Po prostu o sieciach

Żeby mieć serwer, trzeba mieć najpierw sieć. Można ją zbudować z wielu różnych elementów i na wiele sposobów. Tylko cel pozostaje zawsze ten sam. Sieć ma dostarczać do naszego stanowiska pracy wszystkie możliwe narzędzia i usługi, które pracę tę będą ułatwiać.

Żeby mieć serwer, trzeba mieć najpierw sieć. Można ją zbudować z wielu różnych elementów i na wiele sposobów. Tylko cel pozostaje zawsze ten sam. Sieć ma dostarczać do naszego stanowiska pracy wszystkie możliwe narzędzia i usługi, które pracę tę będą ułatwiać.

Dostarczanie narzędzi i usług to zadania pakietu SBS 2003. Natomiast zbudowanie platformy sprzętowej, na której system będzie działał, należy całkowicie do nas (pomijając, oczywiście, możliwość zlecenia tej pracy komuś innemu). Poniżej zamieszczamy krótki wstęp do zagadnień budowy sieci komputerowych.

Sieci lokalne Ethernet

Najbardziej rozpowszechnionym standardem sieci lokalnych jest Ethernet, który definiuje zarówno zasady łączenia urządzeń, jak i przesyłania danych. W swojej już dość długiej - jak na skalę komputerową - historii standard stale ewoluował, a szybkość transmisji wzrastała, przy czym ostatnio są to zmiany nawet o rząd wielkości.

Obecnie sieci ethernetowe buduje się, wykorzystując kable miedziane i światłowody. Kable miedziane stosuje się zazwyczaj w sieciach lokalnych, gdzie króluje skrętka, czyli kabel złożony z czterech par skręconych przewodów. Skrętka jest wygodna, ponieważ kabel jest elastyczny i można go prawie dowolnie układać. Jednocześnie łatwo podłącza się urządzenia za pomocą tych kabli, ponieważ są to zwykłe połączenia elektryczne, które przypominają rozwiązania stosowane w telefonii analogowej. Światłowody mają trochę większe wymagania. Nie można ich zginać (bo albo pękną, albo światło się źle odbije), a do przycinania konieczne są specjalne narzędzia. Również same końcówki są bardziej skomplikowane i dużo droższe. Jednak za pomocą światłowodów łatwiej osiągać szybsze transmisje, a ze względu na mniejsze straty sygnał można przesłać na większą odległość (2 km), podczas gdy skrętka umożliwia przesyłanie danych tylko na odległość 100 m. Skrętka jest też łatwiejsza do podsłuchania i bardziej podatna na zakłócenia. Niemniej to właśnie cena i wygoda zadecydowały o jej powszechnym stosowaniu w sieciach lokalnych. Obecnie większość sieci Ethernet pracuje z prędkością 100 Mb/s, a powoli standardem staje się Gigabit Ethernet, w którym dane przesyłane są z prędkością 1000 Mb/s.

Rys. 1. Najbardziej rozpowszechnione sieci Ethernet mają strukturę gwiazdy, mimo że w rzeczywistości przekaźnik komunikacyjny stanowi jedną wspólną, wielodostępną szynę do transmisji danych.

Rys. 1. Najbardziej rozpowszechnione sieci Ethernet mają strukturę gwiazdy, mimo że w rzeczywistości przekaźnik komunikacyjny stanowi jedną wspólną, wielodostępną szynę do transmisji danych.

Topologia sieci, a więc sposób łączenia ze sobą urządzeń, w przypadku Ethernetu ma strukturę gwiazdy. Komputery i inne urządzenia sieciowe podłącza się do wspólnego węzła. Każda komunikacja między dwoma urządzeniami przechodzi więc przez ten centralny punkt. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby węzły były urządzeniami końcowymi innych węzłów. W ten sposób można zbudować hierarchiczną strukturę, która łączy ze sobą wiele pojedynczych struktur gwiaździstych i sama ma strukturę gwiazdy. W takim przypadku sygnał wysłany z jednego komputera, zanim dojdzie do drugiego, może przejść przez wszystkie węzły, ale nie musi - to zależy od odległości między komputerami. Jeśli znajdują się w obrębie jednego węzła, będzie on jedynym pośrednikiem w transmisji.

Zanim przejdziemy do omawiania urządzeń sieciowych, konieczne jest wyjaśnienie pojęcia segmentu sieci oraz poznanie sposobu, w jaki urządzenia komunikują się ze sobą w jego obrębie. Otóż segment jest to fragment sieci ograniczony ze względu na maksymalną odległość między dwoma urządzeniami, a także maksymalną liczbę urządzeń pośredniczących. Ograniczenia te wynikają z fizycznych cech stosowanych przewodów i sygnałów oraz zasad komunikacji. W Ethernecie wszystkie urządzenia są równouprawnione, jeśli chodzi o dostęp do transmisyjnego kabla. Każde urządzenie może w dowolnym momencie zacząć nadawać dane. Może zatem dojść do kolizji, gdy dwa urządzenia zaczną nadawać w tym samym momencie. Jeżeli tak się zdarzy, każde odczeka chwilę (czas dobierany jest losowo) i spróbuje ponownie. Co więcej, ponieważ wszystkie urządzenia podłączone są do tego samego kabla, to każde może odbierać wszystkie przesyłane w sieci informacje. Mówimy tu jednak na razie o odbieraniu sygnałów elektrycznych. Za chwilę przekonamy się, że możliwość ta jest różnymi sposobami ograniczana.

