhez bontsuk logikailag különböző szintű részekre (rétegekre) a különböző hálózati feladatokat! A részfeladatok között vannak alacsonyabb és magasabb szintűek; ezek meghatározott sorrendben kapcsolódnak egymáshoz Egy réteg igénybe veszi az alatta lévő réteg szolgáltatásait, és jól definiált szolgáltatásokat nyújt a felette lévő rétegnek (a megvalósítás részletei rejtve maradnak más rétegek elől) Protokoll: a rétegek közötti kommunikáció definiált módja A kommunikáció a rétegek csatlakozási felületein, az interfészeken keresztül zajlik; itt kódok és vezérlő információk cserélődnek Valóságos kommunikáció mindig csak a legalsó rétegek között, de a felsőbb rétegek is úgy érzékelik, mintha egy másik, azonos réteggel kommunikálnának Hálózati architektúra: rétegek és protokollok (szabályrendszerek) rendezett halmaza 14
Általános hálózati architektúra Az ISO-OSI modell Az International Standards Organisation (ISO) nevű szabványügyi szervezet az előző elvek alapján készített egy referenciamodellt a (nyílt) rendszerek összekapcsolására (Open System Interconnection) Ezzel kijelölte a hálózatépítés későbbi irányát ISO-OSI modell: a hálózati funkciók rétegekbe szervezésének absztrakt leírása (ajánlás, az egyes rétegek feladatáról); 7 réteg A részletes megvalósítást (implementációt) nem tartalmazza a modell, és az interfészek specifikációjára sem tér ki A rétegek kialakításának szempontjai Különböző absztrakciós szinteket képviseljenek Minimális kommunikáció legyen szükséges a rétegek között Egy rétegbe kevés, jól elkülöníthető (elemi) feladat kerüljön A rétegek száma a többi szempont figyelembe vétele mellett minimális legyen Egy-egy réteg feladata szabványosítható legyen 15
Általános hálózati architektúra Az ISO-OSI modell (folyt.)/rétegek Fizikai réteg: bitfolyam A bitek kommunikációs csatornán történő áthaladásáért felelős Ide tartozik az adatátviteli közeg és csatlakozók kialakítása (pl. milyen anyagú vezetéket, hány lábú csatlakozót használjunk) Adatkapcsolati réteg: keretek Feladata: hibamentes átvitel biztosítása két hálózati eszköz között (ún. keretek továbbítása és nyugtázása) Ebben a rétegben dolgozik a switch és a bridge Hálózati réteg: csomagok A kommunikáló felek között adatcsomagokat továbbít, ehhez meg kell határozni a csomagok közlekedési útját (útvonal-választás, routing router) További funkció az adatáramlás ellenőrzése (torlódásvezérlés, ismétlés) és folyamatosan szükséges hibaellenőrzés is Szállítási réteg: szegmens Megbízható adatvitel biztosítása Viszony réteg: üzenetek Párbeszéd ( felhasználói viszony ) lehetőségének biztosítása a különböző gépek között Lehetőség van szinkronizációs pontok meghatározására, ahova vissza lehet térni hiba esetén Megjelenítési réteg: üzenetek Az átadandó információ szintaktikájával és szemantikájával foglalkozik Feladatok: kódkonverzió (például különböző szabványos kódolások között), titkosítás, tömörítés Alkalmazási réteg: felhasználói szintű üzenetek Feladata: különböző kommunikációs szolgáltatások biztosítása (ezeket veszik igénybe a felhasználók); példák: Fájl-szolgáltatások: fájlátvitel (FTP), archiválás, adatmentés; hálózati erőforrások nyilvántartása Nyomtatószolgáltatások: nyomtatás távoli nyomtatóra; távoli géphasználat (SSH, távoli asztal); böngészők (HTTP) Kommunikációs szolgáltatások; elektronikus levelezés: SMTP, MIME, POP3, IMAP protokollokkal 16
