Učivo

Malá domáca sieť: Z pravidla jedna bytová jednotka, alebo dom, zvyčajne pripojená do internetu providerom.

Malá firemná sieť: Veľkosťou pripomína domácu sieť. Pripojených je však väčší počet koncových zariadení.

Stredná/Veľká počítačová sieť: Sieť veľkosti budovy. Školy, banky, úrady, veľké firmy, obchodné domy a i.

Celosvetové siete: Siete veľkého geografického rozsahu. Tvorené spájaním hore uvedených troch sietí.

Klient – server

Klient/server opisuje vzťah medzi dvoma počítačovými programami, z ktorých jeden, klient, odošle požiadavku na službu z druhého programu, servera, ktorá požiadavku splní.

Príklady:

• Klient: PC, notebook, telefón, tlačiareň a i.
• Server: Web server, File server, E-mail server a i.

Peer to peer

Predstavuje spojenie dvoch prepojených koncových staníc. Každá stanica je v úlohe aj servera aj klienta a sú si navzájom rovnocenné.

Príklady: Torrentové služby, Skype.

Koncové zariadenia: Sú to zariadenia schopné pripojiť sa do počítačovej siete, napríklad PC, notebook, mobil, tlačiareň, televízor. V dnešnej dobe sem patria aj inteligentné spotrebiče ako chladničky, práčky či hodinky.

Medziľahlé zariadenia:

• Router (smerovač): Zariadenie pracujúce na sieťovej vrstve TCP/IP modelu. Slúži na smerovanie IP paketov medzi sieťami.
• Switch (prepínač): Zariadenie pracujúce na linkovej vrstve TCP/IP modelu. Prepína tok dát v lokálnej sieti (LAN).

Médiá v sieti:

• Metalické káble: Najčastejšie TP (Twisted Pair) káble, ktoré prenášajú dáta pomocou elektrických signálov.
• Optické káble: Prenášajú dáta pomocou svetla.
• Bezdrôtové médiá: Prenos dát prebieha vzduchom, napríklad pomocou Wi-Fi.

Sieťová topológia je spôsob usporiadania uzlov a prepojení v sieti tak, aby tvorili funkčný celok.

Fyzická topológia určuje skutočné fyzické zapojenie zariadení a ich rozmiestnenie v priestore.

Príklady fyzických topológií:

• Zbernicová
• Kruhová
• Hviezda
• Mriežka
• Zmiešaná

Logická topológia určuje spôsob, akým sa v sieti šíria dáta.

Spôsoby šírenia dát:

• Unicast: jednosmerné vysielanie
• Multicast: viacsmerné vysielanie
• Broadcast: všesmerné vysielanie

LAN (Local Area Network): Sieť menšieho rozsahu s vysokými rýchlosťami. Zvyčajne ju vlastní a používa jedna organizácia, napríklad domáca alebo firemná sieť.

WAN (Wide Area Network): Sieť veľkého geografického rozsahu, ktorá prepája vzdialené lokality. Používateľ si ju zvyčajne prenajíma od poskytovateľa služieb (service provider).

Iné typy sietí:

• PAN: Personal Area Network
• MAN: Metropolitan Area Network
• SAN: Storage Area Network

Možnosti pripojenia do internetu:

• Dial-up (telephone)
• DSL
• Káblové pripojenie
• Celulárne pripojenie (bunkové) – WIFI, mobilné siete
• Satelitné pripojenie

Konvergencia (Spájanie sietí)

Siete donedávna existovali v oddelenej forme (oddelené siete). Jedným médiom bola prístupná len jedna služba (telefón, televízia, internet). Dnešný trend vedie k takzvanej konvergencii sietí. Jedným médiom sú poskytované viaceré služby.

Každá dobre navrhnutá sieť by mala spĺňať tieto základné požiadavky:

Odolnosť voči chybám (Fault tolerance): Sieť dokáže pracovať aj po výpadku niektorého uzla alebo linky a je dôležité, ako rýchlo sa z tohto výpadku zotaví.

Škálovateľnosť (Scalability): Schopnosť siete rásť bez negatívneho vplyvu na jej funkčnosť.

Kvalita služby (Quality of Service): Schopnosť siete uprednostňovať rôzne typy dát. Hlas a video neznesú veľké zdržanie, dáta zas neznesú straty.

