Hálózati alapok 1 / 12 1. Számítógép hálózatok felépítése, alapelemei A számítógép hálózatok célja a felhasználói számítógépek közötti kommunikáció megvalósítása. Ezeket a számítógépeket nevezik host-nak. A hostok úgynevezett alhálózatokon keresztül kommunikálnak egymással. Az alhálózat lehet telefonvonal, de lehet olyan áramkörök összessége, amelyek képesek tárolni az üzeneteket, és kiválasztani a legmegfelelőbb útvonalat az információ célbajuttatásához. Az információk továbbításához szükség van valamilyen átvivő közegre is, amely fizikailag továbbítja a kódolt információt. Legegyszerűbb esetben az átvivő közeg valamilyen vezeték. Az összetett hálózaton való információ továbbításhoz szükség van még kapcsoló elemekre is, amelyek két vagy több átviteli vonal kapcsolását végzik. Ezeket együttesen IMP-nek (Interface Message Processors interfész üzenet feldolgozóknak) nevezik. Az IMP lehet egy számítógép is, de lehet különálló speciális berendezés is, mint repeater, HUB, bridge, router, gateway. Ezeknek a szerepére a későbbiekben még visszatérünk. 2. Alapfogalmak Host (gazdagép): A hálózat adta lehetőségek használói, gyakorlatilag a felhasználók számítógépei, alkalmazói programok futtatására. A hálózaton váltanak üzeneteket a host-ok. Átviteli vonalak: áramkörök (circuits), csatornák (chanels) Kapcsolóelemek: Interface Message Processors (IMPs), amelyek két vagy több átviteli vonal kapcsolását végzik Kapcsoló gépek: A kapcsológép (node) olyan számítógép, amely több átviteli vonalhoz kapcsolódik. Feladata az üzenetek irányítása (forgalom irányítás) ill. csomagolt (packet) üzenet elemek továbbítása. Protokoll: Szabályok halmaza, melyek két szeparált elem (entitás) közötti adatcserét szabályozzák (2 elem társalgásához ua. a "nyelvet" használni!) Ebben konvenciók a kommunikáció tárgyáról, az időzítésekről (sebesség, sorrendiség stb.), hogyanjáról stb. A protokolloknak van szintaxisa, szemantikája. Protokoll a társ-entitások között (peer-entities) van! Interfész: Két réteg között. Leírja az alsó réteg által nyújtott szolgálatokat, az ezek kéréséhez szükséges adatokat és vezérlő információkat, a szolgálatok eredményét adó információkat, ezek "hogyanját" is. Referencia modell: A rétegek ajánlott számát, a rétegek funkcióit adja meg, de nem határoz meg konkrét protokollokat és interfészeket! => ISO/OSI Hálózati architektúra: Rétegek és protokollok halmaza, ami már elég információ az implementáláshoz. Maga az implementáció azonban nem része, még az interfészek specifikációja sem! Hálózati hardver elemek:
Hálózati alapok 2 / 12 Egy gazdagép a médiumra kapcsolódik Hálózati kártyák, kontrollerek (adapterek) Modemek Media Connectors (pl. UTP) Több szegmens öszekapcsolására Jelismétlők (repeaters), egyik portján jön, azt helyreállítva továbbküldi a másik portján Hubok, elosztók, többportos jelismétlők passzív (csak összeköt) aktív (összeköt és regenerálja, erősíti a jeleket) intelligens (+ még ösvényt választ. Akkor miért nem híd?) Hidak (bridges), két fizikailag, vagy topológiailag eltérő hálózat közötti összeköttetést valósítja meg. Amennyiben az egyik hálózatról a másikra szóló üzenet a bridge- re érkezik akkor átküldi a másik hálózatra. Kapcsolók (switch-ek), több