TCP/IP Gyakorlati példa az ISO/OSI modell alkalmazására TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol): az internetet felépítő protokollok precíz szabálydefiníciókkal leírt összefüggő rendszere A TCP/IP sok protokoll összessége, a neve is két fontos protokollból (TCP, IP) adódik Igen sikeres protokoll(halmaz), látjuk, hogy az internet most is jól működik :-) Az ipar és a társadalom más területeken sokkal egyszerűbb szabványosítási törekvéseket sem tudott maradéktalanul megoldani (pl. eltérő vasúti nyomtávok, jobbra ill. balrahajts) Kifejlesztése az 1960-as években kezdődött, de csak 1979-ben jelent meg az első igazán sikeres 4., mai napig széles körben használt verzió (IPv4) Az 5. verzió nem terjedt el Manapság rohamléptekben történik az felkészülés a 6. verzióra (IPv6) A TCP/IP az ISO/OSI modellben leírt réteges felépítésben működik Minden egyes réteg egy jól definiált feladatot lát el, és a rétegek egymás között szintén jól definiált módon kommunikálnak 5 rétegbe szervezi a hálózati kommunikációval kapcsolatos feladatokat modernizált 5-rétegű ISO/OSI modell (a felső 2-2 réteget összevonták) A kommunikációs folyamat áttekintése (fentről lefelé, most: küldő fél feladatai) Alkalmazási réteg Az operációs rendszerek segédprogramjai és különböző felhasználói alkalmazások valósítják meg Itt dolgozó protokollok (pl.): HTTP, FTP, IMAP, POP3, SMTP, DHCP, DNS, SSH, Telnet, BitTorrent, IRC A kapcsolatok azonosítására a portok (kapuk) szolgálnak, a szerver mindig 1-1 porton érkező kéréseket vár, hogy kiszolgálhassa (a szabvány több tízezer ilyen portot engedélyez; TCP és UDP, lásd lent) 17
TCP/IP A kommunikációs folyamat áttekintése (folyt.) 18
TCP/IP A kommunikációs folyamat áttekintése (folyt.) Szállítási réteg Feldolgozza az alkalmazási rétegtől kapott adatokat; kiegészítő információkat (fejléc, header) csatol hozzájuk, ezek tartalmazzák, hogy milyen protokollal történik az adatcsere (legjellemzőbb a TCP és az UDP) A TCP (Transmission Control Protocol) a fölötte álló rétegnek (teljesen) megbízható adatátvitelt biztosít úgy, hogy alatta valójában megbízhatatlan protokoll található Kliens-szerver kapcsolatok kialakítását támogatja; az adatátvitelben nyugtázás történik mindkét oldalon Ellenőrző összeget is számol a csomaghoz (matematikai algoritmussal, így teljes biztonsággal eldönthető egy kódsorozatról, hogy történt-e rajta sérülés az átvitel során) Az UDP (User Datagram Protocol) gyorsabb, azonban adatátvitel szempontjából nem 100%-ban megbízható Tipikusan ott használják, ahol a gyorsaság fontosabb a teljes megbízhatóságnál; ilyen terület a valós idejű (real-time) adatátvitel, pl. online filmnézés, zenehallgatás Ha egy online rádió hallgatásánál bármely okból adatátviteli hiba történik, legfeljebb sercen egyet a hang (ez tolerálható) Hálózati (internet) réteg A szállítási rétegtől kapott adatcsomaghoz újabb fejléc-információt csatol arról, hogy a szállított adat a hálózat mely végpontjának van címezve Ide tartozik az IP protokoll (IPv4 és IPv6) Adatkapcsolati réteg Az átviendő kódokat egyforma, kezelhető méretű darabokra (keretekre) bontja, ehhez újabb fejléc hozzáadása szükséges a visszaállíthatóság miatt Ide tartozó protokollok: PPP, Token-Ring (régebben); Ethernet, IEEE 802.11a /b /g /n közismert nevén: WiFi (manapság) 19
TCP/IP A kommunikációs folyamat áttekintése (folyt.) SZE WiFi (SZEWLAN) Leírás az Egyetemi Informatikai központ lapján 20
TCP/IP A kommunikációs folyamat áttekintése (folyt.) Fizikai réteg A tényleges adatátvitelt végzi a fizikai kommunikációs csatornán (keretek átküldése + kapcsolódó részfeladatok, pl. hibaellenőrzés, esetleges ismétlés) a feljebb levő rétegek már hibamentesnek látják a csatornát Ide tartozó protokollok pl.: RS-232, 10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-TX A számítógépek kommunikációjához szükséges fizikai és logikai címrendszer MAC address IPv4 és IPv6 szabvány (Mindezt részletesebben lásd: jegyzet, internetes slidesor., ill. gyakorlat) Külön köszönet: Boros N. és Fülep D. kollégáimnak 21
Zh kérdés minták 22
Zh kérdés minták 23