Bezpečnosť (Security): Schopnosť siete chrániť informácie a prístup k nim pred neoprávneným použitím.

Najčastejšie hrozby:

• Vírusy, červy, trójske kone
• Hackerské útoky
• Útoky na vyradenie služby (DoS)
• Odpočúvanie a krádež dát
• Krádež identity

Protokoly sú pravidlá, podľa ktorých prebieha komunikácia v počítačových sieťach.

Protokol určuje:

• formát a význam prenášaných správ
• spôsob ich prenosu
• spôsob ich spracovania

Protokoly slúžia napríklad na:

• hľadanie ciest do iných sietí
• signalizáciu chýb
• zostavenie a ukončenie spojenia
• zabezpečenie služieb internetu (e-mail, web, prenos súborov a pod.)

Keďže procesy v sieťach sú veľmi rozmanité, sú usporiadané do hierarchických vrstiev, aby bol systém prehľadný a ľahšie spravovateľný.

Vrstvové modely zjednodušujú návrh a pochopenie fungovania počítačových sietí. Umožňujú rozdeliť sieť na vrstvy, kde má každá svoju úlohu a zmena v jednej vrstve neovplyvní ostatné.

Referenčný model OSI vytvorila organizácia ISO ako oficiálny model, ale v praxi sa nepresadil a prehral s modelom TCP/IP, na ktorom sú založené dnešné siete.

OSI má 7 vrstiev:

• Aplikačná
• Prezentačná
• Relačná
• Transportná
• Sieťová
• Spojová
• Fyzická

Model TCP/IP je najpoužívanejší protokolový model. Vznikol skôr než OSI a dnes tvorí základ internetu.

TCP/IP má 4 vrstvy:

• Aplikačná
• Transportná
• Internetová
• Vrstva prístupu k sieti

Hoci OSI a TCP/IP nie sú priamo rovnaké, ich vrstvy plnia podobné funkcie.

Riadiaca hlavička obsahuje adresy a riadiace informácie, ktoré sa pridávajú na každej vrstve modelu TCP/IP.

Enkapsulácia je proces postupného pridávania hlavičiek na jednotlivých vrstvách (odosielateľ „baľí“ dáta).

Dekapsulácia je opačný proces, pri ktorom sa hlavičky postupne odstraňujú (príjemca „rozbaľuje“ dáta).

Čiastočnú enkapsuláciu a dekapsuláciu vykonávajú aj medziľahlé zariadenia, napríklad routery a switche.

V paketových sieťach sa dáta prenášajú po častiach nazývaných datagramy (segmenty, pakety, rámce). Tento proces rozdelenia sa nazýva segmentácia.

Výhody segmentácie:

• datagramy sa prenášajú nezávisle od seba
• viac zariadení môže zdieľať jedno médium (multiplexovanie)
• pri chybe sa opakuje len poškodená časť, nie celá správa

Nevýhoda: každý datagram musí niesť vlastné adresné informácie.

Princíp činnosti TCP/IP: aplikácia vytvorí správu → transportná vrstva ju rozdelí na segmenty → sieťová vrstva pridá IP adresy a vytvorí paket → linková vrstva pridá MAC adresy a vytvorí rámec, ktorý sa odošle po médiu.

V reálnom prenose obsahuje rámec viacero adresných polí, s ktorými sa postupne zoznámiš pri štúdiu sietí.

Úlohou fyzickej vrstvy je prenášať jednotlivé bity alebo skupiny bitov daným médiom.

Fyzická vrstva špecifikuje:

• druh a vlastnosti média
• formát konektorov a rozhraní
• prevod dát na bitovú reprezentáciu
• riadiace signály (časovanie, synchronizácia)
• povahu signálov a spôsob modulácie
• činnosť sieťových rozhraní

Fyzická vrstva má priamy vplyv na výslednú rýchlosť komunikácie.

Bandwidth (šírka pásma): maximálna teoretická prenosová rýchlosť technológie (napr. 100 Mbps Ethernet).

Throughput (priepustnosť): skutočný objem prenesených dát vrátane hlavičiek a réžie.

Goodput (užitočná priepustnosť): objem prenesených používateľských dát bez hlavičiek a réžie.