portos bridge, amelyik csak a célállomás portján továbbítja a csomagokat Nyalábolók (multiplexerek) Több hálózat összekapcsolására Útvonalválszatók (routers), egy forgalomirányító csomópont, amelynek feladata, hogy meghatározza azt a csomópontot, ahová az üzenetnek kell kerülnie amennyiben a hálózat egy másik LAN-hoz, vagy WAN-hoz kapcsolódik. Mivel főleg világhálózat esetén több csomóponton halad át az üzenet, a router megpróbálja kiválasztani a legmegfelelőbb útvonalat, amin a csomag továbbmegy, ehhez két címet használ, az egyik a célcím, a másik pedig a legközelebbi csomópontcím. Brouters (router+bridge funkció is) Hálózati szoftver elemek: Firmware: Az IMP-ken futó szoftverek rendszerint firmware-ek, vagyis a PC-k BIOS-ához hasonlóan EPROMokba beégetett programok, amelyek csak lehetővé teszik a kommunikáció megvalósítását. Driver: A hálózati csatolók (hálózati kártyák) kezeleőprogramjai, enélkül nem tudná kezelni az operációs rendszer a hálózati interfészt. Operációs rendszer: Olyan szoftver gyűjtemény, amely az ember számára is kezelhetővé teszi a számítógépeket. A mai operációs rendszerek már rendelkeznek hálózati támogatással, kezelnek bizonyos elterjedt protokollokat. Alkalmazás: Az operációs rendszerek már biztosíthatnak bizonyos kommunikációs lehetőségeket, de igazából a számítógépen futtatható hálózati alkalmazások azok, amelyeken keresztül a felhasználó kihasználhatja a hálózat nyújtotta szolgáltatásokat. Szerver: Olyan számítógép, amelyik különböző hálózati szolgáltatásokat (Web szerver, FTP szerver) nyújt a hálózaton lévő többi számítógép számára. Kliens: Olyan számítógép, amely a hálózaton keresztül veszi igénybe a szerverek szolgáltatásait. Egyenrangú hálózatok: A hálózaton lévő számítógépek egyben szolgáltatásokat is nyújtanak más gépek számára, de használják is más gépek szolgáltatásait.
Hálózati alapok 3 / 12 3. Réteges kommunikáció 4. ISO/OSI modell 5. 802 szabvány felépítése: 802.1 Keretszabvány: bevezetés, fogalmak, interfész, primitívek meghatározása 802.2 LLC szabvány (logikai kapcsolat vezérlés) LLC 802.3 CSMA/CD Alapsávú koax 802.4 Token Bus Szélessávú koax Sodrott érpár 802.5 Token Ring Optikai kábel MAC Adatkapcsolati alrétegek Fizikai Fizikai réteg
Hálózati alapok 4 / 12 6. 802.3 Adat beágyazás/feltárás A küldő állomás adatbeágyazást végez, ami az LLC rétegtől érkező átviteli kerethez, az átviendő adatblokk elejéhez és végéhez kiegészítő információk hozzácsatolásáról gondoskodik. Ezeket az információkat a következő feladatok végrehajtására használják: A vevőállomás szinkronizálása A keret kezdetének és végének határolása A küldő- és fogadóállomások címeinek azonosítása Az átviteli hibák jelzése A keret vétele után az LLC alréteghez továbbítás előtt a vevőállomáson adatfeltárási funkció gondoskodik a rendeltetési állomás címének felismeréséről (megegyezik-e az állomás címmel), a hibaellenőrzésről, majd mindazon kiegészítő vezérlőinformáció eltávolításáról, amelyet az adatbeágyazási funkció adott hozzá a küldő állomáson. A MAC alréteg szinten lévő adatbeágyazás, az LLC adatblokkot információval egészíti ki. Ezzel egy új adatblokk jön létre, amelyet átviteli keretnek, illetve egyszerűen keretnek nevezünk, és ez jut a hálózatra. A vételi oldalon a MAC alrétegen lévő adatfeltárás funkció a keretről eltávolítja a hozzáadott információt, utána az így létrejött LLC protokoll adatblokkot (PDU) továbbítja az LLC alréteghez. 