Rys. 2. Mosty przekazują ramki z jednej sieci do drugiej i są przezroczyste dla transmisji danych. Komunikujące się komputery nie mogą stwierdzić, że są podłączone do dwóch różnych sieci.

Rys. 2. Mosty przekazują ramki z jednej sieci do drugiej i są przezroczyste dla transmisji danych. Komunikujące się komputery nie mogą stwierdzić, że są podłączone do dwóch różnych sieci.

Teraz możemy się przyjrzeć urządzeniom sieciowym. Pomijając karty sieciowe zainstalowane w komputerach, jednym z najprostszych urządzeń sieciowych jest hub. Pełni funkcję węzła, do którego podłącza się pozostałe urządzenia. Zasada działania huba jest prosta. Po otrzymaniu dowolnego sygnału na jednym z portów (port rozumiemy na razie jako gniazdo, które stanowi jednocześnie wejście i wyjście sygnału, natomiast później, podczas omawiania protokołów sieciowych, port będzie miał inne znaczenie), wysyła ten sygnał do wszystkich pozostałych portów. Można sobie wyobrazić, że wszystkie gniazda są ze sobą po prostu zwarte.

Do zbudowania najprostszej sieci Ethernet, w której działają co najmniej trzy komputery, oprócz trzech kart sieciowych potrzebny jest właśnie hub (dwa komputery można ze sobą połączyć bez huba specjalnym, tzw. skrosowanym kablem). Skoro już mamy sieć, spójrzmy, w jaki sposób urządzenia przesyłają do siebie dane.

Adresy MAC, pakiety i ramki

Każde urządzenie końcowe sieci Ethernet ma przypisany unikatowy 48-bitowy adres. Jest to tzw. adres MAC. Producenci sprzętu numerują każdy egzemplarz swojego urządzenia w ramach przyznanej im puli numerów, co zapewnia, że numery są unikatowe w skali światowej. Może się wydawać, że nie jest to konieczne, ponieważ jedna sieć Ethernet i tak nie oplotłaby całej Ziemi, ale przecież może się zdarzyć, że w jednej sieci znajdą się urządzenia produkowane na dwóch końcach świata.

Jeżeli za jednostkę informacji przyjmiemy pojedynczy bit, to pakietem nazwiemy ciąg bitów o określonej długości. Ogólnie rzecz biorąc, pakiet to porcja danych. Jednak w przypadku Ethernetu zamiast pakietu stosuje się pojęcie ramki. Urządzenia sieciowe przesyłają więc między sobą ramki. Oprócz informacji ramka zawiera też adres nadawcy i adres odbiorcy. Są to wspomniane adresy MAC.

Karty sieciowe w komputerach mają więc przypisane unikatowe adresy IP i mogą przesyłać do siebie ramki informacji. Jedynym warunkiem jest znajomość adresu odbiorcy, ponieważ karty sieciowe w domyślnym trybie pracy odbierają tylko ramki dla nich przeznaczone. Pozostałe ramki są odbierane przez kartę, ale nieprzekazywane do komputera - zostają pominięte. Wyjątkiem jest rozgłaszanie, czyli wysyłanie ramki do wszystkich odbiorców. W takim razie jako adres odbiorcy w ramce wpisany jest tak zwany adres rozgłoszeniowy, co powoduje, że każda karta sieciowa (znów w domyślnej konfiguracji) odbierze taką ramkę.

Zatem po sieci krąży wiele ramek, a każde urządzenie odbiera tylko te, które są do niego przeznaczone.

W małej sieci nie sprawia to żadnego problemu, ale w bardziej złożonych konfiguracjach może być przyczyną zbędnego ruchu. Ramki będą trafiać również do tych węzłów sieci, do których nie jest podłączony odbiorca. Rozwiązaniem problemu są przełączniki, czyli następne - stojące w hierarchii zaraz po hubach - urządzenia sieciowe.

Przełączniki charakteryzuje to, że odbierane przez nie ramki nie są rozsyłane do wszystkich innych urządzeń. Przełącznik, odbierając ramkę, sprawdza jej adres odbiorcy i przekazuje tylko do tego portu, który prowadzi do odbiorcy. Tylko skąd przełącznik wie, do którego portu podłączony jest dany odbiorca? Rzeczywiście na początku nie wie, ale na podstawie obserwacji adresów nadawcy nadchodzących ramek z czasem buduje tablicę wiążącą poszczególne porty z adresami komputerów. W efekcie przełączniki łączą ze sobą tylko nadawcę i odbiorcę, a zatem zmniejszają zbędny ruch w sieci. Dodatkowo transmisja wykorzystująca dwa wybrane porty przełącznika nie blokuje transmisji w pozostałych portach. Sieć z przełącznikami, w przeciwieństwie do sieci opartej na hubach, umożliwia równoległe komunikowanie się wielu urządzeń.


Zobacz również