Fyzické médiá delíme na:

• metalické
• optické
• bezdrôtové

Výber média ovplyvňuje:

• rýchlosť prenosu
• maximálnu vzdialenosť
• odolnosť voči rušeniu
• možnosť plne duplexnej komunikácie

Koaxiálny kábel (KOAX) sa dnes používa najmä na pripojenie antén, satelitov a set-top boxov. Neumožňuje plný duplex.

Krútená dvojlinka (TP) je najpoužívanejšie médium v LAN sieťach. Existujú varianty:

• UTP – bez tienenia
• FTP – spoločné tienenie
• STP – tienený každý pár aj celý kábel

Krútenie párov znižuje rušenie vplyvom elektromagnetickej indukcie.

Typy káblov:

• Priamy – prepojenie rôznych zariadení
• Krížený – prepojenie rovnakých zariadení
• Konzolový – konfigurácia sieťových zariadení

Konektor RJ-45 používa normy T568A a T568B.

Nevýhody metalických médií: náchylnosť na rušenie (EMI, RFI) a vedenie elektrického prúdu.

Optické vlákna prenášajú dáta pomocou svetla. Nie sú ovplyvňované rušením, sú nevodivé a dosahujú vysoké rýchlosti a veľké vzdialenosti.

Nevýhody: vyššia cena, náročnejšia inštalácia a údržba.

Optické vlákno má tri časti: core, cladding, buffer.

Rozlišujeme:

• Single-mode: veľký dosah (desiatky km), drahšie
• Multi-mode: menší dosah (stovky metrov), lacnejšie

Bezdrôtové médiá využívajú elektromagnetické žiarenie.

Patria sem technológie:

• WiFi (802.11)
• Bluetooth (802.15)
• WiMAX (802.16)
• Mobilné siete: GSM, LTE, 4G, 5G

Komponenty WiFi sietí:

• Access pointy
• Bridges
• Repeatery
• Klienti

Výhody: mobilita, flexibilita, pokrytie.

Nevýhody: ľahké odpočúvanie, nestabilný výkon, nemožnosť úplne obmedziť šírenie signálu.

Bezdrôtové siete nenahrádzajú pevné siete, ale vhodne ich dopĺňajú.

Linková vrstva umožňuje komunikáciu susedných uzlov nad spoločným médiom.

Jej hlavné úlohy:

• zapuzdrenie paketov do rámcov
• identifikácia L3 protokolov
• adresovanie uzlov
• riadenie prístupu k médiu
• kontrola správnosti prenosu
• určenie začiatku a konca rámca

Hranice medzi rôznymi linkovými technológiami sú na smerovačoch. Formát vyšších vrstiev sa nemení.

Linková vrstva sa delí na dve podvrstvy:

• LLC: rozlišuje, aký L3 protokol je prenášaný (IPv4, IPv6)
• MAC: rieši adresovanie uzlov a prístup k médiu pomocou MAC adries

Topológia určuje fyzické zapojenie siete a spôsob pohybu dát.

Logické topológie:

• Point-to-point
• Multiaccess (broadcast)
• Kruh (ring)

Na multi-access sieťach sa používajú MAC adresy na identifikáciu príjemcu.

• Simplex: len vysielanie alebo príjem
• Half-duplex: obojsmerne, ale nie naraz
• Full-duplex: súčasné vysielanie aj príjem

Moderné siete používajú full-duplex.

Ethernet je najpoužívanejšia linková technológia v LAN sieťach.

Rýchlosti:

• 10 Mbps
• 100 Mbps
• 1 Gbps
• 10 Gbps
• 40 Gbps
• 100 Gbps

Základná jednotka rýchlosti je bit za sekundu (bps).

Rámec Ethernetu obsahuje: preambulu, MAC adresu odosielateľa, MAC adresu príjemcu, typ, dáta a kontrolný súčet.

MAC adresa je 6-bajtové číslo (BIA).

• prvé 3 bajty = výrobca (OUI)
• ďalšie 3 bajty = sériové číslo

Typy MAC adries:

• Unicast: jedno zariadenie
• Broadcast: FF:FF:FF:FF:FF:FF – všetky zariadenia
• Multicast: skupina zariadení

1 bajt = 8 bitov.