7. 802.3 Közeghozzáférés szervezés A küldő állomáson a közeghozzáférés szervezés gondoskodik annak meghatározásáról, vajon az átviteli közeg használható-e (felhasználva a fizikai réteg szolgáltatásait), és ha igen, akkor inicializálja az átvitelt. Ez a funkció azt is eldönti, milyen folyamatokat működtessen, ha ütközést észlel, és ha újraindítást kísérel meg. A fogadó állomáson a közeghozzáférés szervezés ellátja a keret érvényességi ellenőrzését, mielőtt továbbadná az adatfeltárási funkciónak. A közeghozzáférés szervező a keretadás indítása után folytatja a közeg felügyeletét. Ha két állomás ugyanabban az időben kezd el adni, akkor a jelek össze fognak ütközni, összekeveredést eredményezve. Amikor az adóállomás észleli az ütközést, abbahagyja az adatküldést, és kiküld egy zavaró jelet. A zavarójel biztosítja, hogy mindegyik hálózati állomásütközést észleljen. Azok az állomások, amelyek adtak, abbahagyják az adatküldést, várnak egy ideig, és ha a közeg szabad, a keret újraadását kezdeményezik. Egy állomásnak addig kell hallgatnia, ameddig biztos nem lesz, hogy az ütközés megszűnt. Ez az időtartam változó, attól függ, hogy az alkalmazott átvitel alapsávú vagy szélessávú. Mindkét esetben arra kell figyelni, hogy a jel terjedése időt vesz igénybe, és az ütközésjelnek el kell jutnia mindkét adóállomáshoz. Az ütközés észlelését jelentő maximális idő a minimális keret méretét határozza meg, mivel egy állomásnak az ütközés észleléséhez elegendő ideig kell adnia. Az ütközés utáni várakozási időt visszatérési késleltetésnek is nevezik. Ez a késleltetés annak az időnek a véletlen számú többszöröse, amely a hálózat egyik végétől elinduló jel másik végéig és vissza haladása során telik el. A várakozási idő meghatározásához a CSMA/CD szabvány a kettes hatványa szerinti visszatérésként ismert módszert alkalmazza. Ennek lényege, hogy ütközés után minden állomás egy véletlen számot generál, amelynek értéktartománya minden ütközés után exponenciálisan nő. Vagyis az első újraadási kísérletnél 0-1, a másodiknál 0-3, a harmadiknál 0-7, stb. A 16. sikertelen adás hibafeltételt állít be. Az exponenciális visszatérés eredményeképpen, ha a hálózat forgalma kicsi, az újraadások előtt minimális késési idő lép fel. Ha a forgalom nagy, az ismételt ütközések a számtartomány növekedését okozzák, ezáltal csökkentve az újbóli ütközések esélyét. 8. Ethernet 1972-vel kezdődően a Xerox Corporation Palo Aito Research Center (PARC, Palo Alto-i Kutató Központ) elkezdte az Experimental Ethernet (kísérleti Ethernet) néven ismert LAN rendszer fejlesztését. A fejlesztés