Switch je zariadenie pracujúce na 2. vrstve.

Ukladá si MAC adresy zariadení do CAM tabuľky a posiela rámce len na port, kde sa nachádza cieľové zariadenie.

Na rozdiel od starého HUB-u neposiela dáta na všetky porty.

Sieťová vrstva zabezpečuje doručovanie dát medzi zariadeniami v rôznych sieťach.

Jej hlavné úlohy:

• logické adresovanie zariadení
• hľadanie cesty do cieľovej siete
• enkapsulácia segmentu do IP paketu
• smerovanie paketov najlepšou cestou
• de-enkapsulácia u príjemcu

Transportná vrstva vytvorí segment a sieťová vrstva k nemu pridá IP hlavičku.

IP bol navrhnutý len na čo najjednoduchšie doručenie paketov zo zdroja do cieľa.

Je:

• nespojovaný – neoveruje, či príjemca existuje
• nespoľahlivý – negarantuje doručenie (best-effort)
• nezávislý od média – funguje nad rôznymi technológiami

Spoľahlivosť zabezpečujú až protokoly vyšších vrstiev (napr. TCP).

IPv4 používa 32-bitové adresy (~4 miliardy), ktorých priestor sa vyčerpal, preto sa používa NAT.

IPv6 používa 128-bitové adresy, má obrovský adresný priestor, jednoduchšiu hlavičku a NAT nepotrebuje.

Počítač môže posielať pakety sebe, do lokálnej siete alebo do vzdialenej siete.

Default gateway (predvolená brána) je smerovač, ktorý posiela pakety do iných sietí.

Ak cieľ nie je v lokálnej sieti, paket sa vždy pošle na default gateway.

Postup pri strate konektivity:

1. ping 127.0.0.1 – test TCP/IP
2. ping moja IP adresa
3. ping default gateway
4. ping vonkajšie rozhranie smerovača
5. ping IP v internete
6. tracert cieľová IP – zistenie, kde sa spojenie preruší

Transportná vrstva je rozhraním medzi aplikáciami a sieťou. Pripravuje aplikačné dáta na prenos sieťou.

Dáta rozdeľuje na segmenty, pridáva im hlavičky a zabezpečuje, aby boli u príjemcu správne poskladané.

Zodpovedá za prenos dát medzi konkrétnymi aplikáciami na koncových zariadeniach.

• oddelenie konverzácií medzi aplikáciami
• segmentácia dát
• spätná rekonštrukcia dát
• identifikácia komunikujúcich aplikácií
• multiplexovanie viacerých prenosov

Transportná vrstva môže zabezpečovať:

• spoľahlivosť – potvrdenie prijatia a opakovanie stratených segmentov
• usporiadanosť – poskladanie segmentov do správneho poradia
• riadenie toku – prispôsobenie rýchlosti prenosu príjemcovi

Nie všetky aplikácie tieto vlastnosti potrebujú.

V TCP/IP architektúre sa používajú dva hlavné protokoly:

• TCP – spojovaný, spoľahlivý, usporiadaný, s riadením toku
• UDP – nespojovaný, nespoľahlivý, rýchly, bez kontroly poradia

TCP sa používa napr. pre web, e-mail, databázy.

UDP sa používa napr. pre VoIP, video, DNS, DHCP.

Pred prenosom dát musí TCP vytvoriť spojenie pomocou 3-krokovej výmeny:

1. Klient pošle SYN
2. Server odpovie SYN + ACK
3. Klient odpovie ACK

Až potom môže začať prenos dát.

TCP je stavový protokol – pamätá si, čo už bolo odoslané a potvrdené.

UDP neposkytuje spojenie ani spoľahlivosť.

• nekontroluje poradie segmentov
• neopakujú sa stratené segmenty
• má malú réžiu a je veľmi rýchly

Používa sa tam, kde je dôležitejšia rýchlosť než dokonalosť prenosu.

Transportná vrstva používa čísla portov na odlíšenie jednotlivých aplikácií.

Každá komunikácia je identifikovaná kombináciou:

• IP adresa + port

TCP a UDP majú oddelené priestory portov (TCP/80 ≠ UDP/80).

Port je číslo, ktoré operačný systém pridelí aplikácii pre sieťovú komunikáciu.