Hálózati alapok 5 / 12 nagyon jól sikerült, és mára már nagyon sok Ethernet hálózatot installáltak. A korai Ethernet speciflkáció lényegesen hozzájárult az IEEE 802.3 szabvánnyal kapcsolatban végzett munkájához, amely defmiálta a CSMA/CD hozzáférés-vezérlési módszert. Később a Digital Equipment Corporation, az Intel Corporation és a Xerox Corporation közösen határozta meg az Ethernet specifikációt, amely lényegében kompatibilis az IEEE 802.3-as szabvánnyal. Az Ethernet az IEEE 802-hoz hasonlóan több fizikai közeget is definiál: Elnevezés Kábel fajtája Max. hossz (jelerősítés nélkül) 10Base2 Vékony koax (50 ohm) 185 m 10Base5 Vastag koax (50 ohm) 500 m 10BaseT UTP 100 m 10BaseF Üvegszál > 1000 m Az átvitel az üvegszálas kivételével alapsávú. 9. Csavart érpár A csavart, vagy más néven sodrott érpár (Unshielded Twisted Pair UTP) két szigetelt, egymásra spirálisan felcsavart rézvezeték. Ha ezt a sodrott érpárat kívülről egy árnyékoló fémszövet burokkal is körbevesszük, akkor árnyékolt sodrott érpárról (Shielded Twisted Pair STP) beszélünk. A csavarás a két ér egymásra hatását küszöböli ki, jelsugárzás nem lép fel. Általában több csavart érpárt fognak össze közös védőburkolatban. Ma már akár 100 Mbit/s adatátviteli sebességet is lehet ilyen típusú vezetékezéssel biztosítani. Alkalmasak mind analóg mind digitális jelátvitelre is, áruk viszonylag alacsony. Az UTP kábelek minősége a telefonvonalakra használtaktól a nagysebességű adatátviteli kábelekig változik. Általában egy kábel négy csavart érpárt tartalmaz közös védőburkolatban. Minden érpár eltérő számú csavarást tartalmaz méterenként, a köztük lévő áthallás csökkentése miatt. A szabványos osztályozásuk: Típus (kategória) Cat 1 Cat 2 Cat 3 Cat 4 Cat 5 Felhasználási terület Hangminőség (telefon vonalak) 4 Mbit/s-os adatvonalak (Local Talk) 10 Mbit/s-os adatvonalak (Ethernet) 20 Mbit/s-os adatvonalak (16 Mbit/s Token Ring) 100 Mbit/s-os adatvonalak (Fast Ethernet) A kategóriák közötti közötti egyetlen lényeges különbség a csavarás sűrűsége. Minél sűrűbb a csavarás, annál nagyobb az adatátviteli sebesség és a méterenkénti ár. Az UTP kábeleknél általában az RJ-45 típusjelű telefoncsatlakozót használják a csatlakoztatásra. Előnye könnyű szerelhetősége, struktúráltsága, egyszerű bővíthetősége. Hátránya zajérzékenysége, limitált sávszélessége valamint lehallgathatósága.
Hálózati alapok 6 / 12 10. Koaxiális kábelek Középen általában tömör rézhuzal található, ezt veszi körül egy szigetelőréteg, majd erre jön az árnyékolás (tipikusan fonott rézhuzal harisnya). Jellemzője a hullámimpedancia, ezzel kell lezárni mindkét végét, hogy ne legyen jelvisszaverődés. Szabványos hullámimpedanciák az 50, 75, 93 Ohm. Lehet alapsávú és szélessávú átvitelre is használni. Az 50 Ohm-os kábel két változatban is készül, vékony és vastag kivitelben. A vékony koaxiális kábelnél rendszerint BNC csatlakozókat használnak a csatlakoztatáshoz, a vastag kábelnél pedig speciális úgynevezett vámpírcsatlakozókat. A vámpírcsatlakozó a kábelre kívülről rásajtolt csatlakozó, amely a rásajtoláskor úgy szúrja át a kábel szigetelését, hogy a külső árnyékolással és a belső vezetékkel is önálló elektromos érintkezést biztosít. Előnye nagy sávszélesség, nagy távolság, zajérzéketlenség. Hátránya lehallgathatósága valamint a kiépítési struktúrából adódó sérülékenysége és nehézkes szerelhetősége. Szélessávú átvitelnél komoly szaktudást igényel telepítése és karbantartása. 11. Üvegszálas kábelek Az információkat egy üvegszálban haladó fénysugár megléte vagy hiánya hordozza. A fény a szál belsejének és külsejének eltérő törésmutatója miatt nem tud kilépni. Előnye érzéketlen az elektromágneses zavarokra, nincs földpotenciál probléma, nagy sávszélesség, erősítés nélkül igen nagy távra vihető, nem hallgatható le. Hátránya drága, nehéz javítani és megcsapolni. 12. Vékony Ethernet hálózat jellemzői (10Base2) Az alkalmazott kábel RG58 jelű, nevét onnan kapta, hogy vékonyabb, mint a 10Base5 típusú vastag kábel. Az állomások összekapcsolására busz topológiát alkalmaznak. A felfűzés T csatlakozók segítségével történik úgy, hogy a T dugó egyik vége a hálózati kártyákra csatlakozik, a másik két végére pedig a szomszédos állomások kábelei csatlakoznak. A kábelek csatlakoztatására BNC csatlakozót alkalmaznak. A két szélső állomás után a végpontokat a kábel hullámellenállásával (50 ohm) le kell zárni. Egy ilyen lezárt kábelszakaszt neveznek egy szegmensnek, melynek maximális mérete lehet 185 m. Egy hálózaton belül 5 szegmenst alkalmazhatunk, melyek összekötése jelismétlők (repeater) segítségével valósítható meg. A repeater egy fizikai rétegbeli eszköz, amely mindkét irányból veszi, felerősíti és továbbítja a jeleket. A hálózat szemszögéből az ismétlőkkel összekötött kábelszegmensek egyetlen kábelnek tekinthetők. Egy szegmensre maximum 30 munkahely csatlakoztatható. A megengedett legrövidebb kábelhossz két pont között 0,5 m. A hálózat átviteli sebessége elméletileg 10 Mbit/s. Kialakítása egyszerű és olcsó.
Hálózati alapok 7 / 12 BNC connector No drop cable use for office LAN What is its benefit since length < 500m? 0.25 Coax BNC T-connector NIC maximum segment length=185m maximum number of stations per segment=30 minimum distance between two stations = 0.5 m maximum network distance between two stations = 925 m 13. Vastag Ethernet hálózat jellemzői (10Base5) Itt is busz topológiát használnak, az állomások csatlakoztatása azonban úgynevezett vámpír csatlakozók segítségével történhet. A kábelbe egy rendkívül pontos mélységű és szélességű lyukat fúrnak, melynek a rézmagban kell végződnie. Ebbe a lyukba kell becsavarni egy speciális csatlakozót (ez a vámpír csatlakozó), amelynek végül is ugyanaz a célja, mint a T csatlakozónak, csak nem kell megszakítani a kábelt. Ilyenkor a kábelre a vámpír csatlakozóhoz egy adó-vevőt (transceiver vagy MAU) is illeszteni kell, amihez csatlakoztatott kábel köti össze az adó-vevőt a számítógépben lévő illesztő kártyával. Az adó-vevő kábel (AUI) legfeljebb 50 m hosszú lehet, és öt különállóan árnyékolt sodrott érpárt tartalmaz. A MAU csatlakozója (Canon DB-15) négy szimmetrikus jeláramkört, tápellátást és földelést szolgáltató vezetéket tartalmaz. A jeláramkörök két jelvezetékből (A és B) és az árnyékolásukból (S) állnak. A szegmens hossza 500 m lehet, a kábelvégeket ebben az esetben is le kell zárni. Itt is maximum 5 szegmens alkalmazható, amelyeket repeaterek segítségével kapcsolhatunk össze. Egy szegmensre maximum 100 munkaállomás csatlakoztatható. A csatlakozások azonban csak 2,5 m-enként, úgynevezett markerekkel jelölt pontokban helyezhetők el. A munkaállomás a transceiver-ektől maximum 50 m-re lehet. A teljes hálózat hossz 2500 m lehet. A hálózat átviteli sebessége itt is elméletileg 10 Mbit/s. Kialakítása nehezebb és drágábbak az eszközök, a nagyobb kiterjedésű és bonyolultabb hálózatok építési módja volt.