Na aplikačnej vrstve pracujú dva typy softvéru:

• Sieťové aplikácie – programy, s ktorými pracuje používateľ (prehliadač, email, chat, VoIP, P2P...)
• Aplikačné služby – služby bežiace na pozadí (DNS, DHCP, poštové servery...)

Väčšina aplikačných protokolov je popísaná v dokumentoch RFC.

Klient je konzument služby (prehliadač, emailový klient...).

Server je poskytovateľ služby (web server, mail server...).

Služba je poskytovaná centrálne.

Príklady protokolov: HTTP, DNS, DHCP, FTP, SSH.

V P2P modeli je každé zariadenie zároveň klient aj server.

Neexistuje centrálny riadiaci prvok.

Príklady: BitTorrent, Skype, Spotify.

HTTP je základný protokol služby WWW.

Umožňuje klientovi žiadať dokumenty zo servera alebo na server posielať dáta.

Formát adresy: http://server/cesta/subor

HTTP je textový a nešifrovaný protokol. Zabezpečená verzia sa volá HTTPS.

Základné metódy:

• GET – získanie dokumentu
• POST – odoslanie dát
• PUT – uloženie dokumentu

SMTP slúži na odosielanie e-mailov na server.

POP3 a IMAP slúžia na čítanie pošty.

• POP3 – sťahuje poštu do zariadenia
• IMAP – pošta zostáva na serveri a synchronizuje sa medzi zariadeniami

E-mail má tvar: meno@domena.sk

DNS je „telefónny zoznam internetu“.

Prekladá mená serverov na IP adresy.

DNS je stromová databáza domén. Napr. mail.skola.edu.sk obsahuje viacero úrovní domén.

DHCP slúži na automatické prideľovanie sieťových nastavení.

Priraďuje IP adresu, masku, bránu, DNS a ďalšie údaje.

Základné správy:

• Discover
• Offer
• Request
• Acknowledge
• Release

FTP slúži na prenos súborov medzi klientom a serverom.

Používa dve spojenia: riadiace a dátové.

FTP je nešifrované, dnes sa používa hlavne SFTP (zabezpečené).

SMB slúži na zdieľanie súborov a tlačiarní v sieti.

Používa architektúru client-server.

Slúžia na vzdialené ovládanie zariadení cez príkazový riadok.

• Telnet – nešifrovaný
• SSH – šifrovaný a bezpečný

IPv4 adresa má 32 bitov (4 bajty) a zapisuje sa ako 4 oktety v bodkovom desiatkovom tvare (napr. 192.168.10.10).

Každý oktet má 8 bitov a často sa pracuje aj s binárnym zápisom.

Sieťová maska určuje, ktorá časť IP adresy patrí sieti a ktorá stanici.

Má tvar súvislých jednotiek a núl (napr. 255.255.255.0).

Skrátený zápis sa nazýva CIDR a zapisuje sa ako /24, /16, atď.

Binárnym AND medzi IP adresou a maskou získame adresu siete.

• Adresa siete: najnižšia adresa v sieti
• Broadcastová adresa: najvyššia adresa v sieti
• Adresa uzla: každá iná použiteľná adresa

Prvá použiteľná adresa býva často default gateway.

Pomocou IP adresy a masky vieme určiť:

• adresu siete
• broadcastovú adresu
• počet použiteľných adries

Postup: AND medzi IP a maskou = adresa siete. K nej pripočítame veľkosť siete a získame broadcast.

Privátne adresy (RFC1918):

• 10.0.0.0/8
• 172.16.0.0/12
• 192.168.0.0/16

Používajú sa v lokálnych sieťach a na internet idú cez NAT.

Ďalšie špeciálne rozsahy:

• 127.0.0.1 – loopback
• 169.254.0.0/16 – link-local
• 192.0.2.0/24 – testovacie adresy

Pôvodne sa IP adresy delili na triedy A, B, C (classful addressing), čo bolo neefektívne.

Dnes sa používa classless addressing, kde veľkosť siete určuje sieťová maska (CIDR).

Správu verejných IP rozsahov zabezpečujú regionálne registre, pre Európu napríklad RIPE.

Zo zadanej IP adresy a masky vieme vypočítať:

• adresu siete
• počet hostov
• prvú použiteľnú adresu
• poslednú použiteľnú adresu (broadcast)

Postup: IP adresu a masku zapíšeme v binárnom tvare a vykonáme binárny AND. Výsledok je adresa siete.

Príklad: 192.168.13.124 /24 → adresa siete: 192.168.13.0

Počet hostov vypočítame zo počtu bitov určených pre host časť:

2^n - 2

Dve adresy sa odpočítajú: adresa siete a broadcast.

Príklad: /24 → 8 bitov pre hostov → 2⁸ - 2 = 254 hostov

Prvá použiteľná adresa: adresa siete + 1

Posledná použiteľná adresa: broadcast - 1

Broadcast: posledná adresa v rozsahu siete

Príklad: 10.10.3.25 /16 → sieť: 10.10.0.0, broadcast: 10.10.255.255

Ak maska neláme adresu na hranici oktetu, hovoríme o beztriednom adresovaní (CIDR).

Príklad: 172.16.67.54 /21 → sieť: 172.16.64.0, broadcast: 172.16.71.255, počet hostov: 2046.

Hranica siete sa určuje podľa počtu jednotiek v maske.

Pri návrhu siete vyberáme najmenšiu možnú sieť, ktorá dokáže obslúžiť požadovaný počet zariadení.

Príklad: potrebujeme 111 zariadení → najbližšia vhodná veľkosť je 126 hostov → použijeme /25.

Sieť: 172.16.0.0/25 → rozsah: 172.16.0.1 – 172.16.0.126, broadcast: 172.16.0.127

Smerovač je špecializovaný počítač určený na preposielanie paketov medzi sieťami.

Obsahuje komponenty ako:

• CPU
• RAM, NVRAM, FLASH, ROM
• ASIC – špecializované obvody na rýchle spracovanie paketov

Je navrhnutý na vysokú priepustnosť a spoľahlivosť.

Smerovanie je proces výberu najlepšej cesty pre pakety do cieľovej siete.

Rozlišujeme:

• Statické smerovanie
• Dynamické smerovanie

Smerovač pozná automaticky len priamo pripojené siete. Ostatné sa musí naučiť.

Ak smerovač nepozná cieľovú sieť, paket zahodí.

Do smerovacej tabuľky sa záznamy dostávajú:

• staticky – ručne administrátorom
• dynamicky – pomocou smerovacích protokolov

Oba prístupy majú svoje výhody aj nevýhody.

Statické cesty sa zadávajú ručne.

• nezaberajú výkon smerovača
• nereagujú na zmeny v sieti
• za ich správnosť zodpovedá administrátor

Existuje aj default route a plávajúca statická cesta.

Administratívna vzdialenosť (AD) určuje dôveryhodnosť zdroja informácie.

Metrika vyjadruje výhodnosť cesty.

Vždy platí: čím menšie číslo, tým lepšia cesta.

Autonómny systém je skupina sietí a smerovačov pod jednou správou a jednou smerovacou politikou.

Navonok vystupuje ako jedna celistvá sieť.

EGP protokoly sa používajú medzi autonómnymi systémami.

Jediný dnes používaný EGP protokol je BGP.

• nerieši vnútornú topológiu sietí
• rieši prepojenia medzi AS
• pracuje s politikami a preferenciami

IGP protokoly sa používajú vo vnútri jedného AS.

Vymieňajú si informácie o vnútornej topológii siete.

Svet mimo AS je reprezentovaný zjednodušene (sumárne alebo default route).

DV protokoly poznajú:

• cieľové siete
• vzdialenosti cez susedov

Susedia si pravidelne vymieňajú smerovacie tabuľky.

Príklady: RIP, IGRP.

Sú jednoduché, ale pomalšie.

LS protokoly poznajú celú topológiu siete.

Používajú Dijkstrov algoritmus na výpočet najkratších ciest.

Sú rýchle, presné, ale náročnejšie na výkon.

Príklad: OSPF.

• DV: jednoduché, menej náročné, vhodné pre malé siete
• LS: rýchle, presné, náročnejšie, vhodné pre veľké siete

• show ip route – smerovacia tabuľka
• show running-config – bežiaca konfigurácia
• show startup-config – štartovacia konfigurácia
• show vlan – VLAN na prepínači