Hálózati alapok 8 / 12 tap : cable does not need to be cut transceiver : send/receive, collision detection, electronics isolation AUI : Attachment Unit Interface Use for backbone networks maximum segment length=500m maximum number of stations per segment=100 0.5 Coax vampire tap BNC connector transceiver AUI cable minimum distance between two stations = 2.5 m NIC maximum network distance between two stations = 2.8km 14. UTP Ethernet hálózat jellemzői (10BaseT) Lényegében csillag alakú topológia valósul meg, mivel minden állomás a HUB-hoz (gyakorlatilag repeater) csatlakozik. A kábelek csatlakoztatására RJ45 típusjelű (telefoncsatlakozóhoz hasonló) csatlakozót alkalmaznak. Az állomás a HUB-tól maximum 100 m-re lehet. A struktúrált kábelezés ideális eszköze. Ma már az eszközök is olcsóak, így széles körben ezt a módszert alkalmazzák, Cat5 kábelen 100Mbit/s átvitel is megvalósítható. hub Medium Dependent Interface (MDI), RJ45 maximum segment length = 100m NIC
Hálózati alapok 9 / 12 15. Többszegmenses Ethernet LAN hub 10Base2 - Thin Ethernet bridge hub router 10BaseT-Twisted pair 10Base5 - Thick Ethernet server 16. UTP Ethernet hálózatok elemei: fali kábel UTP, tipikusan CAT5, 305m-es hoszban, egy dob-ra feltekerve kapható csatornák fali kábelek elhelyezésére, ma már a tervezésnél figyelembe veszik, így sok helyen már nem a falon kívül, hanem a falon belül futnak aljzat többféle gyártó, eltér a szerelési mód (krimpel, beszúr) fali aljzat többféle gyártó, eltér a szerelési mód (krimpel, beszúr) kábelrendező panel (patch panel) fali kábelek végpontja aljzatokkal
Hálózati alapok 10 / 12 utp dugó RJ45 patch kábelek végén patch kábel UTP CAT5, mindkét végén beöntött UTP dugóval, különböző méretben (0,5m, 1m, 2m 3m, 5m, 10m) készen kaphatók HUB aktív elosztó eszköz, gyakorlatilag több portos jelismétlő (repeater) Switch aktív kapcsoló eszköz, kinézetre olyan, mint a HUB, csak működésben tér el egy kicsit, tipikusan 4, 5, 8, 16, 24, 48 portos kivitelben kaphatók Router aktív irányító eszköz, tipikusan 2-4 port-al rendelkezik Fali szekrény a hálózati kábelek és aktív eszközök zárható gyűjtőhelye Rack szekrény a hálózati kábelek és aktív eszközök zárható gyűjtőhelye Szerver akár egy egszerű PC is lehet, csak szerepe szerint különböztetjük meg
Hálózati alapok 11 / 12 Kliens felhasználók által használ gépek 17. Patch kábel készítése: A jelenlegi hálózatoknál (100BaseT) a 8 db érből csak 4-et használunk, az 1,2,3,6-os ereket. A Gigabites hálózatoknál (CAT5, CAT6) már mind a 8 érre szükség van. Kétféle patch kábelről beszélünk: Egyenes (straight) a kábel két végén ugyanolyan módon kötjük be a csatlakozóba a kábelt A --------- A vagy B --------- B módon. Kereszt (crossover) a kábel két végén ellentétesen kötjük be A --------- B vagy B --------- A módon. Általában egyenes kábeleket használunk, kivétel, ha közvetlenül két számítógépet, vagy két HUB-ot kötünk össze.
Hálózati alapok 12 / 12 18. Kábelezés A huzalozási központ egy olyan helyiség, amit kifejezetten arra a célra terveztek, hogy egy helyi hálózatban (LAN-ban) levő eszközök összekötésére használt vezetékek és huzalozási berendezések központi kapcsolódási pontja legyen. Ez a középpontja a csillag topológiának. A huzalozási központban általában a következő berendezések találhatók: kábelrendező panelek, hubok, hidak, kapcsolók és forgalomirányítók. Nagy hálózatok esetében nem ritka, hogy több huzalozási központot használnak. Ekkor rendszerint az egyik huzalozási központ a központi kábelrendező (MDF) szerepét tölti be. Az összes többi kábelrendező, vagyis a közbülső kábelrendezők (IDF) a központi kábelrendező (MDF) alárendeltjei. Ezt a fajta topológiát nevezzük bővített csillag topológiának.